Разработка прибора магнитной терапии

Также важным параметром является толщина обмотки, определяемая по формуле:

T= Rвнеш - Rвнутр (5.2)

T = 7 -2 = 5 см

Выше было указанно, что индуктор круглый в сечении, поэтому средний радиус обмотки будет определяться по формуле:

L=Dср(5.3)

L= 3,14 * 9 = 28,26 см

Дальше по предложенной методике расчета [ ] необходимо провести нормирование толщины и длинны обмотки относительно толщины, чтобы в дальнейшем использовать экспериментально полученные кривые. Нормированная толщина равна:

t = 2T/Dср (5.4)

Получим:

t = 2*5/9 = 1,1

Нормированная длинна равна:

l = 2L/Dср(5.5)

l = 2*28,26/9 = 6,28

Рассчитаем некоторые намоточные характеристики индуктора-электромагнита. Так как провод имеет круглое сечение, то его диаметр определим по формуле:

d = *Dср²(5.6)

Подставив в формулу значение константы равной 3,14 и значение среднего диаметра обмотки получим:

S = 3,14*9² =1,76 мм²

Коэффициент заполнения обмотки проводником как рекомендовала методика [ ] выбираем из диапазона (0,5...0,7), принимаем - 0,5.

Для упрощения дальнейших расчетов необходим параметр называемый площадь осевого сечения обмотки, заполненная проводником. Он расчитвается как:

= *T*L, (5.7)

где - коэффициент заполнения обмотки проводником, как было указано выше принимаем - 0,5.

= 0,5*5*28,26 = 15,7 см²

Определим масса провода (без изоляции):

Mпр = a*D**10^-2,(5.8)

где а - постоянная зависящая от материала провода, для меди она равна 2,8.

Мпр = 2,8*9*15,7*10^-2= 3,95 кг

Определим количество витков индуктора по формуле:

w = *10^-2/S(5.9)

w = 0,5*19^-2/1,76 900 витков

Длинна провода необходимая для получения 900 витков на катушке принятых размеров определим как:

= *Dср*w*10^-2(5.10)

= 3,14*9*900*10^-2 = 254,34 метров

Активное сопротивление провода:

Rc = b**10^-2/S,(5.11)

где b - постоянная зависящая от материала провода, для меди принимаем равной 1,7.

Rc = 1,7*254,34*10^-2/,76 = 2,45 Ом

Далее необходимо определить коэффициент, который при известных нормированной толщине обмотки и нормированной длинне определяется по экспериментально полученным графикам представленным а приложении. Получили, что = 0,6 мс/м².

Постоянная времени соленоида определяется по формуле:

= Dср²**(5.12)

= 9²*0,5*0,6 = 24,3 мс

Индуктивность соленоида определяется как:

Lн = Rc * (5.13)

Lн = 2,45*24,3 = 59,535 мГн

Для проведения дальнейших расчетов необходимо определить множитель . Он определяется по формуле:

= ,(5.14)

где - циклическая частота.

=1,58

Полное сопротивление индуктора рассчитываем по формуле:

Z = Rc* (5.15)

Z = 2,45*1,58 = 3,88

Плотность тока в индукторе принимаем априорно из диапазона 2..3,5 А для меди и 1,5-2 А для алюминия. Принимаем 3А так как провод медный.

Сила тока в индукторе рассчитываем как:

I = j*S,(5.16)

где j -плотность тока, как ранее было указанно принимаем равным 3А.

I = 3*1,76 = 5,28 A

Напряжение на индукторе по формуле:

U_L = Z*I(5.17)

U_L = 3,88*5,28 = 20,19 20 Вт

Рассчитаем полную мощность потребляемую индуктором при постоянном токе:

Р= U_L*I(5.18)

Эта максимальная потребляемая мощность индуктора.

P = 20*5,28 = 104 Вт

Пронормируем расстояние на рабочей поверхности индуктора-электромагнита. Зная толщину пластмассового корпуса - 1 см по формуле:

x = 2*X/Dср(5.19)

x = 2*1/9 = 0,22

Магнитная индукция постоянного поля (f=0) по формуле:

В = 1,4*Dср*t**j*K,(5.20)

где К - коэффициент определяемый по экспериментально полученным графическим зависимостям приведенным в приложении, зная нормированную длину обмотки и нормированное расстояние на котором рассчитывается магнитная индукция.

В = 1,4*9*6,28*0,5*3*0,65 = 21,413 мТл

Амплитудное значение магнитной индукции переменного поля как:

Ва = 2* Dср*t**j*K (5.21)

Ва = 2*9*6,28*0,5*3*0,65 = 30,59 мТл

3.2 Проектирование печатной платы

3.2.1Выбор и обоснование класса точности и группы жесткости печатной платы

Использование печатного монтажа, как способа внутриблочного монтажа позволяет оптимально использовать объем, предназначенный для размещения ЭРЭ и получить наилучшие массогабаритные характеристики.

Повышенные требования ТЗ к габаритам устройства предполагает использование двухсторонней печатной платы (ДПП). Применение ДПП позволяет уменьшить размеры платы, уменьшить длину трасс печатного рисунка и снизить паразитные наводки. В конструкции устройства будем использовать ДПП с металлизированными переходными отверстиями.

Согласно ГОСТ 23751-86 "Платы печатные. Общие технические условия" существует пять классов точности печатных плат. По области применения классов точности для разрабатываемого устройства подходят платы четвертого класса точности 2-ой группы жесткости (печатные платы с микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными изделиями ИЭТ при высокой насыщенности поверхности ПП навесными ИЭТ).

3.2.2Выбор и обоснование материала платы

В качестве материалов печатных плат в настоящее время используют гетинакс, текстолит на капроновой основе, стеклотекстолит на эпоксидной основе. Материал печатной платы должен удовлетворять следующим требованиям:

1) возможностью получения на нем 3-го класса точности и металлизированных отверстий;

2) малые значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь для уменьшения паразитных наводок;

3) высокую устойчивость к воздействию влаги и повышенной температуры;

4) малым значением температурного коэффициента линейного расширения;

5) хорошей теплопроводностью;

6) малой массой и стоимостью;

7) возможностью установки выбранной элементной базы.

