8. технико-экономическое обоснование.

9. охрана труда при проектировании устройства.

Проектирование изделия ведется с использованием современных систем автоматизированного проектирования (САПР) AutoCad, P-Cad и Mentor Graphics.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Наименование и шифр работы

Наименование ОКР -- «Разработать конструкцию индикатора напряжения сети многофункционального»

Основание для выполнения ОКР

Настоящая работа выполняется на основании задания на дипломное проектирование, от 26.01.2010 г.

Заказчик -- Кафедра РЭС.

Сроки выполнения

Сроки выполнения ОКР в соответствии с заданием -- 26.01.2010 г. -- 01.06.2010 г.

Цель, задачи, назначение ОКР

Целью работы является создание конструкции индикатора напряжения сети многофункционального.

Индикатор напряжения сети многофункциональный предназначен для измерения температуры воздуха в пределах -55…+99⁰С и напряжения в сети в пределах 44…299В, подавая звуковой сигнал при его выходе за установленные пределы.

Основные требования

Устройство - индикатор напряжения сети многофункциональный должно удовлетворять требованиям настоящего ТЗ.

Конструкторская документация должна соответствовать требованиям ЕСКД.

Технические требования

Требования к конструкции

Устройство - индикатор напряжения сети многофункциональный должно иметь напряжение в сети в пределах 44..299 В.

Индикатор напряжения сети многофункциональный должен иметь возможность работать автономно.

Конструкция устройства должна обеспечивать возможность автоматизации регулировочных и контрольных операций.

Индикация измеряемых величин - цифровая

Материалы и полуфабрикаты, комплектующие изделия должны применяться по действующим стандартам и техническим условиям на них.

Индикатор напряжения сети многофункциональный должен иметь удобное и надежное крепление.

Рекомендуемый цвет корпуса - серый.

Масса устройства должна быть не более 500 г.

Климатическое исполнение по ГОСТ 15150- УХЛ4.2.

Защита от пыли и воды IP40

Показатели назначения

Напряжение питания - 220 В, 50Гц

Прямое падение напряжения на диоде VD6 должно быть равно 0,44В.

На трансформаторе питания Т1 намотана обмотка II, напряжение на которой равно 10В при напряжении в сети 220В.

При любом шуме в помещении прибор на 40 с включает светильник. При неисправной сети автоматически включается аварийное освещение с питанием от аккумуляторной батареи.

Если измеренное напряжение вышло за пределы 165…260В, включается излучатель звука со встроенным генератором.

Прибор предназначен для утопленного монтажа на вертикальных щитах и панелях.

Требования к надежности

Средняя наработка на отказ должна быть не менее 20000 ч.

Средний ресурс должен быть не ниже 30000 ч.

Средний срок службы должен быть не менее 6 лет.

Требования к технологичности

Должны быть разработаны и изготовлены технологическая оснастка и средства автоматической диагностики устройства.

Требования к уровню унификации и стандартизации

При разработке индикатора напряжения сети многофункционального должны по возможности максимально использоваться стандартные и унифицированные устройства, узлы и детали.

Требования к безопасности и экологии

Индикатор напряжения сети многофункциональный не должен по возможности содержать вещества наносящие вред окружающей среде, а также требующие специальных мер при утилизации изделия.

Эстетические и эргономические требования

Форма, компоновка и внешний вид изделия должны соответствовать его функциональному назначению и обеспечивать удобство обслуживания при настройке, ремонте и эксплуатации.

Требования к патентной чистоте

По схемным и конструкторским решениям должен быть произведен патентный поиск глубиной 10 лет, стран СНГ и зарубежных аналогов.

Требования к упаковке и маркировке

Маркировка и упаковка должны соответствовать требованиям ГОСТ 27451-87.

Требования к транспортированию, эксплуатации, хранению

Индикатор напряжения сети многофункциональный в упакованном виде должен допускать транспортирование в закрытых транспортных средствах любого вида наземного транспорта, и в отапливаемых герметизированных отсеках самолета при температуре окружающего воздуха от минус 20 до плюс 60°С и относительной влажности (95±3)% при температуре 35°С.

