Устройство определения качества электроэнергии

Введение

В данный момент прослеживается тенденция к увеличению количества высокоскоростных средств обработки информации, систем телекоммуникационной связи в реальном масштабе времени и использование систем с непрерывным технологическим процессом. Увеличение спроса на такие устройства вместе с обеспечением большого количества разных возможностей задает жесткие условия для их питания.

Несмотря на то, что при генерации электроэнергии сигнал имеет классическую синусоидальную форму, к тому моменту, когда сигнал достигает конечного потребителя, его качество заметно ухудшается. В большинстве случаев это провалы напряжения и колебания частоты, которые могут привести к выходу из строя электробытовых приборов. Очевидно также и то, что помимо прямого ущерба - поломки электротехники, потребителю может быть нанесен и косвенный ущерб (например, ложное срабатывание оборудования или потеря данных при поломке), который может привести к убыткам в десятки раз больше стоимости испорченного оборудования.

Однако, декларируя улучшение качества электроэнергии, энергокомпании, которые к тому же являются монополистами на украинском рынке, фактически не заинтересованы в его улучшении. Основными причинами такого отношения является нежелание таких компаний совершать переоснащение всего устаревшего оборудования и разработки новых систем подсчета потребляемой электроэнергии, а если это переоснащение и происходит, расходы на переоснащение в большинстве случаев, закладываются в тариф для потребителя. Таким образом, возникает уникальная ситуация, когда поставщик услуг фактически сам устанавливает правила поставки электроэнергии, не считаясь при этом с мнением потребителя, и возлагает на него же издержки по ремонту и модернизации оборудования.

Разрабатываемое устройство позволит потребителю самостоятельно осуществлять контроль качества электроэнергии, которая предоставляется поставщиком. Устройство осуществляет мониторинг напряжения и частоты в потребительской сети 220 В и расчет качества электроэнергии, используя метод, предложенный в патенте UA № 82925, с записью и сохранением в журнал качества электроэнергии, причем предусмотрено фиксирование случаев отсутствия напряжения (0 В) и перенапряжения(380 В). Прибор поддерживает протокол USB 1.0, что позволяет достаточно легко осуществлять передачу данных о качестве электроэнергии на сменные носители информации (так называемые «флешки»). Таким образом, потребителю предоставлена возможность самостоятельно контролировать качество получаемой электроэнергии и при разработке соответствующих нормативных актов, не только фиксировать наличие или отсутствия электроэнергии, но и исходя из зафиксированных данных, оплачивать счет за нее.

Раздел 1. Теоретический раздел

1.1 Анализ условий технического задания

Исходя из особенностей проектирования прибора и специфики области его применения, рассмотрим основные критерии, которые будут влиять на разработку устройства измерения качества электроэнергии в сетях 220В (далее - устройства).

К основным критериям устройства следует отнести

1) Повышенную надежность и помехозащищенность

2) Малые габариты

3) Относительную дешевизну устройства

Для реализации хорошей надежности и помехозащищенности необходимо обеспечить штатный режим всех узлов и соединений данного устройства, а также конструктивно реализовать защиту прибора от вредных воздействий окружающей среды.

Для получения малых габаритов и обеспечения дешевизны устройства следует использовать широко распространенные типы ИМС а также, по возможности, унифицированные типоразмеры корпусов резисторов, конденсаторов и диодов.

1.2 Обзор существующих аналогов устройства

В качестве аналогов выберем устройства, которые позиционируются на рынке как устройства измерения качества - АКЭ -824 фирмы «Акип» и Omix-3 фирмы «Эвелен». Следует отметить также, что представительств данных фирм на Украине нет, поэтому известна лишь ориентировочная цена изделий. Данные о них представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Основные параметры устройств-аналогов

Параметры измерения	Марка прибора
	АКЭ -824	Omix-3
Максимальное измеряемое напряжение, В	~1000	~700
Максимальная измеряемая сила тока, А	1000	6
Максимальная погрешность измерения напряжения	± (1 % + 0,4% от предела измерения)	± 1 %
Максимальная погрешность измерения силы тока	± (0,5 % + 0,06% от конца шкалы)	Не указано
Возможность измерения частоты/ погрешность измерения частоты	Да / ± (0,2 % + 1 ед.сч.)	Да / Не указано
Поддержка интерфейсов связи	USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0	RS485
Ориентировачная стоимость, грн	25 000	2 100

Как видно из табл.1.1, прибор АКЭ-824 имеет неплохие показатели погрешности измерений и поддержку современных протоколов связи, однако его цена является чересчур завышенной, не смотря даже на то, что помимо перечисленных возможностей он обладает сенсорным экраном, предустановленной ОС и 16 Мб встроенной памяти, а прибор Omix-3 - морально устаревший интерфейс передачи данных и недостаточно подробное описание прибора на сайте производителя. Однако принципиальным отличием данных устройств от разрабатываемого, является то, что они лишь измеряют показатели качества, но не вычисляют само качество, которое, как известно, является интегральной характеристикой и рассчитывается по какому-либо алгоритму.

