Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Факультет Электронных аппаратов

Кафедра Биомедицинских электронных приборов и систем

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

ГЮИК.943143.001ПЗ

(обозначение документа)

Аппарат электростимуляции мышц

Синтез структурной схемы. Разработка блока

(тема проекта)

Харьков

2009

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Параметры объекта электростимуляции

1.2 Анализ требований ТЗ

1.3 Синтез структурной схемы аппарата. Анализ схемы электрической

принципиальной

1.4 Расчет параметров генератора

2. РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ С ПЕЧАТНЫМ МОНТАЖОМ

2.1 Конструкторско-технологический анализ элементной базы

2.2 Определение габаритов и массы модуля

2.3 Выбор материала и способа изготовления платы

2.4 Выбор шага координатной сетки

2.5 Размещение ЭРЭ на печатной плате блока и способы их крепления

2.6 Трассировка печатных проводников

Заключение

Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

В практике современного здравоохранения широко используются медицинские системы электростимуляции органов и тканей. Технические устройства генерируют различные электрические токи, которые, взаимодействуя с функциональными системами организма, оказывают на них лечебное воздействие или дают информацию, используемую в диагностике.

Электростимуляторы применяется с целью предупреждения мышечной атрофии, для увеличения силы мышечных сокращений при дистрофии, для временного поддержания функционального состояния денервированных мышц. Простейшая методика электростимуляции заключается в подведении электрических стимулов к паре электродов, расположенных накожно в проекции мотонейронов, мышечных волокон или в двигательных точках.

1 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Параметры объекта электростимуляции

Характерной особенностью скелетной мышцы, как и всякой живой ткани, является ее возбудимость, проявляющаяся в способности к специфической реакции - сокращению в ответ на раздражение. Мышцы состоят из пучков мышечных волокон. Число мышечных волокон у человека достигает 270млн.

Обычно мышечные волокна сокращаются тогда, когда к ним приходит сигнал от нервной системы, а именно от альфа-мотонейронов спинного мозга, мотонейрон и его аксон с ответвлениями и иннервируемыми мышечными волокнами называется нейромоторной как тоническими, так и физическими мотонейронами. Тонические мотонейроны связаны с мышечными волокнами, которые сокращаются медленнее, а физические - с волокнами, укорочение которых наступает быстрее. Иными словами, быстрые волокна образуют двигательные элементы (ДЕ), которые дают титаническое сокращение при более высокой частоте следования импульсов, чем тонические, и развивают большее напряжение. При одной и той же частоте следования электрических сигналов быстрые волокна скорее утомляются. Тонические ДЕ выполняют длительную, не слишком интенсивную работу, а физические функционируют кратковременно, но развивают большую мощность. Имеется относительно небольшое число ДЕ с промежуточными свойствами.

Единственная мышца, в которой наблюдались не только с линейной зависимостью частоты от напряжения, - это круговая мышца глаза. Насыщение наступает при разных частотах: в мышцах лица частота насыщения наиболее высокая, в мышцах руки - средняя, а в мышцах ноги - самая низкая. Максимальная частота импульсации ДЕ с линейной зависимостью имеет соответствующие различия. Наибольший процент тонических ДЕ имеют мышцы ноги, меньший - мышцы руки, наименьший - мышцы головы. В общем ДЕ мышцы лица отличаются большей частотой импульсации по сравнению о мышцами руки и ноги.

При электростимуляции следует учитывать, что наиболее чувствительны к раздражению двигательные нервные терминалы. При разработке аппаратов для электростимуляции скелетной мускулатуры, так же как и для стимуляции других тканей и органов, необходимо знать особенности процессов, протекающих в зоне стимуляционного воздействия, в том числе процессов, связанных с изменением междуэлектродного сопротивления. Последнее, как правило, зависит от множества факторов, рассмотрение которых здесь предоставляется нам полезным.

Сопротивление кожи и подкожных тканей существенно различаются. Участки мышечной ткани, находящейся под биполярными электродами, условно можно считать гомогенными, однако различные органы и части тела нельзя характеризовать одинаковыми значениями удельного сопротивления, так как между далеко расположенными электродами оказываются разнородные ткани и органы. Это важно учитывать при разработке методов электростимуляции, так как целесообразно биполярное наложение пары электродов одного канала электростимулятора на стимулируемую мышцу и нежелательно (даже недопустимо) их разнесение на разные группы мышц и тем более на одноименные мышцы с противоположных сторон тела.