Прибор должен быть устойчив к воздействию:

- температура окружающей среды от -35 С до +60 С;

- относительная влажность не более 80% при температуре 35 С и более низких температурах без конденсации влаги;

- атмосферное давление от 86 до 106,7 кПа;

- вибрация мест крепления: амплитуда 0,1 мм, частота не более 25 Гц;

- напряженность магнитного поля : не более 400 А/М;

- окружающая среда не взрывоопасна, не содержит солевых туманов токопроводящей пыли, агрессивных газов или паров разрушающих металл и изоляцию.

Условия хранения устройства без упаковки должны соответствовать требованиям ГОСТ 27451-87.

2. ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК

Патентный поиск - сбор сведений в международных патентных базах для определения уникальности изобретения, соблюдения им всех установленных правил, которые позволят получить патент [2].

Главная цель патентного поиска - выяснение оригинальности идеи.

Предмет поиска: измерительный прибор, индикатор напряжения сети многофункциональный.

Индекс: G01R19/145

Страны поиска: СНГ, США, Япония

Глубина поиска: 1996 - 2010 гг.

Источники информации: в качестве источников информации использовался фонд описания изобретения.

Результаты поиска и выявленные аналоги их существенные признаки сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты патентного поиска [3]

В результате произведенной работы по выявлению аналогов устройства - индикатора напряжения сети многофункционального, можно сделать вывод, что аналогов не найдено. Т.к. данный индикатор будет определять не только напряжение в сети, но и температуру окружающей среды. Это позволит его использовать не только в лабораториях и на предприятии, но и в офисах и домашних условия.

3. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ

3.1 Анализ схемы электрической принципиальной

Основой схемы индикатора напряжения сети многофункционального является микроконтроллер ATtiny 15L (DD3). Датчик температуры установливается вне помещения и соединяется с устройством через разъем. Значения температуры выводятся на три семиэлементных световых индикатора HG1, HG3 и HG5, причем HG1 служит для индикации знака “минут”, а два остальных показывают температуру в градусах Цельсия [4].

При неисправности кабеля, соединяющего датчик температуры с прибором, на эти три индикатора будут возведены коды “E00” (обрыв линии связи или замыкание контактов 2 и 3 разъема X1) или “E99” (замыкание контактов 1 и 2 разъема X1) [4].

Светодиод HL1 или HL2 включаются, если температура имеет тенденцию соответственно к понижению и повышению. Принцип основан на определении приращения температуры за последние два часа. Если его абсолютное значение за этот промежуток времени не превышает 2 єС, оба светодиода выключены. Если значение больше 2 єС, то в зависимости от знака приращение будет включен один из светодиодов. В оперативной памяти микроконтроллера сохраняется значение температуры от начала её значения, что позволяет узнать, например, минимальную температуру за ночь или максимальную за день [4].

Каждый новый отсчет температуры сравнивается с минимальным и максимальным значениям, хранящимися в энергонезависимой памяти микроконтроллера. При обнаружении нового экстремального значения содержимое соответствующих ячеек памяти корректируется [4].

Для контроля за напряжением сети на трансформаторе питания T1 намотана обмотка II, напряжение на которой равно 10В при напряжении в сети 220В. После выпрямления часть напряжения этой обмотки поступает на вход встроенного в микроконтроллер АЦП. Измеренное значение выводится на светодиодные индикаторы HG2, HG4, HG6. Если оно вышло за пределы 165…260 В, включается излучатель звука HA1 со встроенным генератором. Чем сильнее нарушены границы, тем чаще звуковые посылки, что позволяет адекватно реагировать на неисправность [4].

Внешний акустический шум воспринимает микрофон BM1, а его сигнал усиливает сдвоенный ОУ DA1. Чувствительность датчика шума регулируют переменным резистором R14. Если допустимый уровень шума превышен, срабатывает реле K1, включая имеющий в помещении светильник. Это позволяет, например, включить освещение хлопком в ладоши [4].

Контакты реле остаются замкнутыми 40 с после прекращения шума. Для этого вывод 6 микроконтроллера используется поочередно как вход и выход. Если внешнее напряжение на этом выводе превышает 1,22В, микроконтроллер переводит его в режим выхода и устанавливает здесь высокий уровень напряжения, что поддерживает реле сработавшим. Периодически вывод на короткое время переводится в режим входа, и проверка повторяется. Если напряжение ниже указанного ранее, вывод остается “на приеме” и освещение выключается [4].