Проанализировав материалы, можно сделать вывод, что наибольшему количеству перечисленных свойств отвечает стеклотекстолит. Значит, в качестве материала платы будем использовать стеклотекстолит СФ-2-50-1,5 ГОСТ 10316-78 (фольгированный, с двухсторонней металлизацией, с толщиной фольги 50 мкм).

3.2.3Выбор вариантов установки элементов

К вариантам установки элементов предъявляем следующие требования:

минимальные установочные размеры;

максимальная механическая прочность варианта установки;

возможность установки механизированным или автоматизированным способом;

исключение случайного замыкания элемента с проводящими дорожками платы;

возможность регулирования переменных резисторов и сердечников катушек индуктивности.

На основании этих требований выбираем следующие варианты установки по ОСТ 4.010.030-81:

для резисторов постоянных и диодов вариант Iа;

для микросхем в корпусах DIP вариант VIIIа;

для транзисторов вариант

Для остальных элементов применим варианты установки, отличные от предложенных ОСТ 4.010.030-81.

3.2.4Определение формы и размеров печатной платы

Исходя из табл. 7.1 рассчитаем площадь, занимаемую элементами:

, (5.22)

где S_i установочная площадь i-го элемента;

n количество элементов i-го типа;

m число групп элементов.

Таблица 3.1.

Установочные площади элементов

Тип элемента	Установочная Площадь	Количество Элементов	Суммарная площадь
Д104-16 Д814Д МЛТ-0.125 МЛТ-0.5 МЛТ-1 МЛТ-2 К10-17 К50-35 К53-19 КД243 КД521 КТ315 КТ872 КУ202Н TDA8138 TL431 РП1-63 КР1180ЕН5А К155АГ3 К561ЛН2 Разъемы	50 14 7.5 16 25 40 7,5 25 50 15 7,5 12,5 56 40 40 40 120 50 540 112.5 65	1 2 12 2 1 2 1 1 3 1 2 3 1 1 1 2 1 2 1 1	50 28 90 32 25 80 7,5 25 150 15 14 37,5 56 40 40 80 120 100 540 112,5 65
Сумма площадей	1595

Площадь печатной платы находим по формуле:

, (5.23)

где К_з коэффициент заполнения платы.

Учитывая большое число связей между элементами, коэффициент заполнения платы не должен быть большим, поэтому возьмем К_з = 0,35, тогда

,

Наиболее близкое к рассчитанному значение площади имеет стандартная плата размерами 120330 мм, поэтому остановим свой выбор на ней.

3.2.5Выбор технологии изготовления печатной платы

Выбирая способ изготовления печатной платы необходимо учесть следующее:

возможность получения металлизированных отверстий;

возможность получения печатного рисунка по 4-му классу точности.

Данным требованиям удовлетворяет комбинированный позитивный метод, с помощью которого получают двухсторонние печатные платы для монтажа высокой плотности.

3.2.6Расчет элементов проводящего рисунка платы

1. Выбираем по [ ] для комбинированного позитивного метода печатную плату с характеристиками:

толщина фольги 35 мкм;

допускаемая плотность потока j= 48A/мм²;

удельное сопротивление =0,0175 (Оммм²)/м.

Класс точности по ГОСТ 23751-86 четвертый.

2.Определяем максимальную ширину печатного проводника по переменному току для цепей питания и заземления:

, (5.24)

где I_max максимальный постоянный ток, протекающий в проводнике;

j_доп допустимая плотность тока;

t толщина проводника, мм.

Из анализа схемы электрической принципиальной определяем, что I_max=5,2А, тогда:

3. Определяем минимальную ширину проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем:

, (5.25)

где удельное объемное сопротивление;

l длина проводника, мм;

U_доп допустимое падение напряжения.

Выбираем l=0,3 м и U_доп=0,9 В, тогда:

4.Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

, (5.26)

где максимальный диаметр вывода устанавливаемого радиоэлемента;

нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия;

разница между минимальным диаметром и максимальным диаметром вывода элемента, ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм.

для разъемов;

для остальных (ИМС, транзисторов, резисторов и конденсаторов и др.):

,

принимаем d₁=1,3 мм, отверстие металлизированное;

,

принимаем d₂=0,4 мм, отверстие металлизированное.

Должно выполняться следующее условие:

, (5.27)

где h толщина печатной платы;

отклонение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы. Для третьего класса точности =0,33, тогда имеем:

,

т.е. условие выполняется.

5. Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки для ДПП, изготовленной комбинированным позитивным методом при фотохимическом способе получения рисунка:

, (5.28)

где толщина фольги;

минимальный эффективный диаметр площадки:

, (5.29)

где максимальный диаметр контактной площадки;

, (5.30)

где расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

допуски на расположение отверстий и контактных площадок, , ;

максимальный диаметр просверленных отверстий:

, (5.31)

где d допуск на отверстие, для диаметров отверстий до 1,0 мм d=0,05 мм, для диаметра отверстий более 1 мм d=0,1 мм:

,

,

,

,

,

,

,

,

где индекс 1 соответствует таким радиокомпонентам, как разъемы;

индекс 2 для ИМС, транзисторов, резисторов.

6. Определим минимальную ширину проводников:

, (5.32)

где минимальная эффективная ширина проводников, ;

,

7. Определение минимальных расстояний между элементами проводящего рисунка минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

, (5.33)

где расстояние между центрами рассматриваемых элементов.

Минимальное значение L_o=1,8 мм, тогда минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

.

Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к печатным платам 4-го класса точности.

3.2.7Размещение навесных элементов на печатной плате и трассировка

Размещение элементов на печатной плате УВВ и трассировку будем производить с применением САПР PCAD v.7.0. Для этого производим следующие действия:

используя схему электрическую принципиальную и элементы технологической библиотеки САПР PCAD получаем упакованную базу данных, содержащую сведения об используемых компонентах (установочную площадь, информацию об электрической связности выводов и т.д.);

производим размещение компонентов, руководствуясь принципом наименьшей длины связей и их равномерным распределением по полю размещения;

используя пакет автоматической трассировки PC-ROUTE производим трассировку платы. Исходные данные для трассировки и отчет о трассировке находится в приложении.