Сопротивление междуэлектродной цепи зависит от силы тока. Эта зависимость сходна с соответствующей зависимостью в электролите: чем меньше плотность тока, тем больше сопротивление цепи. Например, было установлено, что при частоте синусоидального тока 12кГц, площади электродов 1 см², междуэлектродном расстоянии 2см и силе тока 50мкА сопротивление кожи составляло 312 ± 14Ом, а при силе тока 100мкА- 283±11 Ом (исследовано 28 здоровых мужчин[9]).

Полное сопротивление Z кожи и лежащих под нею тканей состоит из активного R и реактивного (емкостного) Хс сопротивлений, которые зависят от емкости С. R - это омическое сопротивление кожи и электролитов подкожных тканей, С - сумма емкости клеток ткани и поляризационной емкости, образующейся на границе тканей с различными удельными сопротивлениями. Поэтому при изменении частоты пропускаемого синусоидального тока электрические характеристики исследуемого участка тела человека изменяются. Разность электрических параметров жидких и клеточных фаз организма максимальна на частотах порядка сотен герц [5].

На низких частотах энергия стимулирующих сигналов в основном приходится на кожу, где расположено много различных рецепторов, при раздражении которых у человека появляется ощущения дискомфорта. При повышении частоты увеличивается емкостная проводимость (соответственно изменяется сдвиг фаз), за счет чего уменьшается падение напряжения на роговом слое кожи и вое большая часть энергии приходится на внутренние ткани. Участки поверхности кожи с толстым роговым слоем обладают в норме наибольшим активным сопротивлением и наименьшей емкостью. Опубликованы данные[9] о результатах измерения у 104 здоровых лиц обоего пола полного сопротивления и фазового угла. Электродами служили два диска из нержавеющей стали диаметром 2см, расстояние между их центрами составляло 4см. Полное сопротивление в полосе частот от 1 до 20кГц снижалось в среднем от 6487 до 507 Ом, составляя (1880 ± 468) Ом при частоте 4кГц. Фазовый угол при этом уменьшался от 75 до 57° и составлял 73.5±3.6°. Удаление порового слоя кожи снижало полное сопротивление при частоте 4кГц до 304±54Ом и фазовый угол до 10±1.8°.

Чем больше площадь электродов, тем меньше полное сопротивление кожи и подкожных тканей, так как проводимость растет при увеличении площади поперечного сечения проводника. Для измерений целесообразно применять жидкостные электроды, у которых площадью является поверхность кожи со всеми ее углублениями и выступами, с которыми соприкасается жидкость, налитая в плотно прижатую к коже трубку из диэлектрика. Электрический ток подводится к коже через электролит, в который на определенную глубину опущен дисковый электрод, не соприкасающийся с поверхностью кожи. Проводимость кожи при изменении давления на стенки жидкостного электрода стабильна, а у сухого электрода даже небольшие колебания давления вызывают изменения проводимости. Проводимость зависит от расстояния между электродами, наложенными на биологическую ткань. При замыкании электродов, например, посредством влаги пота ток течет преимущественно между электродами над роговым слоем, хотя сопротивление кожи играет роль шунта. Это учитывалось нами при разработке метода управляемой многоканальной электростимуляции. С целью уменьшения электрического сопротивления кожа перед электростимуляцией обрабатывается нетоксичным веществом, растворяющим жир. При обработке кожи спиртом иди пастой, состоящей из мелкой пемзы и мыльного крема, оказалось, что при силе постоянного тока 5мкА ее сопротивление в первом случае составляло 450, а во втором 10Ом. Спирт для обработки кожи не пригоден, так как наряду с обезжириванием он удаляет влагу из эпидермиса и особенно из протоков потовых желез, в результате чего появляются амплитудные и частотные искажения сигналов. Установлено, что обрабатывать кожу с целью увеличения ее проводимости рационально эфиром с последующим применением токопроводящих паст или растворов. Оказалось, что наряду с 0.85% водным раствором хлористого натра для смачивания электродных прокладок эффективно также применение однопроцентного раствора ацетилхолинхлорида, 0.02% раствора витамина В-12 (оба препарата разводились бидистиллированной водой). Показано [2], что 5-10% раствор хлористого натра обеспечивал наибольшую электропроводность, которая устанавливалась спустя 5-8 мин после наложения электродов. В течение этого времени происходило пропитывание рогового слоя солевым раствором.

