Файл: Пояснительная записка.docx

Отверстия для выводов тактовой кнопки FSM8JH при Д_выв=0.8 мм:

Д₆ = 0.8 + 0.1 + 0.1 = 1 мм

Отверстия для выводов винтового клеммника DG333K-3.5-03P-12-00A(H):

при Д_выв=1.3 мм:

Д₇ = 1.3 + 0.1 + 0.1 = 1.5 мм

Учитывая все расчеты, из предпочтительного ряда выбираем отверстия с диаметрами: 0.7, 0.8, 1.2, 1, 1.5.

4.3.2 Минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия. Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим, но в связи с ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы.

где Н_рас = 1.5 мм – расчетная толщина платы;

ν = 0.33 – отношение диаметра отверстия к толщине пластины;

Диаметр переходного отверстия равен половине толщине ПП (толщина ПП=1.5 мм), следовательно, диаметр равен 0.75мм рассчитанный диаметр отверстия выбираем из предпочтительного ряда и принимаем равным 0.8 мм.

4.3.3 Расчет диаметров контактных площадок. Максимальный диаметр просверленного отверстия:

, (23)

где Д – допуск сверления,

Д₀ – номинальный диаметр металлизированного отверстия: Д₀₁ = 0.7 мм, Д₀₂ = 0.8 мм, Д₀₃ = 1мм, Д₀₄ = 1.2 мм, Д₀₅ = 1.5 мм.

Д _0max1 = 0.7 + 0.1 + 0.1 = 0.9 мм

Д _0max2 = 0.8 + 0.1 + 0.1 = 1 мм

Д _0max3 = 1+ 0.15 + 0.1 = 1.25 мм

Д _0max4 = 1.2 + 0.15 + 0.1 = 1.45 мм

Д _0max5 = 1.5 + 0.15 + 0.1 = 1.75 мм

Минимальный диаметр контактной площадки для оплавляемого покрытия олово-свинец:

(24)

где b_м – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), мм;

– допуски на расположение отверстий и контактных площадок для ПП ширина которых до 180 мм и 4 класса точности:_отв =0.05 мм, _кп = 0.15 мм мм;

Д_{0 max} – максимальный диаметр просверленного отверстия;

h_Г – толщина гальванической меди, равное 0.05 мм.

Максимальный диаметр контактной площадки:

Д_max= Д_1min+ (0.02 ÷ 0.06)

Д_max1 = 1.28 + 0.02 = 1.3 мм

Д_max2 = 1.58 + 0.02 = 1.6 мм

Д_max3 = 1.83 + 0.02 = 1.85 мм

Д_max4 = 2.03 + 0.02 = 2.05 мм

Д_max5 = 2.33 + 0.02 = 2.35 мм

Из предпочтительного ряда выбираем диаметры равные: 1.3мм; 1.6мм; 1.8 мм; 2мм; 2.4 мм.

Таблица 7 – Результаты расчета диаметров платы

ЭРЭ	Двыв, мм	Д0, мм	Допр, мм	, мм	, мм	мм
1	2	3	4	5	6	9
DD1-DD5	0.5	0.7	0.7	0.9	1.28	1.3
R1-R3, R1,R3, R8-R12,R14-R16, R18,R19,R23	0.6	0.8	0.8	1	1.58	1.6
C1-C4	0.6	0.8
R4,R7,R13,R17	0.6	0.8
HL1-HL42	0.59	0.79
SB1	0.8	1	1	1.25	1.83	1.8
R20-R22	0.95	1.2	1.2	1.45	2.03	2
XT1	1.3	1.5	1.5	1.75	2.33	2.4

4.3.4 Расчет ширины проводников. Минимальная ширина проводника для ДПП:

t_min = t_1min + 1.5hГ + t, (25)

где t_1min – минимальное значение номинальной ширины проводника, равно 0.15 мм для 4 класса точности;

---

t – допуск на ширину проводника, для 4 класса точности равен 0.03 мм.

t_min = 0.15 +1.50.05+0.03 = 0.255 мм

Максимальная ширина проводника для ДПП

t_max = t_min + (0.02÷0.06) = 0.255 + 0.02 = 0.275 ≈ 0.3 мм (26)

4.3.5 Минимальный зазор между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

где L_э^–расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм; ^{LЭ = 1.25;}

^– допуск на расположение проводников, мм;

^{Дmax – максимальный диаметр контактной площадки, мм;}

t_max^– максимальная ширина проводника, мм;

_Р - допуск на расположение контактной площадки, для ДПП шириной менее 180 мм и 4 класса точности 0.03 мм.