4. Конструкторский расчет

4.1Конструкторский расчет соленоида

Выбор обоснование конструкции прибора необходимо начать с выбора и расчета рабочего органа. Это необходимо для получения заданных выходных характеристик схемы усиления при известной магнитной индукции на рабочей поверхности индуктора.

В промышленных магнитотерапевтических устройствах индукторы и постоянные магниты обычно помещают в корпус из пластмассы, что диктуется как требованиями электробезопасности и санитарной обработки, так и соображениями эргономики и эстетики. В индукторе-соленоиде для сохранения возможно большего диаметра полости особое внимание обращают на то, чтобы прослойка воздух-- пластмасса по внутреннему диаметру была незначительной. Увеличение толщины обмотки индуктора-соленоида тоже нежелательно, иначе возрастает масса. В то же время при неизменном внутреннем диаметре увеличение толщины обмотки может быть целесообразным в том случае, если необходимо повысить магнитную индукцию, которая пропорциональна среднему радиусу. Для индуктора-электромагнита и постоянного магнита расстояние между пластмассовой рабочей поверхностью и расположенным под ней полюсом по возможности уменьшают, иначе область наибольшей интенсивности магнитного поля окажется неиспользованной.

Зона действия источника тем дальше распространяется, чем более удалены друг от друга полюса. Поэтому глубина проникновения поля зависит от нормированной длины индуктора и растет по мере увеличения ее.

Толщину корпуса индуктора принимаем 1 см.

В качестве рабочего органа аппаратов магнитной терапии могут использоваться электромагниты и соленоиды. Применение соленоидов целесообразно при лечении конечностей, так как в основном магнитное поле концентрируется внутри него и при проведении процедуры лечения рабочий орган одевается на руку или ногу, однако это затрудняет использование прибора заболеваниях других органов человека и ведет к дорожанию прибора. Также электромагниты обладают большей магнитной индукцией по сравнению с соленоидами, а следовательно при одинаковой индукции меньшими. габаритными размерами, потребляемой мощностью, проще в эксплуатации. Поэтому в разрабатываемом приборе будем использовать электромагнит.

Прямоугольные или цилиндрические сердечники индукторов-электромагнитов, предназначенных для создания переменного магнитного поля, изготавливаются из листовой или ленточной (рулонной) электротехнической стали. Из-за наличия изоляции между пластинами или слоями ленты и невозможности их плотной укладки коэффициент заполнения сечения сердечника сталью всегда меньше единицы. Наибольший коэффициент заполнения - у ленточных магнитопроводов. Поэтому часто используют сердечник П-образной формы с прямоугольным сечением, который представляет собой половину разрезного ленточного магнитопровода типа ПЛ, ПЛМ или ПЛР, габариты которого выбирают по ГОСТ 22050--76 “Магнитопроводы ленточные. Типы и основные размеры”. Однако индукторы с П-образными сердечниками неудобны в эксплуатации; чаще применяют прямые сердечники.

Для изготовления прямых сердечников с прямоугольным сечением нужны изолированные пластины без отверстий, которые собирают в пакеты. Целесообразно применение готовых пластин, например, 1-образных (см. ГОСТ 20249--80). Направление длинной стороны этих пластин совпадает с направлением проката, если они изготовлены из анизотропного материала. Когда стандартные размеры не подходят, пластины вырезают вдоль длинной стороны листа электротехнической стали.

Если предполагается круглое поперечное сечение сердечника, как у разрабатываемого индуктора, то на практике оно реализуется в виде симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, которая в этом случае является диаметром стержня. Ступенчатое сечение его образуется пакетами пластин. Число ступеней, определяемое по числу пакетов в одной половине круга, может быть различным. Увеличение числа ступеней повышает коэффициент заполнения сталью, но одновременно увеличивает число типов пластин, имеющих различные размеры, и тем самым усложняет их заготовку и сборку.

Когда сердечник определен, находят габариты каркаса катушки, который изготавливается по форме сердечника.

Расчет электромагнита-индуктора необходимо начинать с задания размеров индуктора, задания намоточных характеристик.

Необходимо задаться расчетной частотой исходя из данных представленных в пункте 2, принимаем 8. Для изготовления провода принимаем материал провода медный, так как он при одинаковых прочих условиях он обеспечивает большие магнитные поля, чем алюминиевый. Диаметр провода принимаем равным 1,5 мм.

Внутренний радиус обмотки принимаем равным 2 см. Внешний радиус - 7 см. Средний диаметр индуктора рассчитывается по формуле:

D=Rвнеш + Rвнутр, (5.1)

где Rвнеш - внешний радиус обмотки, равный как было указано выще 7 см, Rвнутр - внутренний радиус, равный 2 см.

Dср =7+2=9 cм

Средний диаметр обмотки является важной характеристикой индуктора-электромагнита и в при дальнейших расчетах будет использоваться как нормировочная характеристика.

Также важным параметром является толщина обмотки, определяемая по формуле:

T= Rвнеш - Rвнутр (5.2)

T = 7 -2 = 5 см

Выше было указанно, что индуктор круглый в сечении, поэтому средний радиус обмотки будет определяться по формуле:

L=Dср(5.3)

L= 3,14 * 9 = 28,26 см

Дальше по предложенной методике расчета [ ] необходимо провести нормирование толщины и длинны обмотки относительно толщины, чтобы в дальнейшем использовать экспериментально полученные кривые. Нормированная толщина равна:

t = 2T/Dср (5.4)

Получим:

t = 2*5/9 = 1,1

Нормированная длинна равна:

l = 2L/Dср(5.5)

l = 2*28,26/9 = 6,28

Рассчитаем некоторые намоточные характеристики индуктора-электромагнита. Так как провод имеет круглое сечение, то его диаметр определим по формуле:

d = *Dср²(5.6)

Подставив в формулу значение константы равной 3,14 и значение среднего диаметра обмотки получим:

S = 3,14*9² =1,76 мм²

Коэффициент заполнения обмотки проводником как рекомендовала методика [ ] выбираем из диапазона (0,5...0,7), принимаем - 0,5.