Использование электропроводящих растворов или серийно выпускаемых электродных паст все же не обеспечивает стабильного переходного сопротивления в течение длительного времени. Перспективно применение так называемой эпидактивной системы, состоящей из микрочастиц электропроводящего материала, приклеиваемого к коже. Этот материал может быть соединен с электростимулирующим устройством при помощи различных проводников, например ленточных электродов. Такие пленки могут иметь разные размеры и формы. Идеальная пленка, покрывающая кожу или слизистую оболочку, должна иметь следующие характеристики: не содержать растворителей; быть электропроводящей с небольшим сопротивлением; быть пластичной, несмещаемой, с равномерно распределенной концентрацией электропроводящих частиц; сухая пленка должна "дышать", чтобы обеспечить удаление пота. "Недышащая" гидрофобная пленка в течение 3-5 дней утрачивает способность приклеиваться, в связи, с чем энергия, необходимая для электростимуляции увеличивается; пленка должна отделяться при помощи мыла и воды или слабого растворителя (этилового спирта или ацетона). С целью повышения надежности и длительного сохранения стабильного переходного сопротивления было разработано специальное вещество для электродов биологической цепи, содержащее порошкообразный графит с добавлением веретенного масла - контактол.

Оптимальной накожной электродной системой является такая система, которая минимизирует изменения полного сопротивления во время движения, хорошо прилегает к поверхности тела, обеспечивая одинаково полное сопротивление по всей поверхности электрода, причем не имеется точек жжения.

Термическое повреждение кожи широко варьируется в зависимости от ее полного сопротивления, значения которого зависит от способа обработки, а также от площади поверхности электрода, контактирующей с кожей.

Плоские накожные электроды имеют большую собственную поверхность, но площадь контактной поверхности между электродом и кожей зависит от давления, с которым электрод прижимается к коже. подпружиненные электроды обеспечивают устойчивый контакт с учетом рельефа тканей, деформаций кожи и прочих факторов. В качестве материала для пластинчатых электродов может быть использован электропроводящий полимер марки 52-361 (вторкаучук СКФ-26, налолненый ацетиленовой сажей). Этот полимер практически не гигроскопичен, при стерилизации кипячением и в 70% спирте сохраняет свои свойства. Для круглых электродов пригоден материал, состоящий из графита с добавлением смолы. Удельное объемное сопротивление графитиэированной ткани составляет 0.2Ом/см, полимера 32-361 5Ом/см, материала на графитовой основе - 2Ом/см. Однако недостатком графитовых электродов является их низкая устойчивость к электрохимическим реакциям, особенно в режимах электролиза[5]. Помимо электродов на графитовой основе перспективно применение электродов из полимеров, в которых в качестве наполнителя использованы коллоидная платина, золото, никель, титан и его сплавы, а также другие химически инертные металлы, компаунды, содержащие электропроводящие сажи и синтетические смолы.

Электрическое сопротивление постепенно снижается, особенно в течение первых тридцати минут после наложения электродов на кожу человека. Это надо учитывать при электростимуляции; например, если в начале процедуры напряжение стимулирующего сигнала было установлено в режиме пороговой стимуляции, то в конце ее могут появиться сверхпороговые сокращения мышцы при том же уровне сигнала. Однако при использовании для электростимуляции синусоидального тока низ-кой частоты (20Гц) в течение 60 минут наблюдаются лишь медленные флуктуации полного сопротивления. В целом полное сопротивление является функцией частоты и плотности тока, в связи, с чем целесообразно проводить оптимизацию - минимизировать мощность, поглощаемую участком электродом-кожа. При наличии основной и гармонической составляющих сигнала большая часть энергии должна поступать к нервно-мышечному аппарату.

Имеются топографические различия в электрическом сопротивлении кожи и подкожных тканей: на голове оно меньше, чем на предплечье; на конечностях больше, чем на туловище.

Электрическое сопротивление кожи и подкожных тканей человека зависят от температуры окружающего воздуха. С ее понижением кровеносные сосуды кожи сужаются, что приводит к увеличению сопротивления тканей. Например, при резком понижении температуры окружающего воздуха и кожи испытуемого, даже после обработки кожи специальной пастой, сопротивление увеличилось при приложении постоянного тока от 10 до 100кОм. Установлено, что при изменении температуры кожи на 20°С ее проводимость (по переменному току) изменяется нелинейно на 52%. Во избежание этих изменений были разработаны электроды с автоматической регулировкой подогрева в пределах 38-43°С, что позволило существенно уменьшить полное сопротивление кожи под электродами и тем самым снизить мощность сигналов при электростимуляции нервно-мышечного аппарата и проводить процедуру при практически стабильном системы электроды - кожа - подкожные ткани.

На проводимость живой ткани влияют воздействия на органы чувств, различные формы физической и психической деятельности (например, испуг и др.). Измерения проводимости кожи в диапазоне частот О-100Гц применяется для регистрации кожно-гальванического рефлекса.