Также необходимо отметить, что разрабатываемое мною устройство ориентировано на обычного потребителя, поэтому необходимым является разработка устройства с наиболее оптимальным соотношением цена/ качество, причем цена этого устройства должна быть ниже устройств рассмотренных выше, но при этом удовлетворять заявленные в ТЗ показатели.

1.3 Патентный поиск

Известен анализатор напряжения (SU, А.С. №1538140, опубл. 23.01.90, бюл.№3), который состоит из преобразователя входного сигнала в постоянное напряжение, первого компаратора, источника напряжения, n счетчиков, блока статистической обработки, первого ключа сброса, генератора линейно изменяющегося напряжения, задатчика интервалов выборки, генератора импульсов n-разрядного регистра сдвига, триггера, элемента задержки, второго ключа сброса, причем выход преобразователя входного сигнала соединен с первым входом первого компаратора, у второго компаратора первый вход подсоединен к источнику напряжения, выходы n счетчиков соединены со входами блока статистической обработки, входы сброса в “0” счетчиков подключены к первому ключу сброса, вход пуска генератора линейно изменяющегося напряжения подключен к выходу задатчика интервалов выборки, вход останова - к выходу первого компаратора, R- входу триггера, R- выходу регистра сдвига и второму ключу сброса, а выход - к вторым входам первого и второго компараторов, выход второго компаратора соединен с D- входом триггера и управляющим входом генератора импульсов, выход которого подключен к С- входу триггера и через элемент задержки - к С- входу регистра сдвига, D- вход которого подключен к выходу триггера, а разрядные выходы - к входам соответствующих счетчиков.

Общими признаками известного устройства-аналога и предлагаемого устройства являются наличие преобразователя, компараторов, входа сброса и счетчиков времени пребывания сигнала в заданных границах.

Причиной, которая мешает достижению поставленной технической задачи, есть то, что в устройстве-аналоге измерение напряжения не связано со времени потребления услуги.

Известен анализатор напряжения ( RU, патент №2024880, опубл. 15.12.94, бюл.№23), который содержит преобразователь входного сигнала в постоянное напряжение, первый и второй компараторы, генератор линейно изменяющегося напряжения, задатчик интервалов выборки, триггер, n - разрядный регистр сдвига, первый и второй ключи сброса, источник опорного напряжения, генератор импульсов, элемент задержки, n счетчиков, блок статистической обработки, блок вычисления статистических моментов, который включает в себя два элемента задержки, три блока элементов И, два триггера, квадратор, два сумматора кодов, счетчик числа выборок, два блока деления, преобразователь мгновенных значений напряжений в цифровой код, причем вход преобразователя входного сигнала соединен со входом устройства, а выход - с первым входом первого компаратора, второй вход которого соединен с вторым входом второго компаратора и выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, вход пуска которого соединен с выходом задатчика интервалов выборок, вход останова - с выходом первого компаратора, R -входом триггера, R -входом n - разрядного регистра сдвига и вторым ключом сброса, первый вход второго компаратора соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход подсоединен к D -входу триггера и управляющему входу генератора импульсов, выход которого соединен с С -входом триггера и через элемент задержки - с С -входом n - разрядного регистра сдвига, D -вход которого соединен с выходом триггера, а разрядные выходы - с входами соответствующих n счетчиков, выходы которых соединены с входами блока статистической обработки, входы установки в “0” счетчиков соединены с первым ключом сброса, информационный вход и вход запуска которого соединены соответственно с информационным входом и входом управления блока, а выход соединен с первым входом первого блока элементов И , второй и третий входы и выход которого соединены соответственно с выходом первого элемента задержки, выходом первого триггера и с объединенными входами первого сумматора кодов и квадратора, выход которого через последовательно соединенные второй сумматор кодов, третий блок элементов И и второй блок деления соединены со вторым выходом блока, выход первого сумматора кодов через последовательно соединенные второй блок элементов И и первый блок деления соединен с первым выходом блока, вторые входы второго и третьего блоков элементов И соединены с выходом второго триггера, вход сброса которого и вход сброса первого триггера объединены и соединены с выходом второго элемента задержки, вход которого и установочный вход второго триггера объединены и соединены с выходом переполнения счетчика числа выборок, вход которого соединен с входом первого элемента задержки и входом управления блока, входы делителя блоков деления объединены и соединены с кодовым выходом счетчика числа выборок, информационный вход и вход управления блока соединены соответственно с выходом преобразователя входного сигнала в постоянное напряжение и выходом первого компаратора.