Для упрощения дальнейших расчетов необходим параметр называемый площадь осевого сечения обмотки, заполненная проводником. Он расчитвается как:

= *T*L, (5.7)

где - коэффициент заполнения обмотки проводником, как было указано выше принимаем - 0,5.

= 0,5*5*28,26 = 15,7 см²

Определим масса провода (без изоляции):

Mпр = a*D**10^-2,(5.8)

где а - постоянная зависящая от материала провода, для меди она равна 2,8.

Мпр = 2,8*9*15,7*10^-2= 3,95 кг

Определим количество витков индуктора по формуле:

w = *10^-2/S(5.9)

w = 0,5*19^-2/1,76 900 витков

Длинна провода необходимая для получения 900 витков на катушке принятых размеров определим как:

= *Dср*w*10^-2(5.10)

= 3,14*9*900*10^-2 = 254,34 метров

Активное сопротивление провода:

Rc = b**10^-2/S,(5.11)

где b - постоянная зависящая от материала провода, для меди принимаем равной 1,7.

Rc = 1,7*254,34*10^-2/,76 = 2,45 Ом

Далее необходимо определить коэффициент, который при известных нормированной толщине обмотки и нормированной длинне определяется по экспериментально полученным графикам представленным а приложении. Получили, что = 0,6 мс/м².

Постоянная времени соленоида определяется по формуле:

= Dср²**(5.12)

= 9²*0,5*0,6 = 24,3 мс

Индуктивность соленоида определяется как:

Lн = Rc * (5.13)

Lн = 2,45*24,3 = 59,535 мГн

Для проведения дальнейших расчетов необходимо определить множитель . Он определяется по формуле:

= ,(5.14)

где - циклическая частота.

Полное сопротивление индуктора рассчитываем по формуле:

Z = Rc* (5.15)

Z = 2,45*1,58 = 3,88

Плотность тока в индукторе принимаем априорно из диапазона 2..3,5 А для меди и 1,5-2 А для алюминия. Принимаем 3А так как провод медный.

Сила тока в индукторе рассчитываем как:

I = j*S,(5.16)

где j -плотность тока, как ранее было указанно принимаем равным 3А.

I = 3*1,76 = 5,28 A

Напряжение на индукторе по формуле:

U_L = Z*I(5.17)

U_L = 3,88*5,28 = 20,19 20 Вт

Рассчитаем полную мощность потребляемую индуктором при постоянном токе:

Р= U_L*I(5.18)

Эта максимальная потребляемая мощность индуктора.

P = 20*5,28 = 104 Вт

Пронормируем расстояние на рабочей поверхности индуктора-электромагнита. Зная толщину пластмассового корпуса - 1 см по формуле:

x = 2*X/Dср(5.19)

x = 2*1/9 = 0,22

Магнитная индукция постоянного поля (f=0) по формуле:

В = 1,4*Dср*t**j*K,(5.20)

где К - коэффициент определяемый по экспериментально полученным графическим зависимостям приведенным в приложении, зная нормированную длину обмотки и нормированное расстояние на котором рассчитывается магнитная индукция.

В = 1,4*9*6,28*0,5*3*0,65 = 21,413 мТл

Амплитудное значение магнитной индукции переменного поля как:

Ва = 2* Dср*t**j*K (5.21)

Ва = 2*9*6,28*0,5*3*0,65 = 30,59 мТл

4.2Проектирование печатной платы

4.2.1Выбор и обоснование класса точности и группы жесткости печатной платы

Использование печатного монтажа, как способа внутриблочного монтажа позволяет оптимально использовать объем, предназначенный для размещения ЭРЭ и получить наилучшие массогабаритные характеристики.

Повышенные требования ТЗ к габаритам устройства предполагает использование двухсторонней печатной платы (ДПП). Применение ДПП позволяет уменьшить размеры платы, уменьшить длину трасс печатного рисунка и снизить паразитные наводки. В конструкции устройства будем использовать ДПП с металлизированными переходными отверстиями.

Согласно ГОСТ 23751-86 "Платы печатные. Общие технические условия" существует пять классов точности печатных плат. По области применения классов точности для разрабатываемого устройства подходят платы четвертого класса точности 2-ой группы жесткости (печатные платы с микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными изделиями ИЭТ при высокой насыщенности поверхности ПП навесными ИЭТ).

4.2.2Выбор и обоснование материала платы

В качестве материалов печатных плат в настоящее время используют гетинакс, текстолит на капроновой основе, стеклотекстолит на эпоксидной основе. Материал печатной платы должен удовлетворять следующим требованиям:

1) возможностью получения на нем 3-го класса точности и металлизированных отверстий;

2) малые значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь для уменьшения паразитных наводок;

3) высокую устойчивость к воздействию влаги и повышенной температуры;

4) малым значением температурного коэффициента линейного расширения;

5) хорошей теплопроводностью;

6) малой массой и стоимостью;

7) возможностью установки выбранной элементной базы.

Проанализировав материалы, можно сделать вывод, что наибольшему количеству перечисленных свойств отвечает стеклотекстолит. Значит, в качестве материала платы будем использовать стеклотекстолит СФ-2-50-1,5 ГОСТ 10316-78 (фольгированный, с двухсторонней металлизацией, с толщиной фольги 50 мкм).

4.2.3Выбор вариантов установки элементов

К вариантам установки элементов предъявляем следующие требования:

минимальные установочные размеры;

максимальная механическая прочность варианта установки;

возможность установки механизированным или автоматизированным способом;

исключение случайного замыкания элемента с проводящими дорожками платы;

возможность регулирования переменных резисторов и сердечников катушек индуктивности.