При сокращении мышцы ее полное сопротивление возрастает, при расслаблении уменьшается. Осциллограмма этих изменений отражает механические явления в мышце во время ее работы. Проводимость миоплазмы зависит от концентрации свободных ионов внутри мышечного волокна. В соответствие с этим удельное сопротивление растворов внутри и снаружи должно различаться в 1.3 раза. Действительно снаружи раствор имеет сопротивление 98Ом/см, однако сопротивление миоплазмы составляет не 128Ом/см, как это следовало бы ожидать, а 158Ом/см. Это обусловлено тем, что часть ионов связана с белками и иными компонентами миоплазмы.Изложенное выше, указывает на наличие нелинейных изменений электрических характеристик кожи и подкожных тканей, в зависимости от различных условий. Полное сопротивление различно у людей; оно зависит от топографической области исследуемого участка тела. Изменения проводимости можно использовать как объективный показатель реакции нервно-мы-шечного аппарата на электростимуляционные воздействия

1.2 Анализ требований ТЗ

Разрабатываемый нейростимулятор предназначен для разогрева мышц, усиления кровотока широким кругом потребителей в жилых и производственных помещениях в условиях умеренно-холодного климата. Питается прибор с помощью источника питания от сети переменного тока напряжением 220В 22В и частотой 50Гц0,5Гц. Габаритные размеры модуля радиоприемника, в соответствии с ТЗ, требуется обеспечить минимальные. Климатическое исполнение - УХЛ 4.1,согласно ГОСТ 15150-69. Это означает, что модуль нейростимулятора должен сохранять свою работоспособность при следующих параметрах:

-максимальная рабочая температура.................. 25С;

-минимальная рабочая температура................. +10С;

- средняя рабочая температура....................+20С;

-предельная максимальная температура............. + 40С;

-предельная минимальная температура.............. + 1С;

-верхнее значение относительной влажности (при +25С).. 80%;

-нижнее рабочее значение давления... 86.6 кПа (650мм.рт.ст);

-верхнее рабочее значение давления. 106.7 кПа (800 мм. рт. ст.);

-нижнее предельное рабочее давление.. 84 кПа (630 мм. рт. ст.).

Защита от механических воздействий выполняется по ГОСТ 16019 -78 группа II. Эта группа включает в себя:

прочность при воздействии синусоидальных вибраций с частотой 20Гц и длительностью не менее 0,5 часа при амплитуде виброускорения 19,6м/с²;

воздействие механических ударов длительностью от 5 до 10 мс с частотой 40.. 80 ударов в минуту с амплитудой ударного импульса 14715 м/с² при количестве ударов более 60;

прочность при транспортировке(в упакованном виде):

длительность ударного импульса……….5мс;

ускорение пиковое…………………………15g;

число ударов, не менее……………….…1000;

виброустойчивость:

ускорение……………………………………..2g;

частота……………………………………150Гц;

ударная устойчивость:

ускорение …………………………….……..10g;

длительность ударного импульса……..16мс;

число ударов, не менее……………………20.

При эксплуатации все виды РЭС подвергаются в большей или меньшей степени воздействию внешних механических нагрузок, которые могут стать причиной ухудшения параметров РЭС или же выхода из строя. Тем более что механические воздействия имеют место в случаях эксплуатации переносной аппаратуры, при транспортировке в неработающем состоянии, а также при случайных ударах.

По техники безопасности прибор должен соответствовать условиям ГОСТ12.2.006-87: прибор должен быть сконструирован и изготовлен таким образом, чтобы при нормальной эксплуатации, а также в условиях возникновения неисправностей для потребителя не создавалась опасность даже в случае небрежного обращения с прибором. При этом должна быть обеспечена защита от поражения электрическим током.

Наработка на отказ не менее 10000 часов.

1.3 Синтез структурной схемы аппарата. Анализ схемы электрической принципиальной

Прибор предназначен для проведения лечебных воздействий прямоугольными, а также синусоидальными модулированными токами. Прибор позволяет изменять частоту, длительность и амплитуду стимулирующих импульсов. В приборе предусмотрена возможность регулирования задержки между стимулирующими импульсами при подаче на разные электроды. Прибор обладает четырьмя накалами для стимулирования.

Аппарат состоит из следующих функциональных блоков: генератора прямоугольных импульсов(ГПИ), генератора синусоидальных колебаний(ГСК), генератора высокочастотных колебаний (ГВЧ), модулятора(М), детектора(Д), ждущего мультивибратора (ЖМ), усилителя(У), схемы управления электродами (СУ). Функциональная схема устройства приведена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Структурная схема аппарата

Генератор прямоугольных импульсов. Генератор импульсов, реализованный на микросхеме DD1, на выходе выдает импульсы периодом от 1 секунды до 70 секунд. Схема электрическая принципиальная указана в приложении ГЮИК 541514.001 Э3.Период импульсов устанавливается резистором R2. Импульсы первого генератора запускают второй генератор, реализованный на элементах DD2.1, DD2.2. Период этих импульсов устанавливается резистором R4. Таким образом, длительность импульсов первого генератора заполняется импульсами второго генератора. Пауза между пачками импульсов равна половине периода первого генератора. Индикацию прохождения пачек импульсов осуществляет светодиод HL1, который крепится на крышке корпуса. Светодиод может быть любого типа с соответствующей заменой гасящего резистора R6.