Общими признаками известного устройства-аналога и предлагаемого устройства есть наличие преобразователя, компараторов, сбросового входа и счетчиков времени пребывания сигнала в заданных границах.

Причиной, которая мешает достижению поставленной технической задачи есть то, что в устройстве-аналоге измерение напряжения не привязано ко времени потребления услуги.

Известен статистический анализатор качества параметров электрической энергии ( SU , А.С. №1223156, опубл. 07.04.86, бюл.№13), который выбран нами в качестве прототипа и состоит из преобразователя входного сигнала в постоянное напряжение, многопредельного блока сравнения с n выходами, n каналов, которые состоят из счетчиков и соединенных с их входами коммутаторов, блока управления, блока статистической обработки, причем выход преобразователя входного сигнала в постоянное напряжение соединен с входом многопредельного блока сравнения, выходы которого подсоединены к входам коммутаторов, другие входы которых соединены с выходом блока управления, выходы счетчиков подключены к входам блока статистической обработки.

Причиной, которая мешает достижению поставленной технической задачи, есть то, что в прототипе измерение напряжения не связано со временем потребления услуги. Кроме того, если в каком-то счетчике при подсчете времени возникнет ошибка или сбой, этот факт определить невозможно.

В основу устройства поставлена задача подсчета времени пребывания сигнала в определенных пределах (определение качества услуг) только тогда, когда услуга потребляется, а также предоставить возможность контроля правильности подсчета времени пребывания сигнала в определенных пределах.

1.4 Описание структурной схемы устройства и его временной диаграммы

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

- на чертеже «ДК31.411111.001Э2» блок-схема заявляемого устройства;

- на чертеже «ДК31.411111.001» временные диаграммы работы блок-схемы устройства.

Устройство, блок-схема которого изображена на чертеже «ДК31.411111.001» содержит измерительный преобразователь, многопредельный блок сравнения, дешифратор, (n + 1) логических схем И, (n + 1) счетчиков времени, второй измерительный преобразователь, источник смещения, компаратор, генератор временных импульсов. Вход измерительного преобразователя является входом устройства, а выход подсоединен ко входу многопредельного блока сравнения, цифровые выходы которого соединены с соответствующими входами дешифратора, вход второго измерительного преобразователя является вторым входом устройства, а выход подсоединен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом источника смещения, выход компаратора соединен с первым входом (n + 1) логической схемы И, второй вход которой подсоединен к выходу генератора временных импульсов, а выход соединен со счетным входом счетчика времени и первыми входами других логических схем И, вторые входы логических схем И подсоединены к соответствующим n выходам дешифратора, выходы n логических схем И соединены со счетными входами n счетчиков времени, сбросовый вход всех счетчиков времени подсоединен к сбросовому входу устройства, а выходы всех счетчиков времени являются выходами устройства.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает сигнал о коммунальной услуге типа потенциала. В нормативных документах, например, “Правила предоставления населению услуг по водо-, теплоснабжению и водоотведения”, К.: Госкомстроительства, архитектуры и жилищной политики,- 1998; “ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения”,- К.: Госстандарт.- 1998 приведены границы участков для сигналов с высоким, средним и низким качеством. Предположим, что на чертеже «ДК31.411111.001Э2» сигнал о услуге с наивысшим качеством находится на участке К₁, с средним качеством - на участках К₂ и К₃, а наихудшим качеством - на участке К₄ .

Измерительный преобразователь преобразует сигнал в стандартный сигнал ГСП, например, напряжение постоянного тока соответствующего диапазона, который подается на вход многопредельного блока сравнения.

В многопредельном блоке сравнения определяется принадлежность сигнала к одному из возможных участков в соответствии с их качеством К_1, К_2, К_3,... К_i,... К_n, а на его выходе появится цифровой код участка, где в данный момент находится входной сигнал качества. В дешифраторе этот цифровой код превращается в единичный (разрешающий) сигнал на одном их выходов дешифратора Вых.1, Вых.2, Вых.3,...Выхn . Если входной сигнал переходит на другой участок, единичный сигнал появляется на другом выходе дешифратора.