На основании этих требований выбираем следующие варианты установки по ОСТ 4.010.030-81:

для резисторов постоянных и диодов вариант Iа;

для микросхем в корпусах DIP вариант VIIIа;

для транзисторов вариант

Для остальных элементов применим варианты установки, отличные от предложенных ОСТ 4.010.030-81.

4.2.4Определение формы и размеров печатной платы

Исходя из табл. 7.1 рассчитаем площадь, занимаемую элементами:

где S_i установочная площадь i-го элемента;

n количество элементов i-го типа;

m число групп элементов.

Таблица 5.1.

Установочные площади элементов

Тип элемента	Установочная Площадь	Количество Элементов	Суммарная площадь
Д104-16 Д814Д МЛТ-0.125 МЛТ-0.5 МЛТ-1 МЛТ-2 К10-17 К50-35 К53-19 КД243 КД521 КТ315 КТ872 КУ202Н TDA8138 TL431 РП1-63 КР1180ЕН5А К155АГ3 К561ЛН2 Разъемы	50 14 7.5 16 25 40 7,5 25 50 15 7,5 12,5 56 40 40 40 120 50 540 112.5 65	1 2 12 2 1 2 1 1 3 1 2 3 1 1 1 2 1 2 1 1	50 28 90 32 25 80 7,5 25 150 15 14 37,5 56 40 40 80 120 100 540 112,5 65
Сумма площадей	1595

Площадь печатной платы находим по формуле:

где К_з коэффициент заполнения платы.

Учитывая большое число связей между элементами, коэффициент заполнения платы не должен быть большим, поэтому возьмем К_з = 0,35, тогда

Наиболее близкое к рассчитанному значение площади имеет стандартная плата размерами 120330 мм, поэтому остановим свой выбор на ней.

4.2.5Выбор технологии изготовления печатной платы

Выбирая способ изготовления печатной платы необходимо учесть следующее:

возможность получения металлизированных отверстий;

возможность получения печатного рисунка по 4-му классу точности.

Данным требованиям удовлетворяет комбинированный позитивный метод, с помощью которого получают двухсторонние печатные платы для монтажа высокой плотности.

4.2.6 Расчет элементов проводящего рисунка платы

1. Выбираем по [ ] для комбинированного позитивного метода печатную плату с характеристиками:

толщина фольги 35 мкм;

допускаемая плотность потока j= 48A/мм²;

удельное сопротивление =0,0175 (Оммм²)/м.

Класс точности по ГОСТ 23751-86 четвертый.

2. Определяем максимальную ширину печатного проводника по переменному току для цепей питания и заземления:

, (5.24)

где I_max максимальный постоянный ток, протекающий в проводнике;

j_доп допустимая плотность тока;

t толщина проводника, мм.

Из анализа схемы электрической принципиальной определяем, что I_max=5,2А, тогда:

3. Определяем минимальную ширину проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем:

где удельное объемное сопротивление;

l длина проводника, мм;

U_доп допустимое падение напряжения.

Выбираем l=0,3 м и U_доп=0,9 В, тогда:

4. Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

где максимальный диаметр вывода устанавливаемого радиоэлемента;

нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия;

разница между минимальным диаметром и максимальным диаметром вывода элемента, ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм.

для разъемов;

для остальных (ИМС, транзисторов, резисторов и конденсаторов и др.):

принимаем d₁=1,3 мм, отверстие металлизированное;

принимаем d₂=0,4 мм, отверстие металлизированное.

Должно выполняться следующее условие:

где h толщина печатной платы;

отклонение диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы. Для третьего класса точности =0,33, тогда имеем: т.е. условие выполняется.

5. Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки для ДПП, изготовленной комбинированным позитивным методом при фотохимическом способе получения рисунка:

где толщина фольги;

минимальный эффективный диаметр площадки:

где максимальный диаметр контактной площадки;

где расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

допуски на расположение отверстий и контактных площадок, , ;

максимальный диаметр просверленных отверстий:

где d допуск на отверстие, для диаметров отверстий до 1,0 мм d=0,05 мм, для диаметра отверстий более 1 мм d=0,1 мм:

где индекс 1 соответствует таким радиокомпонентам, как разъемы;

индекс 2 для ИМС, транзисторов, резисторов.

6. Определим минимальную ширину проводников:

где минимальная эффективная ширина проводников;

7. Определение минимальных расстояний между элементами проводящего рисунка минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

где расстояние между центрами рассматриваемых элементов.

Минимальное значение L_o=1,8 мм, тогда минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к печатным платам 4-го класса точности.

4.2.7Размещение навесных элементов на печатной плате и трассировка

Размещение элементов на печатной плате УВВ и трассировку будем производить с применением САПР PCAD v.7.0. Для этого производим следующие действия:

используя схему электрическую принципиальную и элементы технологической библиотеки САПР PCAD получаем упакованную базу данных, содержащую сведения об используемых компонентах (установочную площадь, информацию об электрической связности выводов и т.д.);

производим размещение компонентов, руководствуясь принципом наименьшей длины связей и их равномерным распределением по полю размещения;

используя пакет автоматической трассировки PC-ROUTE производим трассировку платы. Исходные данные для трассировки и отчет о трассировке находится в приложении.

4.3Описание конструкции

Конструктивно прибор будет выполнен в виде двух блоков: электронного и соединенного с ним рабочего органа - индуктора.

Конструктивно блок выполнен в прямоугольном корпусе из металла, такая конструкция использовалась ранее, что упростит производство и уменьшит себестоимость смотри рисунок 3.2. Для удобства транспортировки предусмотрены две ручки по бокам прибора.

Рассмотрим подробнее конструкцию электронного блока. Основную нагрузку от элементов несет основание 3, изготовленное из материалов повышенной прочности и достаточной толщиной смотри на рисунке 3.3. На нем прикрепляются плата питания 5 и плата управления 4. Основание изготовлено таким образом, что оно не препятствует закреплению этих плат, а выступы 11 прямоугольной формы позволяют надежно закрепить на четыре винта 10 по углам каждую. Основание имеет форму скобы, что позволяет к нему присоединять несущие стойки 3 винтами 7. Затем крепиться винтами 2 к несущим стойкам несущая передняя панель 1.