На аккумуляторной батарее GB1 и светодиодах белого цвета свечения EL1-EL6 реализован источник аварийного освещения, который включается при отсутствии напряжения в сети. Пока напряжение в сети есть, батарея подзаряжается через диод VD5 и резистор R41 [4].

При каждом нажатии на кнопку SB1 вместо текущего значения температуры на индикатор поочередно на несколько секунд выводятся хранящиеся в памяти максимальное и минимальное значения температуры. Они сопровождаются условными кодами на индикаторе напряжения: 101 - последний минимум температуры; 102 - последний максимум температуры; 103 - минимальная температура за всё время работы прибора; 104 - максимальная температура за всё время работы прибора [4].

Наладка устройства сводится к выбору диода VD6, прямое падание напряжения на котором (при напряжении 10В на обмотке II трансформатора T1) должно быть равно 0,44В. Затем подстроечным резистором R20 устанавливают показания прибора равными фактическому напряжению в сети [4].

3.2 Анализ условий эксплуатации и дестабилизирующих факторов

Условия эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры имеют различную природу и изменяются в весьма широких пределах. Факторы, воздействующие на приборы и в определенной мере ограничивающие работоспособность аппаратуры, разделяют на климатические, механические и радиационные [5].

К климатическим факторам относят: изменение температуры и влажности окружающей среды, тепловой удар, атмосферное давление, присутствие агрессивных веществ и озона в окружающей среде, солнечное облучение, грибковые образования (плесень), наличие микроорганизмов, насекомых и грызунов, взрывоопасность и воспламеняемость атмосферы, водные воздействия (дождь, брызги).

К механическим факторам относят вибрацию, механические и акустические удары, линейные ускорения.

К радиационным факторам относят все виды космической, естественной и искусственной радиации.

Эти факторы принято называть дестабилизирующими факторами. Каждый из них может проявлять себя и независимо от остальных, и в совместном действии с другими факторами той или другой группы.

Так как РЭА принадлежит, как правило, к классу человеко-машинных систем, то большое влияние на работоспособность аппаратуры оказывает и субъективный человеческий фактор. Квалификация специалистов сказывается на качестве работы РЭА на всех этапах ее жизненного цикла [5].

В процессе транспортирования и эксплуатации РЭА подвергается воздействию вибраций, в основном, от внешних источников колебаний. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственным частотам колебаний узлов и элементов конструкции. Свойство аппаратуры противодействовать их влиянию характеризуется вибропрочностью и виброустойчивостью. Виброустойчивость определяет способность РЭА выполнять заданные функции во включенном состоянии в условиях воздействия вибраций [5].

Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапливающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию РЭА. Среди существующих видов излучений наибольшую опасность представляют электромагнитные излучения и ионизирующие частицы высоких энергий [5].

Следовательно, разрабатываемое устройство индикатор напряжения сети многофункциональный должен соответствовать ряду требований, которые представлены в техническом задании. Данное устройство должно сохранять свои параметры и безотказную работоспособность при воздействии климатических факторов.

Индикатор напряжения сети многофункциональный предназначен для использования в районах с умеренным климатом, в таких странах как: Беларусь, часть территории России, большая часть Европы, США, прибрежные территории Австралии, Южной Африки и Южной Америки. Для данного климатического региона характерны: изменение температур от -35 до +35 °С, образование инея, выпадение росы, наличие тумана, изменение давления воздуха от 86 до 106 кПа.

Исходя из технического задания, разрабатываемое устройство будет изготавливаться в климатическом исполнении УХЛ.

Разрабатываемое устройство будет предназначено для эксплуатации в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других помещениях (с отсутствием воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения, ветра, песка, пыли, наружного воздуха, отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги). Следовательно, устройство относится к категории исполнения 4.2.

Нормальные значения климатических факторов внешней среды при эксплуатации изделия принимают равными следующим значениям:

- верхнее рабочее значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации +35°C;

- нижнее рабочее значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации +10°C;

- верхнее предельное рабочее значение температуры окружающего воздуха при эксплуатации +40°C;

- нижнее предельное значение рабочей температуры окружающего воздуха при эксплуатации +1°С;

- верхнее значение относительной влажности при + 25°С 80%;

- среднегодовое значение относительной влажности при +20°С 60%;

- среднегодовое значение абсолютной влажности 10 г·м;

- верхнее рабочее значение атмосферного давления 106,7кПа (800 мм.рт.ст.);

- нижнее рабочее значение атмосферного давления 86,6кПа (650 мм.рт.ст.);

- нижнее предельное рабочее значение атмосферного давления 84,0 кПа (630 мм.рт.ст.).