Генератор синусоидальных колебаний. Генератор собран на основе интегральной микросхемы операционного усилителя DA3 с использованием резонансной RC-цепочки. В качестве резонансной цепочки используется мост Вина R13R17C4C5, который включен в положительную обратную связь автогенератора. Для устойчивой работы генератора необходимо условие выполнения баланса амплитуд. Баланс амплитуд обеспечивается за счет цепи отрицательной обратной связи, состоящей из резисторов R14 и R15. В режиме установившейся амплитуды коэффициент усиления напряжения, поданного на неинвертирующий вход. В качестве резистора R14 примем терморезистор, сопротивление которого увеличивается по мере нагрева терморезистора током, протекающим через него, глубина отрицательной ОС увеличивается. Такая инерционная отрицательная ОС позволяет стабилизировать амплитуду выходного напряжения и практически не искажает формы колебаний генератора.

Генератор высокой частоты. Генератор предназначен для получения высокочастотных синусоидальных колебаний. Он собран на операционном усилителе DA2 по описанной выше схеме. Другой диапазон частот задан с помощью конденсаторов С3 и С4. При условии С3=С4=С и R10=R12 =R, Перестройку частоты можно выполнять путем одновременного изменения сопротивления резисторов R12 и R10. Для корректировки и балансировки операционного усилителя используется резистор R11.МодуляторДля получения синусоидально-модулированного напряжения служит модулятор, собранный по схеме двойной коллекторной модуляции с постоянным возбуждением. Модулятор состоит из двух каскадов. На транзисторе VT2 собран усилитель низкой частоты, а на транзисторе VT1 - собственно модулятор.На базу транзистора усилителя низкой частоты через корректирующую цепь C7R23 поступает напряжение с генератора низкой частоты. Коллекторной нагрузкой транзистор VT2 является резистор R26. Этот резистор включен также последовательно в коллекторную цепь транзистора VT1 модулятора, на базу которого подается высокочастотный сигнал. Вследствие присоединения коллекторной цепи транзистора VT1 и резистора R26 генератора низкой частоты питание модулятора осуществляется напряжением, изменяющемся по закону низкой частоты. В колебательном контуре модулятора, состоящего из катушки индуктивности L1 и конденсатора С9, возникают синусоидально-модулированные колебания.За счет цепочки смещения, состоящей из резистора R29 и конденсатора С10, в эммиторе транзистора VT1 в такт с модулирующим сигналом автоматически изменяется напряжение смещения. Это приводит к углублению основной модуляции на коллектор. Для изучения формы кривой модулированного сигнала в режиме перемодуляции служат диоды VD2 и VD3. Режим перемодуляции, а также коэффициент модуляции задается с помощью резисторов R21 и R19.ДетекторПредназначен для выделения полуволны из модулированного синусоидального колебания. Отрицательная полуволна необходима для запуска мультивибратора.Детектор представляет собой однопериодную амплитудную схему, собранную на диодах VD6 и VD5. Для улучшения линейности работы детектора включен резистор R34, сопротивление которого значительно больше прямого сопротивления диода VD5. Диод VD6 и резистор R33 включены для того, чтобы в оба полупериода нагрузка резистора R32 была одинаковой, при этом R33=R34. Это предохраняет от появления дополнительной составляющей на разделительном конденсаторе СИ.Ждущий мультивибраторПредназначен для формирования импульса задержки. Собранна операционном усилителе DA4. В исходном состоянии, когда ubx=О, напряжение на выходе ждущего мультивибратора равно максимальному положительному напряжению и схема ждущего мультивибратора находится в устойчивом состоянии. При поступлении на вход схемы импульса отрицательной полярности (форма которого близка к прямоугольной), схема скачком переходит в квазиустойчивое состояние при котором напряжение на выходе имеет отрицательную полярность. Конденсатор С4 заряжается по экспоненте до напряжения питания. По истечению времени заряда, схема переключается в устойчивое состояние при котором на выходе схемы появляется уровень положительного напряжения.Изменяя время заряда можно регулировать длительность выходного импульса. Длительность импульса регулируется резистором R50. Дифференцирующая цепь C13R35 и диод VD7 предназначены для формирования крупного фронта запускающего импульса и исключения влияния источника входного сигнала на работу ждущего мультивибратора.УсилительПредназначен для усиления стимулирующего импульса до величины порога раздражения мышцы. Усилитель собран по двухкаскадной схеме. Первый каскад выполнен на операционном усилителе DA5, второй на транзисторах VT3 - VT6. Для получения максимально возможного размаха усиливаемого сигнала применено так называемое "плавающее" питание операционного усилителя, что обеспечивается за счет подачи в цепь питания части выходного сигнала через резистор R44. В основу выходного каскада положена схема "параллельного" усиления, которая позволяет работать на частотах до 100кГц с минимальными искажениями формы выходного сигнала и при этом позволяет иметь на выходе высокий уровень усиленного напряжения. Широкая полоса усиления позволяет без искажений усиливать прямоугольные и синусоидально-модулированные импульсы. Цепочка С8 R49 предназначена для высокочастотной коррекции усилителя. Уровень стимулирующего сигнала регулируется резистором R51.