Перед тем как присоединить несущую переднюю панель 1 на нее монтируются органы управления смотри на рисунке 3.4. При сборке в первую очередь монтируются галетные переключатели 5, 9, 10, затем переключатель сети 4, переключатели 1, 2, 3, 11, в последнюю очередь монтируются лампочки 5, 7, 8 с помощью патронов.

Следующей стадией сборки будет распайка проводов между всеми компонентами и надевание кожуха. При этом спереди устанавливается передняя панели и зажимается несущей передней панелью, она имеет декоративную функцию, также на ней выполняются все надписи. Последним этапом сборки блока будет присоединение задней панели со смонтированными на ней предохранителем и заземлением.

Рабочий орган непосредственно состоит из электромагнита и терморезистора, заключенных в пластмассовый корпус. Соединение блока и индуктора производиться с

Электрическая схема прибора разбита на две части, которые реализуются на отдельных платах: плата питания и плата режима работы. На плате питания размещаем сетевой фильтр, схему защиты от скачков напряжения и блок питания. Все остальные части на плате управления.

5.Охрана труда и экологическая безопасность

Обеспечение эргономичности проектируемого объекта и условий его эксплуатации

Пациенты и обслуживающий персонал могут столкнуться с воздействием таких физически опасных и вредных производственных факторов, как

повышенный уровень шума;

повышенная температура внешней среды;

отсутствие или недостаток естественного света;

электрический ток;

статическое электричество;

повышенные низкочастотные магнитные поля и др.

Воздействие указанных неблагоприятных факторов приводит к снижению работоспособности, вызываемое развивающимся утомлением, снижает эффективность лечебного воздействия на человека.

Например, сильный шум вызывает трудности в распознавании цветовых сигналов, снижает быстроту восприятия цвета, остроту зрения, зрительную адаптацию, нарушает восприятие визуальной информации, снижает способность быстро и точно выполнять координированные действия, уменьшает на 5-12% производительность труда. Медицинские обследования показали, что помимо снижения производительности труда высокие уровни шума приводят к ухудшению слуха и появлению тугоухости.

Высокая температура воздуха отрицательно сказывается на функциональном состоянии людей, поэтому важно обеспечить нормальный микроклимат в рабочем помещении.

В наибольшей степени отрицательное физиологическое воздействие связано с дискомфортными зрительными условиями из-за неправильно спроектированного освещения: прямая и отраженная блескость, вуалирующие отражения, неблагоприятное распределение яркости в поле зрения, неверная ориентация рабочих мест относительно светопроемов. Слишком низкий уровень освещенности ухудшает восприятие информации при чтении документов, а слишком высокий приводит к уменьшению контраста.

Нарушение правил электробезопасности может привести к поражению электрическим током и нанесению увечий различной степени тяжести.

Воздействие повышенных низкочастотных магнитных полей может привести как к лечебным так и к неблагоприятным эффектам - необратимые изменения в работе сердечно-сосудистой системе человека при определенных видах заболевания.

Разрабатываемое в дипломном проекте устройство представляет собой магнитнотерапевтический аппарат для оказания медицинской помощи. Поэтому в данном разделе дипломного проекта необходимо рассмотреть факторы среды, определяющие безопасность, здоровье и работоспособность людей, критерии эргономичности организации условий эксплуатации, оценить последствия психофизиологических перегрузок, описать комплекс мер, направленных на обеспечение нормальных условий труда лиц, производящих обслуживание данной аппаратуры.

Согласно санитарным нормам СН 512-78, устанавливающим оптимальные и допустимые значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха для помещений. Оптимальные значения температуры воздуха составляют 1923С. Рекомендуемая относительная влажность воздуха 55%. Скорость движения воздуха не должна превышать 0,2 м/с.

Для обеспечения требуемых микроклиматических параметров воздушной среды в рабочем помещении применяют общеобменную искусственную вентиляцию в сочетании с системами кондиционирования воздуха. Основной задачей кондиционирования является поддержание параметров воздушной среды в допустимых пределах. Система управления кондиционерами обеспечивает работу, определяемую температурой и относительной влажностью воздуха в рабочей зоне.

Для отопления помещений используется центральное водяное отопление. Система центрального водяного отопления гигиенична, надежна в эксплуатации и обеспечивает возможность регулирования температуры в широких пределах.

Нормируемыми параметрами шума на рабочих местах являются уровни среднеквадратичных звуковых давлений (дБ) и уровни звука (дБА). Шум в помещениях, где выполняют работу, требующую концентрации внимания, не должен превышать 55дБА, а однообразной работе 65дБА. Шум от отдельных приборов не должен более чем на 5 дБ превышать фоновый шум.

Наиболее рациональной мерой защиты от шума является уменьшение шума в источнике или изменение направленности излучения. Т.е. следует использовать менее шумное оборудование, перед установкой или покупкой оборудования (кондиционеров, вентиляторов, рабочих станций) следует обратить внимание на их шумовые характеристики.

Если невозможно уменьшить шум в самом источнике, излучающем прямые звуковые волны, применяют меры к уменьшению интенсивности отражения от поверхностей помещений, что достигается звукопоглощением. Наиболее выраженными звукопоглощающими свойствами обладают волокнисто-пористые материалы: фибролитовые плиты, стекловолокно, минеральная вата, полиуретановый паропласт и др. Варьируя звукопоглощающим материалом, его толщиной, размерами воздушного зазора, а также параметрами перфорированного листа, можно в значительных пределах изменять частотную характеристику коэффициента звукопоглощения. Звукопоглощающие облицовки размещают на потолке и верхних частях стен. Максимальное звукопоглощение достигается при облицовке не менее 60% общей площади ограждающих поверхностей помещения.

Уменьшение шума проникающего в производственное помещение извне, может быть достигнуто увеличением звукоизоляции ограждающих конструкций, уплотнением по периметру притворов окон, звукоизоляцией проходов инженерных коммуникаций.