Предположим, что входной сигнал измерительного преобразователя 1 изменяется так, как это приведено на чертеже «ДК31.411111.001Э2». Тогда входной для многопредельного блока сравнения сигнал находится на участке К₁ в промежутке времени (t₂-t₀) и (t₉-t₇), поэтому в эти промежутки времени только на Вых.1 дешифратора существует одиночный сигнал. Соответственно, когда входной находится на входном участке К₂ в промежутках времени (t₃-t₂) и (t₇-t₆), только на Вых.2 дешифратора существует единичный сигнал, участку К₃ в промежутках времени (t₄-t₃) и (t₆-t₅) соответствует единичный сигнал на Вых.3 дешифратора, участку К_n - единичный сигнал на Вых.n.

На второй вход устройства подается сигнал типа расхода. Если услуга не потребляется, то на выходе второго измерительного преобразователя существует нулевой сигнал. Постоянное смещение от источника смещения подается на второй вход компаратора, и оно такое, что на выходе компаратора с нулевым сигналом на первом входе существует нулевой сигнал. Этот нулевой сигнал запрещает прохождение временных импульсов от генератора временных импульсов через логическую схему И 4.(n+1) и поэтому временные импульсы на счетные входы счетчиков временных импульсов не попадают. На чертеже «ДК31.411111.001Э2» этой ситуации отвечают промежутки времени (t₁-t₀) и (t₉-t₈).

Когда начинается потребление услуги в момент времени t₁ , выходной сигнал со второго измерительного преобразователя 6 превышает сигнал от источника смещения, на выходе компаратора появляется единичный сигнал, который позволяет прохождение временных импульсов через логическую схему И на вход счетчика времени, который начинает фиксировать общее время потребление услуги, что на чертеже «ДК31.411111.001Э2» соответствует промежутку времени (t₈-t₁).

В зависимости от нахождения сигнала потенциала на первом входе устройства на участках К_1, К_2, К_3,...К_n на соответствующем выходе дешифратора 3 появится единичный сигнал, который разрешает прохождение временных импульсов на соответствующий счетчик времени.

Таким образом, за время потребления услуги в счетчиках времени накапливается время пребывания сигнала потенциала (качества) на соответствующих участках качества К₁-К_n. Сумма времени, которая накапливается в счетчиках времени , должна равняться общему времени потребления услуги, которое накапливается в счетчике времени. Если время, накопленное в счетчике времени равняется сумме времен, которые накапливаются в остальных счетчиках, то ошибок в подсчете времени нет, а если время в счетчике времени не равно сумме времен, то есть ошибка подсчета времени.

Качество услуги определяется относительным временем пребывания сигнала качества в заданных границах. Если наилучшим качеством есть пребывание сигнала потенциала на участке К₁, а сигнал на этом участке был очень небольшой промежуток времени относительно общего времени потребления услуги, то качество услуги низкое. Но если сигнал потенциала не выходил за пределы участка К₁, то качество услуги наилучшее.

Предложенное построение устройства позволяет автоматически определить качество предоставления услуги за все время ее потребления и выявить ошибки подсчета времени пребывания услуги в заданных границах.

1.5 Описание схемы электрической принципиальной

На схеме принципиальной электрической, (чертеж «ДК31.411111.001Э3») представлена схема устройства определения качества электроэнергии в сети 220В. Для удобства чтения схемы, она визуально разделена на схему питания и схему измерения и обработки измеряемых величин.

Схема питания состоит из трансформатора TV2 (марка HRE3011), на выходах которого напряжение равно ~12 В. В случае отсутствия напряжения в сети или поломки данного трансформатора светодиод зеленого цвета VD2 гаснет. Резистор R4 служит для задания режимного тока (5,45мА) через диод VD2 .

Для выпрямления напряжения используется диодный мост VD4, выполненный в виде диодной сборки. Конденсатор С4 сглаживает пульсации напряжения, на выходе диодного моста VD4. Стабилизатор напряжения DA1 (LM317) с делителем R10 и R11 преобразует +16,9 В в +5 В. Диодный мост VD5, конденсатор С5, стабилизатор напряжения DA2 и делитель R12-R13 выполняют такие же функции как и предыдущие элементы, и формируют напряжение +3,9 В.