Питание осуществляется от сети 220В через блок питания.

1.4 Расчет параметров генератора

Амплитудно-модулированное колебание имеет вид:

i = I_m (1- m*cos )*t, (1.1)

где I_m - амплитуда тока;

m - коэффициент модуляции;

и - угловые частоты несущей и модулирующей.

Приведём формы напряжений нейростимулятора:

t_п

U_г1,в

t,с

Рисунок 1.2 - Импульсы первого генератора

U_г2,в

t,с

_и

Т_и

Рисунок 1.3 - Импульсы второго генератора

Отсюда частота следования импульсов (частота несущей) рассчитывается по формуле:

f = ; (1.2)

f =

Частоту генератора импульсов рассчитаем по формуле:

f_г = ; (1.3)

f_г =

t,с

2. РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ С ПЕЧАТНЫМ МОНТАЖЕМ

2.1 Конструкторско-технологический анализ элементной базы

Анализ элементной базы состоит в том, чтобы установить, соответствует ли она заданным условиям эксплуатации. Для установления соответствия элементной базы, используемой в конструкции модуля, заданным условиям эксплуатации необходимо провести сравнительный анализ ЭРЭ на температурную и механическую совместимость с условиями среды эксплуатации и хранения, а также провести конструкторско-технологический анализ элементной базы, с целью определения ЭРЭ, пригодных к автоматической подготовке и установке на печатное основание.

В таблице 2.1 приведены эксплуатационные характеристики элементов, применяемых в модуле [1].

Рассчитаем среднюю наработку на отказ по формуле:

, (2.1)

где Т_с ? наработка, ч;

?_i?? интенсивность отказов, 1/ч;

n_i ? количество элементов данного типа;

K_Нi ? коэффициент нагрузки для заданных условий эксплуатации(K_{Нi =} 1).

Подставив данные из таблицы 2.1 в формулу 2.1, получим:

Наработка на отказ для конструкции приближенно равна 78678 часов. Сделанная выше оценка средней наработки на отказ является приближенной в силу неучета реального режима работы прибора, условий эксплуатации и механических воздействий.

Таблица 2.1 - Эксплуатационные характеристики ЭРЭ

Тип ЭРЭ	Кол-во элементов данного типа	Допустимые значения	Интенсивность отказов, ла*10-6 ч-1
		Температура окружающей среды, °С	Относительная влажность, %	Механические воздействия
				Вибрации	Удары	Ускорения
				Диапазон частот, Гц	Амплитуда вибрац. ускорения, м/с2	Длительность удара, мс	Амплитуда ударного импульса, м/с	Длительность, с	Максим. значение амплитуды ускорения, м/с2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Конденсаторы К53-07 К73-9	1 1	-60… +125	98	1… 1000		12				0.2 0.02
Микросхемы К176ИЕ5 К561ЛА7	1 1	-25… +70	98	1… 2000	40	0.1-2	1550	1..3	500	0.35 0.45
Резисторы С2-23 СП5-3	6 2	-60… +70	98	1… 5000	20	15 13	75	1	100	0.02 0.6
Светодиод АЛ307Б	1	-60… +70	98	1… 22000	40	3…5	1500	2	2000	0.5

2.2 Определение габаритов и массы модуля

В современном РЭС ячейки выполняются в виде печатной платы с установленными на ней элементами. Размеры такой платы могут быть определены методом аналитической компоновки. Необходимую для размещения ЭРЭ на плате площадь рассчитаем по формуле:

, (2.2)

где Siэ -? установочная площадь i-го элемента, мм²;

Кs -? коэффициент заполнения площади платы (равен 0.4...0.6 для элементной базы 3-го поколения, 0.45...0.75 - для элементной базы 3-го и 4-го поколений);

N -? число компонуемых элементов.