4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ, УНИФИЦИРОВАННЫХ УЗЛОВ, УСТАНОВОЧНЫХ ИЗДЕНИЙ И МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИЙ

Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом требований изложенных в техническом задании. Эксплуатационная надежность элементной базы во многом определяется правильным выбором типа элементов при проектировании и использовании в режимах, не превышающие допустимые. Следует отметить, что ниже рассматриваются допустимые режимы работы и налагаемые при этом ограничения в зависимости от воздействующих факторов лишь с точки зрения устойчивой работы самих элементов, не касаясь схемотехники и влияния параметров описываемых элементов на другие элементы.

Критерием выбора электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в любом радиоэлектронном устройстве является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям работы и эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ являются:

а) технические параметры: номинальное значение параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схеме устройства; допустимые отклонения величин ЭРЭ от их номинального значения; допустимое рабочее напряжение ЭРЭ; допустимое рассеивание мощности ЭРЭ; диапазон рабочих частот ЭРЭ; коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

б) эксплуатационные параметры: диапазон рабочих температур; относительная влажность воздуха; давление окружающей среды; вибрационные нагрузки; другие (специальные) показатели.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ являются: унификация ЭРЭ; масса и габариты ЭРЭ; наименьшая стоимость; надежность.

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации при выборе ЭРЭ, а также конструировании изделия позволяет получить следующие преимущества: значительно сократить сроки и стоимость проектирования; сократить на предприятии-изготовителе номенклатуру применяемых деталей и сборочных единиц, увеличить применяемость и масштаб производства; исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта РЭС, т.е. упростить подготовку производства; создать специализированное производство стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятий; улучшить эксплуатационную и производственную технологичность; снизить себестоимость выпускаемого изделия.

Учитывая вышесказанное, перейдем к выбору элементной базы.

4.1 Выбор конденсаторов и резисторов

Согласно требуемым значениям сопротивления и необходимой мощности выберем SMD резисторы, а также значениям ёмкости и необходимому напряжению выберем SMD конденсаторы, в чип - корпусах 0805. Технические параметры представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Технические характеристики резисторов 0805

Резистор подстроечный металлокерамический многооборотные серии PV36 выполнен в пластмассовом корпусе, защищающем его от пыли и влажности. Высокая стабильность, надежность и износоустойчивость. На тыльной стороне корпуса располагается углубление для подстройки. Технические параметры представлены в таблице 4.2 .

Таблица 4.2 - Технические характеристики резисторов PV36

Резистор переменный однооборотный углеродный MCA9. Высокая стабильность электрического контакта благодаря большойплощади подвижной части и проводящего слоя. Защита класса IP5 (пылезащищенные). Изделия проходят 100% контроль качества на стадии производства и соответствуют стандарту ISO 9002. Высокая износоустойчивость. Технические параметры представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Технические характеристики резисторов MCA9

Конденсатор электролитический алюминиевый серии ERC. 2000 часов работы при температуре 85 °C. Малый размер корпуса, широкий выбор доступных емкостей. Технические параметры представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Технические характеристики конденсатора ERC

4.2 Выбор микросхем

Двойной положительно фронтальный триггер 74HC74. Высокая шумовая неприкосновенность. Широкий диапазон напряжение от 2.0 до 6.0В. Уравновешенные задержки распространения. Корпус изготовлен из пластика. Технические характеристики представлены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 - Технические характеристики микросхемы 74HC74

Микросхема типа 7805, технические характеристики представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Технические характеристики микросхемы 7805

Микроконтроллер ATtiny15L-1PI . Высокоэффективный, маломощный AVR 8 битовый микродиспечер. 32 x 8 общие рабочие регистры. Статистические операции. Энергонезависые программы и базы данных. Один дифференциальный вход с дополнительной выгодой в 20 раз. Расход энергии 1.6 МГц, 3В, 25°C. Технические характеристики представлены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Технические характеристики микоконтроллера ATtiny15L-1PI

Микросхема CD4094B это 8-разрядный смещенный регистр имеющий накопительный фиксатор с различными ступенями для стабилизации даты. Технические характеристики представлены в таблице 4.8.