В данном устройстве предусмотрен также резервный источник питания(РИП) - аккумулятор Е1, который включается автоматически при пропадании 220 В. При пропадании напряжения питания 220 В, РИП может обеспечивать питанием схему измерения и регистрации в течении 8 часов работы. Автоматическое включение питания происходит по известной схеме, состоящей из двух диодов (в данном случае - диодов Шоттки VD6 и VD8), катоды которых соеденены и являются входом источника питания. Напряжения на анодах этих диодов задаются так, чтобы потенциал на катоде диода VD6 при штатном питании от 220 В превышал потенциал на аноде диода VD8 на 0,2 В. При этом диод VD8 закрыт. Заряд аккумулятора осуществляется через диод VD7 и токоограничивающий резистор R14, при наличии питания 220 В. При пропадании напряжения 220 В диод VD8, к аноду которого подключен аккумулятор Е1, открывается. Кнопка SW1 предназначена для выключения аварийного питания при полном выключении устройства. Конденсаторы С7 и С8 служат для сглаживания пиков напряжения при включении устройства в сеть.

Схема устройства измерения и обработки измеряемых величин состоит из трансформатора TV1, напряжение на выходе которого составляет +4,5 В. Это напряжение подается на резистивный делитель, состоящий из двух высокоточных сопротивлений R5 и R6 и подстроечного потенциометра R7. Сопротивления подобраны таким образом, чтобы на выходе делителя при 220 В получалось напряжение, равное 1,024 В.

Так как диапазон напряжений, который может измерить встроенный АЦП МК С8051F320 составляет 0…+2,5 В, то все, что выше этого напряжения является превышением 220 В. Конденсатор С3 предназначен для сглаживания возможных ВЧ-пульсаций.

Кварцевый генератор ZQ1 подключается к микроконтроллеру для повышения точности измерений частоты.

Для программирования используется штыревой разъем PLS-6. Программирование МК производится по совместимому с SPI протоколу. Модуль последовательного периферийного интерфейса (SPI) обеспечивает независимый последовательный коммуникационный канал, позволяющий вести синхронный обмен данными в системе с несколькими ведущими или ведомыми. Интерфейс позволяет получить доступ к четырехпроводной последовательной шине в режиме ведущего или ведомого. В настоящее время он становится уже промышленным стандартом.

Делитель R7-R8 поставлен для того, чтобы на вход МК не подавалось напряжение, больше +3,3 В (это не относится ко входу VBUS МК, так как этот вход не является стандартным и предназначен для взаимодействия с портом USB). Нажатие кнопки SB1 разрешает передачу данных из микроконтроллера на внешнее устройство через USB-порт.

Фиксация кнопки SW1 переводит прибор в режим измерения и вычесления коэффициентов качества в сети 220 В.

Устройством, осуществляющим индикацию, является ЖКИ-модуль фирмы Winstar WH0802A, со встроенным микроконтроллером управления HD44780.

Этот контроллер является типовым для недорогих ЖКИ-модулей. В данном устройстве для экономии портов МК связь с контроллером HD44780 осуществляется по 4 линиям данных и 2 специальным сигнальным линиям.

Для защиты выхода USB МК была поставлена специальная микросхема защиты DA3, которая защищает порт USB МК, от так называемой «переполюсовки» контактов USB.

Для контроля реального времени в этом устройстве используется ИМС часов реального времени DD2, связанная с МК через протокол-аналог I2C.

Основными достоинствами протокола I2C является его стабильность, легкость в настройке и широкое использование. Кроме этого, по этому протоколу могут подключатся до 2³ устройств. В данном устройстве МК соединяется с ЭППЗУ DD3 M24512 по протоколу I2C. Емкость M24512 512 Кб. ИМС предназначена для хранения данных при аварийном завершении работы и временного хранения данных при расчетах коэффициента качества.

Раздел 2. Конструкторско-технологический раздел

Согласно литературным данным, задержки частоты на компараторе t_здр не должны быть больше, чем время такта t_такт. Получаем неравенство

t_здр ? t_такт (2.1)

Так как в рассматриваемой сети 220 В используется синусоидальное напряжение, то U_пор изменяется по формуле

U_пор = U_А.пор•sin(щt) (2.2)

где U_А.пор - амплитуда порогового напряжения компаратора;

щ - частота изменения сигнала

Также, за время тактирования компаратор должен успеть пересечь порог срабатывания компаратора U_пор. Таким образом

ДU = Uґ_пор.• t_изм (2.3)

Поскольку необходимо найти скорость изменения напряжения U_пор, очевидно, что необходимо найти производную по времени от U_пор.