Согласно действующим Строительным нормам и правилам СНиП II-4-79 для искусственного освещения регламентирована наименьшая допустимая освещенность рабочих мест, а для естественного и совмещенного коэффициент освещенности КОЕ. Для освещения лабораторий применяют совмещенное и естественное освещение.

Рекомендуемая освещенность для работы с прибором составляет 200 лк.

Окна с целью уменьшения солнечной инсоляции желательно иметь с северной, северо-восточной или северо-западной стороны. Рабочие места медицинского персонала, необходимо расположить подальше от окон и таким образом, чтобы оконные проемы находились сбоку. Окна рекомендуется снабжать светорассеивающими шторами или регулируемыми жалюзями. В случае если одного естественного освещения недостаточно, устраивают совмещенное освещение. При этом дополнительное искусственное освещение применяют не только в темное время суток но и в светлое. В нашем случае мы будем применять совмещенное освещение т.к. предполагается работа в две смены.

Для освещения помещений, предназначенных для работы в лечебных учреждениях, чаще всего используют люминесцентные лампы, у которых высокая световая отдача ( до 75 лм/Вт и более ), продолжительный срок службы (до 10000 ч), малая яркость светящейся поверхности, близкий к естественному спектр, что обеспечивает хорошую цветопередачу. Следует учитывать и недостатки этих ламп: высокая пульсация светового потока, применение специальной пускорегулирующей аппаратуры. Наиболее приемлемыми для помещений ВЦ являются люминесцентные лампы ЛБ (белого света) и ЛТБ (тепло-желтого света) мощность 20, 40, 80 Вт. Возьмем для освещения лампу ЛБ-40 и будем использовать ее характеристики при расчетах.

Для исключения засветки экранов дисплеев прямым световым потоком светильники располагают сбоку от рабочего места, параллельно линии зрения человека и стене с окнами (рис.1)

Такое включение позволит производить последовательное включение рядов в зависимости от величины естественной освещенности и исключает раздражение глаз чередующимися полосами света и тени, возникающее при поперечном включении светильников.

Для расчета освещения рабочих мест персонала удобно воспользоваться методикой, описанной в [1].

Лаборатория имеет размеры 20 м в длину и 9 м в ширину, высота помещения составляет 3.6 м. Подвесной потолок высотой 0.2 м и технологический пол - 0.3 м. Применяемые потолочные светильники - типа УСП 35 с двумя люминесцентными лампами типа ЛБ-40, как и рекомендовано. Определим необходимое число светильников при общем равномерном освещении. Затенения рабочих мест нет.

Уровень рабочей поверхности над полом составляет .

Тогда найдем высоту подвеса светильников над рабочей поверхностью h по следующей формуле:

где высота подвеса светильников от пола, в нашем случае она равна высоте от технологического пола до подвесного потолка;

высота рабочей поверхности.

Найдем расстояние между рядами светильников :



где высота подвеса светильников над рабочей поверхностью (см. выше);

наиболее выгодное отношение для светильников УСП-35;

.

Располагаем светильники вдоль длинной стороны помещения. Обоснование см. выше. Расстояние между стенами и крайними рядами светильников принимаем

Рассчитаем количество рядов светильников :

(3)

где ширина зала;

расстояние между рядами светильников (см. выше);

Таким образом, из-за наличия окна с одной стороны количество рядов светильников будет 2.

Найдем индекс помещения :

где длина зала;

ширина зала;

высота подвеса светильников над рабочей поверхностью.

Номинальный световой поток лампы ЛБ-40 тогда световой поток светильника

Определим число светильников в ряду :



где норма освещенности;

коэффициент запаса, для помещений медицинских лаболаторий, освещаемых люминесцентными лампами при условии их чистки не реже двух раз в год;

площадь помещения;

коэффициент неравномерности (1.1 .. 1.2);

количество рядов светильников (см. выше);

световой поток светильника;

коэффициент использования светового потока;

коэффициент затенения.

При длине одного светильника типа УСП 35 с лампами ЛБ-40 , их общая длина составит т.е. светильники размещаются практически в непрерывный сплошной ряд, что и является наиболее желательным вариантом.

Теперь рассчитаем освещенность в точках А1 и Б1 от спроектированной установки.

Заключение

В результате дипломного проектирования был проведен следующий объем работ по разработке прибора интенсивной магнитной терапии:

обзор основных устройств терапии, принципов построения устройств данного класса, основных принципов работы и последних медицинских исследований в области магнитной терапии;

-выбор и обоснование параметров воздействия на человека и соответственно этому некоторых параметров прибора;

выбор и обоснование структурной и электрической принципиальной схем для разрабатываемого устройства, которые позволят реализовать параметры заложенные в предыдущем пункте;

выбор комплектующих и материалов конструкции с учетом электрических режимов работы элементов и конструктивного исполнения устройства;

расчет конструктивных характеристик разработки, который включил в себя: выбор и обоснование класса точности и группы жесткости печатной платы, выбор материала платы и вариантов установки элементов, определение формы и размеров платы, выбор технологии изготовления платы, а также расчет элементов проводящего рисунка платы и трассировка с применением САПР PCAD, механической прочности и системы виброударной защиты, расчет конструкторского исполнения рабочего органа исходя из требований к нему по выходным характеристикам;

разработка конструкции корпуса прибора;

анализ технологичности устройства, разработка технологической схемы сборки платы формирования режимов работы индуктора, вариантов маршрутной технологии, выбор технологического оборудования и проектирование техпроцесса;

-технико-экономическое обоснование дипломного проекта, которое включило в себя определение себестоимости и рыночной цены прибора интенсивной магнитной терапии, расчет единовременных затрат и расчет экономического эффекта. Результаты расчета показали, что разрабатываемое устройство имеет высокую экономическую эффективность, а единовременные затраты окупаются в первый же год.

в заключение был разработан комплекс мер по обеспечению безопасности жизнедеятельности человека при выполнении работе с прибором.

В результате работы была разработана конструкторская документация на проектируемое устройство и оформлена расчетно-пояснительная записка.