Таблица 4.8 - Технические характеристики микросхемы CD4094B

Микросхема LM358N Низкая утечка мощности. Общий диапазон входного напряжения, протекающий по земле. Низкие входные токи смещения. Технические характеристики представлены в таблице 4.9.

Таблица 4.9 - Технические характеристики микросхемы LM358N

4.3 Выбор диодов

Диоды 1N4001. Корпус DO-41. Материал корпуса пластик. Технические характеристики представлены в таблице 4.10.

Таблица 4.10 Технические характеристики диодов 1N4001

Диоды 1N5810. Очень быстрый ректификатор. Технические характеристики представлены в таблице 4.11.

Таблица 4.11 Технические характеристики диодов 1N5810

Отечественный диодный мост КЦ407А. Его основные параметры - максимальный ток 0,5А , рабочее напряжение - до 400В. Полного корпусного аналога не существует. Наиболее близкая возможная замена - импортный диодный мост WL10 (1А, 1000В).

4.4 Выбор батареи аккумуляторной

Батарея аккумуляторная Samsung (4,8 В)

4.5 Выбор звукового излучателя

Звуковой излучатель НС0903А. Свойства: высокая эффективность, сравнимая с электромагнитными излучателями, сверхтонкие и легкие, низкое потребление энергии, отсутствие электромагнитных помех, встроенный генетатор. Технические характеристики представлены в таблице 3.12.

Таблица 4.12 Технические характеристики звуковой излучатель НС0903А

4.6 Выбор индикаторов

Индикаторы SA03-11HWA и SA05-11HWA. Технические характеристики представлены в таблице 4.13.

Таблица 4.13 Технические характеристики индикаторов SA03-11HWA и SA05-11HWA.

4.7 Выбор светодиодов

Светодиоды L-53PBC-E и L-53SEC. Технические характеристики представлены в таблице 4.14.

Таблица 4.14 Технические характеристики светодиода L-53PBC-E и L-53SEC.

4.8 Выбор транзисторов

Транзисторы BC517 и BC636. Максимальный ток 500 мА. Максимальное напряжение 30 В. . Технические характеристики представлены в таблице 4.15.

Таблица 4.15 Технические характеристики транзисторов BC517 и BC636.

4.9 Выбор разъемов

Разъемы BLS-2 и BLS-3. Контакты: фосф бронза. Варианты покрытия контактов: олово. Изолятор: полистирол, усиленный стекловолокном UL-94V-0. Технические характеристики представлены в таблице 4.16.

Таблица 4.16 Технические характеристики разъемов BLS-2 и BLS-3.

4.10 Выбор предохранителя

Предохранитель DO70-002.

4.11 Выбор трансформатора

Трансформатор EI48. Диапазон входных напряжений - одиночный диапазон. Технические характеристики представлены в таблице 4.17

Таблица 4.17 Технические характеристики трансформатора EI48.

4.12 Обоснование выбора материалов деталей

Выбор унифицированных узлов и установочных изделий проводим на основании одного из требований технического задания к уровню унификации и стандартизации. На основании вышесказанного основное предпочтение отдается стандартизированным изделиям крепежа _ все крепежные изделия стандартны.

Выбор материалов разрабатываемой конструкции проводим согласно требованиям, изложенным в техническом задании. Материалы конструкции должны обладать следующими свойствами:

- иметь малую стоимость;

- легко обрабатываться и быть легкими;

- обладать достаточной прочностью и жесткостью;

- сохранять физико-химические свойства в процессе эксплуатации.

Применение унифицированных материалов в конструкции, ограничение номенклатуры применяемых деталей позволяет уменьшить себестоимость разрабатываемого изделия, улучшить производственную и эксплуатационную технологичность. Изготовление деталей конструкции типовыми технологическими процессами также позволяет снизить затраты при серийном выпуске изделий в промышленности.