^{Полученные отрицательные значения свидетельствуют об отсутствии зазоров между рассматриваемыми элементами. Увеличим расстояние LЭ на шаг координатной сетки:}

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

(28)

^{Для двух близко расположенных отверстий LЭ = 2.5}

S_3min1 = 2.5 – (1.3 + 20.15) = 0.9 мм

S_3min2 = 2.5 – (1.6 + 20.15) = 0.6 мм

S_3min3 = 2.5 – (1.8 + 20.15) = 0.4мм

S_3min4 = 2.5 – (2 + 20.15) = 0.2 мм

S_3min5 = 2.5 – (2.4 + 20.15) = -0.2 мм

^{Увеличим расстояние LЭ на шаг координатной сетки:}

S_3min5 =3.75– (2.4 + 20.15) = 1.05 мм

Таким образом, проведенный расчет элементов проводящего рисунка позволяет выполнить трассировку печатной платы. Трассировка печатной платы выполнена в соответствии с произведенными расчетами. Результаты расчета показывают, что расстояния между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимых.

4.4 Выбор способов обеспечения нормального теплового режима устройства

Тепловой режим блока характеризуется совокупностью температур отдельных его точек. Целью расчета является определение нагретой зоны модуля и среды вблизи поверхности ЭРЭ.

Поэтому при расчете тепловых режимов модулей используют приблизительные методы анализа и расчета.

Конструкцию РЭА заменяем ее физической тепловой моделью, в которой нагретая зона представляется в виде параллелепипеда, имеющего среднеповерхно-стную температуру t_o и рассеиваемую тепловую мощность Р₀. В зависимости от ориентации модулей 1-го уровня различают три группы конструкций по характеру теплообмена в них. На рисунке 26 приведена зависимость между перепадом температур и выделяемой тепловой мощностью для блоков различных конструкций.

Определим условную поверхность нагретой зоны S₃, м² для воздушного охлаждения:

S₃= (29)

где А,В,Н - геометрические размеры блока (А=0.14 м; В=0.15 м; Н=0.085 м);

- коэффициент заполнения объема ( = 0.432).

Тогда получим:

S₃ = = 0.081 м²

Определим удельную мощность нагретой зоны q₃ Вт/м, как количество теплоты, рассеиваемое с единицы площади:

где Q - мощность, рассеиваемая блоком, Вт, вычисляемая по формуле:

Q = I_max ∙U, (31)

---

где I_max - максимальный потребляемый ток для цепи питания с напряжением питания U =12 В; I_max = 10А.

Тогда получим:

Q= 12 ∙ 10 = 120 Вт

Рисунок 21 – Диаграмма выбора необходимого способа охлаждения прибора

На рисунке 21 цифрами обозначены следующие зоны:

1, 2, 3 - для вертикального расположения блоков;

1’, 2', 3' - для горизонтального расположения блоков;

1-1’ - без вентиляции;

2-2' - естественная вентиляция;

3-3' - принудительная вентиляция.

- перепад температур, °С;

Q - удельная рассеиваемая мощность, Вт/м .

Температура зоны не должна достигать максимального значения рабочей

температуры элементов (п.3.3). Если устройство работает в неперегруженном режиме, тогда температура зоны должна быть меньше или равна Т₃ = 70°С. Нормальная температура окружающей среды, при которой функционирует устройство, равна Т_С = 20°С. Тогда перепад температур будет определяться по формуле:

(32)

Способ вентиляции разрабатываемого устройства можно определить по графику тепловой нагрузки блоков различной конструкции (рисунок 21). Учитывая, что в проектируемом устройстве модуль расположен горизонтально, получим, что прибор относится к зоне 3, следовательно, устройство не нуждается в вентиляции. По результатам расчета делаем вывод, что разрабатываемая конструкция регулятора-стабилизатора частоты вращения коллекторного двигателя обеспечивает нормальный тепловой режим работы без обеспечения принудительной вентиляции.

5 РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ

Постоянное усложнение схем необходимость обеспечения их бесперебойной работы – основная причина повышения внимания к проблеме надежности приборов и средств автоматизации. Развитие техники требует постоянного повышения надежности и долговечности изделий. Обеспечение необходимого уровня надежности изделия задается при его разработке и повышается путем развития научных основ проектирования, особенно на базе теории оптимизации и совершенствования методов изготовления и эксплуатации.

Надежность - свойство объекта выполнять требуемые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в течение заданного периода времени. Надежность представляет собой комплексное свойство, сочетающее в себе понятие работоспособности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохранности.

Работоспособность - представляет собой состояние объекта, при котором он способен выполнять свои функции.

Безотказность - свойство объекта сохранять свою работоспособность в течение определенного времени. Событие, нарушающее работоспособность объектов, называется отказом. Самоустраняющийся отказ называется сбоем.

Долговечность - свойство объекта сохранять свою работоспособность до предельного состояния, когда его эксплуатация становится невозможной по техническим, экономическим причинам, условиям техники безопасности или необходимости капитального ремонта.

---

Ремонтопригодность - определяет приспособляемость объекта к предупреждению и обнаружению неисправностей и отказов и устранению их путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость - свойство объекта непрерывно поддерживать свою работоспособность в течение и после хранения и технического обслуживания.