Uґ_пор = (U_А.пор•sin(щt))ґ= U_А.пор•cos(щt) (2.4)

Из последней формулы следует, что максимального значения Uґ_пор достигает при cos(щt)=1, то есть

Uґ_{пор.макс} = U_А.пор•2•р•f₀ (2.5)

Подставляя значения из формул (2.3) и (2.5), с учетом максимально возможной скорости изменения получаем

ДU = U_А.пор•2•р•f₀ •t_такт (2.6)

Время измерения, в свою очередь, можно представить как

t_изм = t_такт /2^N (2.7)

где N - количество разрядов двоичных выходов на АЦП

Таким образом, используя (2.1), (2.5) и (2.7) (для случая t_здр = t_такт) получаем систему уравнений

(2.8)

В потребительской сети 220 В частота изменения синусоидального сигнала за период равна 50 Гц.

Так как измерения производятся не за период а за полупериод, то

(2.9)

Теперь рассчитаем значение U_А.пор , при условии, что прибор должен фиксировать минимальное значение эффективного напряжения может быть на 30% меньше номинального значения (220 В) (см. пункт 5.2 технического задания). Так как передаточная характеристика трансформатора TV1 и делителя, образованного резисторами R5 и R6 и подстроечного потенциометра R7- линейна а амплитуда напряжений на выходе прямопропорционально зависит от амплитуды на входе,

Для синусоидального сигнала верным будет равенство

U_А.пор = v2• ДU =1,41•0,477 =0,544(В)

Теперь, подставляя полученные значения t_такт и U_А.пор в (2.8) получаем

Таким образом, минимальное время срабатывания t_здр ?39 • 10^-6с, а минимальный порог срабатывания ДU = 6,67 мВ.

Компараторы МК C8051F320 и C8051F350 удовлетворяют данным требованиям, поэтому необходимо дальнейшее их сравнение.

2.1 Выбор и обоснование элементной базы

2.1.1 Выбор резисторов, конденсаторов, диодов и других дискретных компонентов

Для применения в разрабатываемом устройстве были выбраны SMD-компоненты мощностью до 0,25 Вт. Выбор был сделан, исходя из соображений достаточной надежности, точности и низкой общей стоимости прибора. SMD-компоненты в достаточной степени удовлетворяют вышеприведенным требованиям и являются одной из наиболее распространенных марок резисторов, что сыграло решающую роль при их выборе. Другие дискретные компоненты выбраны исходя из аналогичных соображений.

Однако, стоит отметить, что несмотря на достаточно высокую точность (стандартные SMD-компоненты имеют точность 1% и хуже), для измерительного делителя понадобились навесные резисторы с точностью 0,1%. Это связано с тем, что в техническом задании точность измерения составляет 0,2%.

2.1.2 Выбор наилучшей ИМС

Ввиду большого разнообразия серий микросхем, пригодных для использования в разрабатываемом устройстве и значительного количества параметров микросхем, их выбор аналогично выбору дискретных компонентов затруднителен. Поэтому воспользуемся методом выбора компонентов по матрице параметров. Данный метод заключается в следующем:

1) Составляют матрицу параметров Х для сравнения характеристик микросхем и определяют весовые коэффициенты для выбранных параметров ИМС

2) Из матрицы параметров получаем матрицу приведенных параметров Y. Параметры матрицы необходимо пересчитать так, чтобы большему значению параметра соответствовало лучшее свойство элемента. Параметры, не удовлетворяющие этому условию, заменяются на обратную величину.

3) Далее параметры матрицы Y нормируют по следующей формуле для получения матрицы приведенных параметров А:

где y_ij - элемент матрицы параметров, стоящий в i-й строке и j-м столбце

а_ij - аналогичный элемент в нормированной матрице

4) Для обобщения анализа параметров вводят оценочную функцию Q:

где m - количество строк в матрице параметров.

Необходимая серия ИМС выбирается, исходя из минимального значения оценочной функции, т.е. наилучшей ИМС является такая, у которой Q = min {Q_i}.

1) Микроконтроллер C8051F320

Тип МКС	Параметры
	Количество компараторов	Iпотр(макс.), мA	Цена производителя, $
C8051F320	2	10	15
C8051F350	1	14	13
Весовой коэффициент b	0,2	0,2	0,6

Х=	2	10	15
	1	14	13
Y=	2	0,1	0,067
	1	0,071	0,077
A=	0	0	0,13
	0,5	0,29	0

Q _C8051F320 = 0*0,2 + 0,47*0,2 + 0,13*0,6 = 0,078

Q _C8051F350 = 0,5*0,2 + 0,29*0,2 + 0*0,6 = 0,1 + 0,058 =0,158

Q_min = 0,078 - Выбираем ИМС C8051F320

2) Стабилизатор напряжения LM317

Тип МКС	Параметры
	Граница напряжения стабилизации, В	Iпропуск(макс.), A	Цена производителя, $
LM317	3	1,5	3
LM1117	1,2	0,8	5
Весовой коэффициент b	0,2	0,2	0,6