Материал для изготовления печатной платы должен иметь следующие показатели (в заданных условиях эксплуатации РЭС): большую электрическую прочность, малые диэлектрические потери, обладать химической стойкостью к действию химических растворов, используемых в техпроцессах изготовления платы. Для изготовления плат общего применения в РЭС наиболее широко используется стеклотекстолит. Фольгированный стеклотекстолит представляет собой слоистый прессованный материал, изготовленный на основе ткани из стеклянного волокна, пропитанной термореактивным связующим на основе эпоксидной смолы, и облицованный с одной стороны медной электролитической оксидированной или гальваностойкой фольгой (изготавливают листами толщиной: до 1 мм _ не менее 400Ч600 мм; от 1,5 и более _ не менее 600Ч700 мм). На основании вышеприведенного, для изготовления печатной платы может использоваться следующий материал: СФ 2-35-1,5 ГОСТ 10316-78 - стеклотекстолит фольгированный гальваностойкий предназначен для изготовления печатных плат с повышенными диэлектрическими свойствами.

5. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ И МЕТОДА КОНСТРУИРОВАНИЯ

5.1 Размещение элементов

Основная компоновочная схема изделия определяет многие важнейшие характеристики РЭС: габариты, вес, объем монтажных соединений, способы защиты от полей, температуры, механических воздействий, ремонтопригодность.

Различают две основные компоновочные схемы РЭС [6]:

централизованная;

децентрализованная;

При централизованной компоновке все элементы сложной системы располагаются в одном отсеке на специальных этажерочных конструкциях или шкафах, длина и количество межблочных соединений сведены к минимуму, ремонт и демонтаж наиболее удобны, легче выполнить качественные системы охлаждения и амортизации [6].

Децентрализованная компоновочная схема обеспечивает относительно большую легкость размещения элементов изделия на объекте, не требуется тщательная экранировка отдельных блоков, при соответствующих схемных решениях может быть более надежной, сохраняя частичную работоспособность при выходе из строя отдельных элементов изделия. Недостатком является значительная длина межблочных соединений, затруднен полный демонтаж системы, для каждого отдельного блока необходимо предусматривать автономные системы охлаждения, виброзащиты [6].

При проектировании данного устройства будет использована централизованная компоновочная схема, так как все элементы будут находиться на одной плате и в одном корпусе.

При компоновке элементов на печатную плату необходимо учитывать элементы, которые будут размещаться на передней панели. Для этого необходимо заранее выбрать их место размещение, что повлияет на форму устройства.

Компоновка РЭС осуществляется уже на этапе технического предложения, поскольку необходимо учесть требования по габаритам и массе, которые определены в техническом задании. На последующих стадиях проектирования происходит корректировка и уточнение компоновочных параметров. Как правило, при компоновке необходимо определить площадь и объем, массу конструкции. В том случае, если результаты расчетов не будут соответствовать требованиям ТЗ, то по согласованию с заказчиком в технически обоснованных случаях в ТЗ могут быть внесены соответствующие корректировки.

При компоновке устройства должны быть учтены следующие основные требования:

- оптимальность, устойчивость и стабильность функциональных межблочных связей;

- требования по жесткости и прочности;

- эргономика, удобство ремонта;

- оптимальное размещение комплектующих элементов в модулях всех уровней с учетом коэффициента заполнения по объему и удобству для осмотра и ремонта;

- сосредоточение центра тяжести ближе у опорной поверхности;

- наличие достаточного пространства для межблочных соединений.

В зависимости от сложности устройства различается и метод конструирования. Существует несколько методов конструирования, таких как: геометрический, машиностроительный, топологический, метод проектирования моноконструкций, базовый метод.

Геометрический метод. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств твердого тела [7].

Машиностроительный метод. В основу этого метода конструирования положена структура механических связей между элементами, представляющая собой систему опорных поверхностей. Машиностроительный метод используется для конструирования устройств и элементов РЭА, которые несут большие механические нагрузки и в которых неизбежны вследствие этого большие деформации [7].

Топологический метод. В основу метода положена структура физических связей между ЭРЭ. Топологический метод, в принципе, может применяться для выявления структуры любых связей, однако конкретное его содержание проявляется там, где связности элементов может быть сопоставлен граф [7].

Метод проектирования моноконструкций. Основан на минимизации числа связей в конструкции, он применяется для создания функциональных узлов, блоков, РЭА на основе оригинальной несущей конструкции в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами [7].

Базовый (модульный) метод конструирования. В основу метода положен модульный принцип проектирования. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями, схемной конструкторской унификацией структурных уровней (модулей, функциональных узлов, блоков). Базовый метод является основным при проектировании современной РЭА. [7]

В качестве метода конструирования выбираем базовый (модульный) метод конструирования.