Основными качественными показателями надежности является вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.

Вероятность безотказной работы P(t) представляет собой вероятность того,

что в пределах указанного периода времени t, отказ объекта не возникнет. Этот показатель определяется отношением числа элементов объекта, безотказно проработавших до момента времени t к общему числу элементов объекта, работоспособных в начальный момент.

где  – интенсивность отказов;

е – основание натуральных логарифмов;

t – время безотказной работы изделия.

Отказ и безотказная работа являются событиями несовместимыми и противоположными, поэтому:

Средняя наработка до первого отказа связана с интенсивностью отказов следующим соотношением:

Окончательный расчет позволяет определить количественные характеристики надежности изделия с учетом всех воздействующих факторов.

Для упрощения расчета принимаются два допущения:

- в схеме используется основное соединение элементов, т. е. oтказ изделия наступает тогда, когда откажет хотя бы один элемент;

- отказы носят случайный и независимый характер.

В этом случае интенсивность отказов может быть определена по формуле:

где k_l - поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации;

a_i- поправочный коэффициент, учитывающий режим работы элемента и температуру внутри блока;

l_oi- интенсивность отказа элемента, работающего в номинальном режиме при нормальных условиях эксплуатации, приводится в соответствующих справочниках;

n_i - количество однотипных элементов, работающих в одинаковых режи-

мах при одинаковых температурах.

При расчете надежности целесообразно придерживаться определенного порядка. Элементы сложных систем неравноценны с точки зрения надежности, поэтому, приступая к расчету, необходимо четко сформулировать понятие отказа. При расчете надежности учитываются лишь те элементы, отказ которых приводит к отказу всей системы. При составлении схемы расчета необходимо стремиться к тому, чтобы ее элементами были конструктивно оформленные блоки.

Если отдельные части системы или элементы, входящие в блоки, работают неодновременно, их целесообразно объединять в группы по времени их работы и образовывать из данных групп соответствующие элементы расчета. При этом считается, что интенсивность отказов выключенных элементов равна нулю, а старение элементов в указанном режиме отсутствует./16/

---

A-измерительный блок, B-регулирующий блок, C-нагрузочный блок

Рисунок 22 – Логическая схема устройства тестирования блока питания

В таблице 8 приведена интенсивность отказов (t) некоторых элементов.

Таблица 8 – Интенсивность отказов (t)

наименоване и тип элемента	Кол-во n, шт.	Интенсив-ность отказов номин. lo i 10 6 1/ч	Режим работы		Поправочный коэфф. a i	Интенсивность отказов действительная
			Kн	темп, о С		a i l o i 106 1/ч		ai loini106 1/ч
1	2	3	4	5	6	7		8
Резисторы	15	0.05	0.4	30	1.050	0.053		0.788
Переменные резиторы	7	0.3	0.5	30	0.140	0.042		0.294
транзисторы полевые	4	0.02	0.8	100	0.513	0.0102		0.041
транзистор биполярный	1	0.15	0.6	60	1.000	0.15		0.15
Конденсаторы	4	0.24	0.4	30	0.400	0.096		0.384
1	2	3	4	5	6	7		8
Микросхемы	5	0.05	0.6	30	0.747	0.037		0.187
Светодиоды	40	1.8	0.3	30	0.460	0.828		33.12
Кнопка	1	0.01	-	30	0.030	0.0003		0.0003
Пайка	183	0.004	1	40	1	0.732		0.732
Итого							35.7

Так как устройство разработано, в основном, для лаборатории, то поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации будет равен К_λ= 1.

Исходя из формулы 36 интенсивность отказов всего устройства будет равна:

 = 1.0∙35.7∙10^-6 = 35.7∙10^-6

При λ меньше 0.1 вероятность безотказной работы с достаточной степенью точности может быть рассчитана по формуле:

Р(t) = 1-∙t

Зная величину интенсивности отказов, возможно определить время безотказной работы устройства:

Таким образом, время наработки на отказ данного устройства составляет 28011.2 часов.

Для построения графика зависимости вероятности безотказной работы от времени рассчитывается значение вероятности безотказной работы по формуле 33.

Результаты расчетов занесены в таблицу 9.

Таблица 9 – Вероятность безотказной работы P(t)

t,ч	0	1∙103	5∙103	10∙103	15∙103	20∙103	30∙103	40∙103	50∙103	60∙103
-λ·t	0	0.0357	0.1785	0.357	0.5355	0.714	1.071	1.428	1.785	2.142
P(t)	1	0.9651	0.8869	0.7405	0.6043	0.4781	0.3437	0.2408	0.1687	0.0581

По результатам расчета построим график P(t), причем, вероятность безотказной работы откладывается в линейном масштабе, а время - в логарифмическом. 

Таким образом, вероятность безотказной работы стенда за 28011.2 часов составляет:

---