Х=	3	1,5	3
	1,2	0,8	5
Y=	0,33	1,5	0,33
	0,83	0,8	0,2
A=	0,6	0	0
	0	0,46	0,36

Q _LM317 = 0,6*0,2 + 0*0,2 + 0*0,6 = 0,12

Q _LM1117 = 0*0,2 + 0,46*0,2 + 0,36*0,6 = 0,092 + 0,216 =0,312

Q_min = 0,12- Выбираем ИМС LM317

3) Диодный мост W08M

Тип МКС	Параметры
	Граница напряжения стабилизации, В	Iпропуск(макс.), A	Цена производителя, $
W08M	Iпропуск(макс.), A	Вес, г	Цена производителя, $
RS407L	1,5	1,5	1
Весовой коэффициент b	0,2	0,2	0,6



Х=	1,5	1,5	1
	4	4,8	2
Y=	1,5	0,67	1
	4	0,21	0,5
A=	0,625	0	0
	0	0,69	0,5

Q _W08M = 0,625*0,2 + 0*0,2 + 0*0,6 = 0,125

Q _RS407L = 0*0,2 + 0,69*0,2 + 0,5*0,6 = 0,138 + 0,3 =0,438

Q_min = 0,125- Выбираем ИМС W08M

4) Кварцевый генератор CFPS-73

Тип МКС	Параметры
	Iпотр(макс.), мA	Площадь корпуса, мм2	Цена производителя, $
ASML-06	25	125,3	3
CFPS-73	15	35	3
KXO-67	20	35	4
Весовой коэффициент b	0,5	0,3	0,4

Х=	25	125,3	3
	15	35	3
	20	35	4
Y=	0,04	0,008	0,33
	0,07	0,029	0,33
	0,05	0,029	0,25
A=	0,428	0,724	0
	0	0
	0,286	0	0,24

Q_min = 0 - Выбираем ИМС CFPS-73

5) Часы реального времени DS1337

6)



Тип МКС	Параметры
	Iпотр(макс.), мA	Максимальная скорость передачи, кГц	Цена производителя, $
ASML-06	0,15	100	0,68
CFPS-73	0,1	400	1,2
KXO-67	20	35	4
Весовой коэффициент b	0,5	0,3	0,4

Х=	0,15	100	0,68
	0,1	400	1,2
Y=	6,67	100	1,47
	10	400	0,83
A=	0,33	0,75	0
	0	0	0,435

Q _DS1337 = 0,33*0,2 + 0,75*0,2 + 0*0,6 = 0,066 + 0,15 = 0,216

Q _MAX6900 = 0*0,2 + 0*0,2 + 0,435*0,6 = 0,261

Q_min = 0,216 - Выбираем ИМС DS1337

7) ЭППЗУ M24512

Тип МКС	Параметры
	Iпотр(макс.), мA	Максимальная скорость передачи, кГц	Цена производителя, $
M24512	0,12	512
M24256	0,1	256
Весовой коэффициент b	0,15	0,35	0,5

Х=	0,12	512	0,2
	0,1	256	0,15
Y=	8,33	512	5
	10	256	6,67
A=	0,167	0	0,25
	0	0,5	0

Q _M24512 = 0,167*0,15 + 0*0,35 + 0*0,5 = 0,025 + 0,125 = 0,15

Q _M24256 = 0*0,15 + 0*0,35 + 0,435*0,5 = 0,175

Q_min = 0,15 - Выбираем ИМС M24512

8) Микросхема защиты USB USB6B1

Тип МКС	Параметры
	Входная емкость, пФ	Площадь корпуса, мм2	Цена производителя, $
USB6B1	25	19,6	1
USBLC6-2	3,5	2,21	5
Весовой коэффициент b	0,2	0,2	0,6

Х=	25	19,6	1
	3,5	2,21	5
Y=	0,04	0,051	1
	0,986	0,887	0
A=	0,167	0	0,25
	0	0	0,8

Q _USB6B1 = 0,986*0,2 + 0,887*0,2 + 0*0,6 = 0,1972 + 0,1774 = 0,3746

Q _USBLC6-2 = 0*0,2 + 0*0,2 + 0,8*0,6 = 0,48

Q_min = 0,3746- Выбираем ИМС USB6B1

Таким образом, в данном устройстве будут использованы такие микросхемы:

1. Микроконтроллер C8051F320

2. Стабилизатор напряжения LM317

3. Диодный мост W08M

4. Кварцевый генератор CFPS-73

5. Часы реального времени DS1337

6. ЭППЗУ M24512

7. Микросхема защиты USB USB6B1

2.1.3 Выбор трансформаторов

Трансформаторы для печатного монтажа выбирались исходя из следующих критериев:

1) Доступность информационных материалов

2) Доступность трансформаторов на украинском рынке

3) Наличие защиты от короткого замыкания

Исходя из этих критериев, были выбраны трансформаторы Е2006 и HRE2011 фирмы «HRdiemen».