Данная схема реализована на одной печатной плате, размеры которой 120x110 мм.

Конструктивно устройство выполняется в корпусе с размерами 130х110х50 мм.

5.2 Требования помехозащищенности на этапе компоновки

При проектировании платы индикатора напряжения сети многофункционального, необходимо учитывать влияние паразитных электромагнитных связей. Учет и анализ этих связей на ранней стадии проектирования позволит в значительной степени снизить затраты на производство всего изделия, сократить сроки проектирования, добиться более устойчивой работы.

Способом решения этой проблемы является исключение с самого начала конструирования схемы разрабатываемого устройства причин, порождающих помехи. При этом необходимо: понять, какие виды помех наиболее вероятны в данной схеме и выбрать и разместить печатные платы, кабели и другие структурные составляющие системы таким образом, чтобы исключить как можно больше причин, вызывающих помехи, и обеспечить при этом возможность подключения подавляющих помехи компонентов.

Помехи бывают двух типов: постоянные и перецеживающиеся. Постоянные помехи имеют один и тот же характер. Поэтому можно легко выявить их причину. Однако могут возникнуть трудности при ее устранении, но если она устранена, то окончательно. Перецеживающие помехи появляются время от времени. Такой характер помех сильно затрудняет выявление их источника.

Проблемы возникновения помех и наводок можно свести к минимуму, изолируя чувствительные части схемы от источника помех, устраняя паразитные индуктивные и емкостные связи. Для этого необходимо:

- располагать маломощные (чувствительные) схемы поблизости от источника сигнала;

- размещать мощные схемы (в которых велика вероятность возникновения помех) вблизи нагрузок;

- располагать маломощные и мощные схемы как можно дальше друг от друга;

- стараться свести к минимуму длину проводников;

- использовать максимально короткие контуры прохождения тока.

По чувствительности к помехам радиоэлектронные схемы относят к пяти группам:

1) чувствительные схемы с высоким импедансом, где высока вероятность возникновения паразитной емкостной связи;

2) чувствительные схемы с низким импедансом, где высока вероятность возникновения индуктивной связи;

3) схемы умеренной чувствительности;

4) высоковольтные схемы;

5) схемы, рассчитанные на высокий ток.

Так как схема устройства включает в себя и аналоговые и цифровые схемы, то ее можно отнести к группе схем умеренной чувствительностью.

6. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА, ГЕРМЕТИЗАЦИИ, ВИБРОЗАЩИТЫ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

6.1 Выбор способа обеспечения теплового режима

Тепловой режим индикатора напряжения сети многофункционального характеризуется совокупностью температур отдельных его точек -- температурным полем. Температурный режим устройства создается как внешним температурным воздействием окружающей среды, так и тепловой энергией, выделяемой радиоэлементами устройства.

Настоящее и будущее аппаратуры связано с использованием достаточно больших мощностей в сравнительно малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеяния, а, следовательно, и плотности рассеиваемой теплоты. Поэтому при конструировании аппаратуры особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля температуры [5].

Передача теплоты от нагретой аппаратуры в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией и излучением.

В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает проблематичным точный расчет температурного поля.

В зависимости от характера и назначения РЭА применяют следующие системы отвода тепла:

- естественное охлаждение (воздушное, жидкостное);

- принудительное воздушное охлаждение;

- принудительное жидкостное (без кипения или с поверхностным кипением);

- охлаждение, основанное на изменении агрегатного состояния вещества;

- термоэлектрическое охлаждение.

Выбор метода охлаждения определяется следующими факторами интенсивностью (плотностью) теплового потока, условиями теплообмена с окружающей средой, условиями эксплуатации (возможностью демонтажа или замены элементов), нормами эксплуатации (уровень шума, токсичностью хладагентов), специальными условиями работы (стационарными или кратковременными режимами, работой против сил тяготения и так далее), затратами электроэнергии на привод нагнетателей и другими.

Основным критерием выбора метода охлаждения является значение плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена. Вторым критерием выбора метода охлаждения является допустимый перегрев элемента, равный разности между допустимой температурой корпуса элемента и температурой окружающей среды.