Список используемых источников

Плеханов Г.Ф. Основные закономерности низкочастотной электромагнитобиологии. - Томск: Изд-во Томск. ун-та,1990.

Эйди У.Р., Дельгадо Х., Холодов Ю.А. Электромагнитное загрязнение планеты и здоровье. Наука и человечество. - М.: Знание, 1989.

Алексеев А.Г. и Холодов Ю.А. Электромагнитная безопасность. - Вестник Спб. отд. РАЕН, 1997, № 1.

Евтушенко Г.И. и др. Влияние импульсных электромагнитных полей низкой частоты на организм. - Киев: Здоровье,1978.

Понаморенко Г.Н. Электромагнитотерапия и светолечение. - Спб: Мир и семья, 1995.

Скурихина Л.А., Шишло М.А. Магнитотерапия. - В сб. Курортология и физиотерапия. Т.1. - М.,1985.

Демецкий А.М., Жуков Б.Н., Цецехо А.В. Магнитные поля в здравоохранении. - Самара: НПО “Пульс”, 1992.

Холодов Ю.А., Козлов А.Н.,Горбач А.М. Магнитные поля биологических объектов. - М.: Наука, 1987.

Соловьева Г.Р. Магнитотерапевтическая аппаратура. - М.: Медицина, 1991.

Еремин В.А., Соловьева Г.Р., Шишков В.А. Петрова Н.А. Переносной аппарат для низкочастотной магнитотерапии “ Полюс - 101”. - Мед. техника - 1986 - № 5 - С. 56 - 58.

Лебедева Н.Н. Реакции ЦНС человека на электромагнитные поля с различными биотропными параметрами. - Биомедицинская радиоэлектроника - 1998 - № 1 - С. 24-35.

Холодов Ю.А. Нейробиологические подходы к магнитотерапии. - Биомедицинская радиоэлектроника - 1998 - № 2 - С. 30-37.

Сергеев П. В., Шихин А. Я. Магнитоизмерительные приборы и установки. - М.: Энергоиздат, 1982. - 152 с.

Соловьева Г. P., Еремин В. А., Горзон Р. Р. Аппарат для низкочастотной магнитотерапии “Полюс-1”//Мед. техника. - 1973. - № 5 - С. 29 - 33.

Ливенсон А.Р. Электробезопасность медицинской техники. - 2 - е изд. - М.: Медицина, 1981. - 280 с.

Ливенсон А.Р. Электромедицинская аппаратура. - 5 - е изд. - М.: Медицина, 1981. - 344 с.

Михнюк Т.Ф. Безопасность жизнедеятельности -Мн.:ДизайнПРО, 1998г. -295с.

Краткий справочник конструктора РЭА./Под ред. Р.Г.Варламова. М.: "Сов.радио",1972г.

Р.Г.Варламов. Компоновка РЭА. - М.: "Сов.радио",1975г.

Белькевич В. И., Берлин Ю. В., Бувин Г. М. Аппаратура для лечения бегущим импульсным магнитным полем//Электрон. Пром-ть - 1985. - № 1. - С. 59 - 62.

Малков Ю. В., Еремин В. А. Аппарат для магнитотерапии “Полюс-2” / Новые методы и аппаратура для физиотерапии. - М., 1988 - С. 31 -

Цифровые интегральные микросхемы: Справ./ М.И.Богданович, И.Н.Грель, В.А.Прохоренко, В.В.Шалимо. Мн., 1991.

Конструкторская документация: техническое задание. Рекомендации по составлению ТЗ и проведению конструкторского анализа. /Под ред. Воробьевой Ж.С. и Образцова Н.С. - Мн.:1994. - 46с.

Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренок. - Мн.: "Беларусь",1994г.

Полупроводниковые приборы: Справочник /В.И.Галкин и др. - Мн.: "Беларусь",1994г.

Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/А.Л.Булычев, В.И.Галкин, В.А.Прохоренко. - Мн.: "Беларусь",1993г.

Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/М.И.Богданович, В.А.Прохоренко, В.В.Шалимо. - Мн.: "Беларусь",1991г.

Конструирование радиоэлектронных средств: Учебное пособие для студентов специальности "Конструирование и технология радиоэлектронных средств"./ Под ред.Образцова Н.С. - Мн.:БГУИР, 1994. -201с.

Ю.В.Шамгин, В.М.Алефиренко, Ж.С.Воробьева. Проектирование приборных панелей РЭА. Методическое пособие по курсу "Конструирование и микроминиатюризация РЭА". - Мн. МРТИ,1986г.

Справочник по инженерной психологии./Под ред. Б.Ф.Ломова. - М.: "Машиностроение",1982г.

В.Л.Ланин. Методические указания для выполнению курсовых работ по курсу "Технология РЭА". - Мн.: БГУИР,1991г.

Т.В.Елецких, Э.А.Афитов, А.К.Феденя. Методические указания по технико-экономическому обоснованию дипломных проектов. - Мн.: БГУИР,1996г.

Охрана труда "Методическое указание по дипломному проектированию для студентов всех специальностей"./ Под ред. Шакирова Р.С. -Мн.:МРТИ, 1990г. -46с.

Безопасность работ с радиоэлектронным оборудованием. Учебное пособие по курсу "Охрана труда" для студентов радиотехнических специальностей./ Р.С.Шакиров, В.И.Жалковский - Мн.:МРТИ, 1984г. - 24с.

Практические расчеты по инженерному обеспечению безопасности труда. Ч-1. Учебное пособие для дипломного проектирования./ Р.С.Шакиров - Мн.:МРТИ, 1989г, -56с.

Ванагес Е.Л. Об использовании субъективных методов при оценке рабочей позы. Техническая эстетика, 1982, №1.

Воздействие переменных магнитных полей на поверхностные слои биологических объектов . Бут-Гусаим Е.А., Ланина В.Л. (руководитель Ланин В.Л.) “Физика конденсированных сред: Тез. Докладов VII республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов/ Под ред. Лиопо В.А. - Гродно: ГрГУ, 1999. - 282 с.