Расчет по определению габаритных размеров и массы модуля будем производить пользуясь таблицей 2.2.

Таблица 2.1 - Установочные характеристики ЭРЭ

Типы элементов	Число элементов данного типа	Установочная площадь одного элемента, мм2	Установочная площадь всех элементов, мм2	Масса одного элемента, г	Масса всех элементов, г
Конденсаторы К53-07 К73-9	1 1	165 200	165 200	3 5	3 5
Микросхемы К176ИЕ5 К561ЛА7	1 1	42 128	42 128	4 6	4 6
Резисторы С2-23 СП5-3	6 2	40 225	240 500	0.15 0.2	0.9 0.4

Согласно данным таблицы 2.2 определим площадь печатной платы блока по формуле (2.2) при условии применения элементной базы 3-ого поколения:

 мм²

По значению рассчитанной площади, а также с учетом запаса на трассировку и технологические зоны, выбираем длины сторон платы 50х70мм (площадь платы Sп=3500 мм²).

Масса узла блока определяется по следующей формуле:

(2.3)

где m_{iэ -} ? масса всех ЭРЭ установленных на плате, г;

m_n -? масса платы, г.

В нашем случае, масса платы с учетом массы припоя и флюса (30 г) равна:

г.

2.3 Выбор материала и способа изготовления платы

К материалам печатных плат предъявляются требования, касающиеся величины диэлектрических потерь, влагостойкости, устойчивости к травильным растворам, электрической и механической прочности и др.

Учитывая условия эксплуатации по ГОСТ 15150-69 УХЛ4.1 и конструктивные параметры узлов, выбираем материал печатной платы, при этом принимаем во внимание ГОСТ 23751-86 и практические рекомендации изложенные в [3]. Для проектируемой печатной платы выбираем стеклотекстолит СФ-1-35-1,5 ГОСТ 10316-78.

Параметры стеклотекстолита приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Параметры стеклотекстолита марки СФ-1-35-1,5 (ГОСТ 10316-78)

Толщина фольги, мкм	Толщина материала, мм	Прочность сцепления, гс/мм3	Диапазон рабочих температур, °С	Плотность без фольги, г/см3	Относительная диэлектрическая проницаемость	Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц	Объемное удельное сопротивление, Ом х см	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м х К)
35	1.5	360	-60…. ….+120	1.6..1.8	7.5...8	0,04	1012...1014	0.25...0.3

Односторонняя печатная плата изготавливается на одностороннем фольгированном диэлектрике аддитивным химическим методом, поскольку технология этого способа нанесения рисунка печатных проводников одна из наиболее дешевых и хорошо отработанных. Основанный этот метод на избирательном осаждении химической меди на нефольгированный диэлектрик с нанесённым на поверхностный слой специальным катализатором, инициирующим осаждение меди в местах, подвергшихся обработке в процессе производства плат. Получение рисунка печатных проводников осуществляется сеткографическим методом, как наиболее экономически оправданным для серийного производства аппаратуры и обеспечивающим требуемую точность и плотность печатного рисунка.

Сущность данного метода заключается в нанесении на плату специальной краски или эпоксидной композиции путём продавливания с помощью резиновой лопатки (ракеля) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания состава.

Для изготовления трафарета используют металлические сетки №5,5 (ГОСТ 3647-59) из нержавеющей стали. Рисунок на сетчатом трафарете получают с фотошаблона с помощью пигментной бумаги, прикатанной к прозрачной плёнке или к стеклу. В светокопировальной установке на пигментную бумагу переносится изображение с фотошаблона, после чего на неё накладывается сетка, натянутая на сеткографическую раму. Полученный пакет сушится на воздухе. После сушки плёнка или стекло отделяется, а пигментное изображение остаётся закрепленным на сетке.

Трафарет в сеткографической раме устанавливают с зазором 1-2 мм от поверхности платы так, чтобы контакт сетки с поверхностью платы был только в зоне нажатия на сетку ракелем, который перемещается вдоль платы, двигая перед собой “валик” резиста. При этом часть его продавливается через открытые (свободные от рисунка) ячейки сетки, образуя заданный рисунок на поверхности платы. После нанесения рисунок просушивают, контролируют и при необходимости подвергают ретуши.

Удаление защитной маски после операции травления осуществляют химическим способом.

Средства механизации и автоматизации процесса получения рисунка сеткографическим способом включают загрузочные устройства, сеткографические станки и автоматы, конвейерные сушильные печи и магазины - накопители плат с нанесённым рисунком.