Анализируя схему электрическую принципиальную, можно сделать предположение о возможности применения естественного воздушного охлаждения ИЭТ. Последующие расчеты призваны или опровергнуть или подтвердить целесообразность такого способа охлаждения.

При естественном охлаждении отвод тепла от ИЭТ происходит за счет теплопроводности, естественной конвекции окружающего газа и излучения.

6.2 Выбор способа обеспечения герметизации

Разрабатываемое устройство будет предназначено для эксплуатации в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других помещениях (с отсутствием воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения, ветра, песка, пыли, наружного воздуха, отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги).

Герметизация РЭА является надежным средством защиты от воздействия от пыли, влажности и вредных веществ окружающей среды.

Длительное воздействие высокой влажности вызывает коррозию металлических конструкций, набухание и гидролиз органических материалов.

Интенсивное нагревание переохлажденной аппаратуры перед приведением ее в рабочее состояние также приводит к конденсации влаги на холодных элементах конструкции.

Выпадение росы (конденсация на холодных поверхностях конструкции) вызывается понижением температуры, которое практически всегда имеет место при отключении и последующем хранении аппаратуры.

Все вышеперечисленные воздействия не благоприятно сказываются на работе аппаратуры.

Защита аппаратуры от воздействия влажности осуществляется соответствующими материалами, покрытиями, применением усиленной вентиляции сухим воздухом, поддерживанием внутри изделий более высокой температуры, чем температура окружающей среды, использованием поглотителей влаги, разработкой герметичной аппаратуры.

Но так как разрабатываемое устройство относится к классу аппаратуры, которая будет эксплуатироваться в закрытых помещениях. Воздействие таких климатических факторов, как высокая влажность, дождь, туман исключается, поэтому применение специальных средств герметизации не предоставляется необходимым. Временное возможное воздействие вышеперечисленных климатических факторов значительно уменьшается или исключается благодаря хорошей упаковке изделия перед транспортировкой.

6.3 Выбор способа обеспечения виброзащиты

Разрабатываемое устройство будет подвергаются воздействию внешних механических нагрузок (вибрации, удары, ускорения, акустические шумы), которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию.

Механические воздействия имеют место в работающей РЭА, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭА. Количество переданной энергии определяет уровень и характер изменения конструкции. Допустимые уровни механического изменения конструкции определяются ее прочностью и устойчивостью к механическим воздействиям [5].

В отношении конструкции РЭА различают два понятия: вибрационная устойчивость и вибрационная прочность.

Вибрационная устойчивость - свойство объекта при заданной вибрации выполнять заданные функции и сохранять значения своих параметров в пределах нормы. Вибрационная прочность - прочность при заданной вибрации и после прекращения ее [5].

Вибрации, направленные ортогонально к плоскости печатной платы, попеременно изгибают ее и влияют на механическую прочность установленных на ней микросхем и компонентов. Если компоненты считать жесткими, то изгибаться будут их выводы. Большинство отказов компонентов происходит из-за поломки паяных соединений выводов с платой. Наиболее жесткие воздействия имеют место в центре платы, а для прямоугольных плат еще и при ориентации тела элемента вдоль короткой стороны платы. Приклеивание компонентов к плате значительно улучшает надежность паяных соединений. Защитное лаковое покрытие толщиной 0,1.. .0,25 мм жестко фиксирует компоненты и увеличивает надежность РЭА [5].

Механические напряжения на паяные соединения от воздействия вибраций можно уменьшить: увеличением резонансных частот, что позволяет уменьшить прогиб платы; увеличением диаметра контактных площадок, что повышает прочность сцепления контактной площадки с платой; подгибом и укладыванием выводов элементов на контактную площадку,
что увеличивает длину и прочность сцепления паяного соединения; уменьшением добротности платы на резонансе ее демпфированием многослойным покрытием лака [5].

Конструктивную целостность аппаратуры и защиту от механических воздействий обеспечивает конструкционный материал, который должен удовлетворять заданными механическими и физическими свойствами, обладать легкостью в обработке, коррозионной стойкостью, низкой стоимостью, иметь максимальное отношение прочности к массе [5].

Исходя из выше сказанного при проектировании платы необходимо использовать контактные площадки больших размеров, объемные элементы крепить с подложкой. Плату покрыть лаком. При транспортировке необходимо использовать тару из гофрированного картона, предварительно упаковав устройство в пакет из пленки с воздушными пузырями.