При изготовлении печатной платы следует использовать неактивированные флюсы, например спиртоканифоль, и припой с температурой плавления около 260єС, например ПОС-61. Пайку целесообразно производить волной припоя, так как этот метод обеспечивает необходимую точность печатных проводников, хорошо отработан, не требует специального оборудования и обладает невысокой стоимостью.

Печатная плата блока имеет прямоугольную форму, что необходимо для обеспечения достаточной жесткости. Отсчет координат, определяющих положение монтажных отверстий и контактных площадок, производится от левого нижнего угла платы. Точность их расположения 0.15 мм, а предельные отклонения монтажных отверстий и контактных площадок от базовых поверхностей 0.15 мм.

Все монтажные отверстия расположены в узлах координатной сетки.

2.5 Размещение ЭРЭ на печатной плате блока и способы их крепления

Крепления ЭРЭ на плате осуществляется пропусканием выводов в монтажные отверстия с последующей пайкой.

Диаметры монтажных отверстий выбирают из стандартного ряда в соответствии с диаметрами выводов ЭРЭ (для элементной базы модуля применяются отверстия диаметром 1.1 мм и 0.7 мм, а также крепежные отверстия диаметром 4 мм).

Класс точности для печатной платы модуля - 2-й.

ЭРЭ устанавливаются с зазором 1 мм к плате.

Постоянные резисторы, конденсаторы, диоды устанавливаются по варианту Iа, микросхемы по варианту VIIIa [4].

Размещение ЭРЭ на плате и трассировка соединений производились вручную.

Диаметры монтажных отверстий определяются по формуле:

, (2.4)

где d - диаметр отверстия, мм;

d_ВЫВ - диаметр вывода ЭРЭ.

Используя данные о диаметрах выводов ЭРЭ, приведенные в [10, 3], и формулу 2.4, получим диаметр монтажных отверстий равный 0,9 мм для всех элементов (диаметры выводов ЭРЭ находятся в пределах 0.7-0.9 мм).

Диаметры контактных площадок выбираем равным 1.8 мм [6].

2.6 Трассировка печатных проводников

Трассировка платы осуществлена без перемычек на одностороннем основании.

Номинальная ширина печатного проводника согласно 2-го класса точности равна 0.45 мм. Минимальные расстояния между печатными проводниками выбирают из допустимого напряжения: для 2-го класса точности 0.45 мм.

Печатная плата нейростимулятора имеет прямоугольную форму, что необходимо для обеспечения достаточной жесткости печатной платы при воздействии на нее механических усилий со стороны автоматической укладочной головки.

Отсчет координат, определяющих положение монтажных отверстий и контактных площадок, производится от левого нижнего угла платы. Точность их расположения 0.15 мм, а предельные отклонения монтажных отверстий и контактных площадок от базовых поверхностей 0.15 мм. Все монтажные отверстия расположены в узлах координатной сетки.

заключение

В результате выполнения курсового проекта была разработана структурная схема аппарата электростимуляции мышц. При этом были учтены все требования технического задания и соответствующих нормативных документов.

В ходе конструкторско-технологической разработки модуля печатной платы аппарата электростимуляции была произведена компоновка элементов, а также осуществлена трассировка печатных проводников.

Результатом выполнения конструкторской части курсового проекта является комплект конструкторской документации на печатный модуль аппарата электростимуляции мышц.

перечень ССЫЛОК

1. Градиль В.П. и др. Справочник по ЕСКД. Под редакцией А.Ф. Раба.1988 г.

2. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения. М: Медицина, 1981. - 344 с.

3. Ненашев А.П. Конструирование РЭС: Учебник для радиотехнических спец. вузов. ? М.: Высшая школа, 1990. ? 432 с.

4. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА / В.Т.Белинский, В.П.Гондол, А.Б.Грозин и др.; Под ред. К.Б.Круковского-Синевича, Ю.Л.Мазора.- К: Вища школа, 1992. - 494с.; ил.

5. Славуцкий Я.Л.Физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами.-М., 1982. - 320 с.

6. Справочник техника-конструктора / Я.А. Самохвалов, М.Я. Левицкий, В.Д. Григораш и др. ? 3-е изд., перераб. и доп. ? К.: Техника. ? 592 с.

7. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г. Варламова.- М.: Советское радио, 1980.- 480с., ил.

8. Технология и автоматизация производства РЭА: Учебник для вузов / И.П. Бушминский, О.Ш. Даутов, А.П. Достанко и др.; Под ред. А.П. Достанко, Ш.М. Чабдарова. ? М.: Радио и связь, 1989. ? 624 с.: ил.

9. Электронная аппаратура для стимуляции органов и тканей. М.: Медицина,1983.- 389 с.

10. Яншин А.А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1983.- 312с.