2.2 Выбор и обоснование типа печатной платы

По конструкции печатные платы (как указано в [5]) с жестким и гибким основанием делятся на типы: односторонние, двухсторонние и многослойные.

Следует указать, что многослойные печатные платы применяются для размещения гораздо большего, чем у нас присутствует, количества элементов, поэтому выбор многослойной печатной платы крайне нежелателен.

Односторонние печатные платы (ОПП) характеризуются: возможностью обеспечить повышения требования к точности выполнения проводящего рисунка; установкой навесных элементов на поверхность платы со стороны противоположной стороне пайки, без дополнительной изоляции; возможностью использования перемычек из проводникового материала; низкой стоимостью конструкции.

Схемы на двухсторонних печатных платах (ДПП) разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Кроме того, использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

- общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом;

- поэтому лучше иметь "много" общего провода для упрощения разводки.

- увеличивается механическая прочность платы.

- уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.

- увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.

- полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.

ДПП делятся на две подгруппы:

а) ДПП без металлизированных контактных и переходных отверстий характеризуются: возможностью обеспечить высокие требования к точности выполнения проводящего рисунка; высокими коммутационными свойствами; использованием объемных металлических элементов конструкции (отрезки проволоки, припой и др); для соединения элементов проводящего рисунка, расположенных на противоположных сторонах ПП; низкой стоимостью конструкции.

б) ДПП с металлизированными контактными и переходными отверстиями характеризуются:

- высокими коммутационными свойствами;

- повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы;

- относительно высокой стоимостью конструкции.

Выбираем ДПП с металлизированными контактными отверстиями т.к. необходимо минимизировать размер печатной платы.

2.3 Выбор и обоснование класса точности

По точности выполнения элементов конструкции печатные платы делятся на четыре класса точности. ПП 1-го и 2-го классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. ПП 3-го и 4-го классов точности требуют использования высококачественных материалов, инструмента и оборудования, ограничения габаритных размеров, а в отдельных случаях и особых условий изготовления.

Выбираем 4-тий класс точности, как рекомендовано для этой платы в разделе «Конструкторско-технологический расчет печатной платы».

2.4 Выбор материала основания печатной платы

Материал для ПП выбираем по ГОСТ 10316-78, ГОСТ 23751-79 или техническим условиям.

Как указано в [5] наиболее подходящим материалом для основания является стеклотекстолит фольгированный односторонний толщиной 1,5 мм, толщина фольги 35 мкм, марки СФ-1-35-1,5, способ нанесения рисунка разводки - фотохимический.

2.5 Выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы и выбор шага установки ИМС

Габаритные размеры ПП должны соответствовать ГОСТ 10317-79 при максимальном соотношении сторон 5:1. Рекомендуется разрабатывать печатные платы простой прямоугольной формы.

Толщина ПП определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин одно- и двусторонних ПП являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм.

В нашем случае размер печатной платы будет составлять 92,5х92,5 мм, что не превышает допустимых размеров печатной платы для выбранного класса точности.

2.6 Конструкторско-технологический расчет

1. Определим минимальную ширину печатного проводника для шин питания и «земли» на постоянном токе.

(2.1)

гдеI_max - максимальный ток, который протекает в проводниках;

j_доп - допустимая плотность тока, j_доп = 48 А/мм²

t_пров - толщина проводника, t_пров = h_ф + h_гм + h_хм ;

гдеh_ф - толщина фольги;

h_гм - толщина гальванически осажденной меди h_гм = 0,055 мм;

h_хм - толщина химически осажденной меди h_хм = 0,0065 мм.

t_пров = 0,035 + 0,055 + 0,0065 = 0,0965 (мм).

Так как на схеме существуют две цепи питания +3,3 В и +5 В выберем ту цепь, в которой ток больше и все дальнейшие расчеты будем проводить для этой цепи. Токи для цепей питания для удобства сведем в таблицу 2.1

Таблица 2.1

а) для цепи питания +3,3 В б) для цепи питания +5 В

Название элемента	Ток, мА		Название элемента	Ток, мА
МК C8051F320	10		Аккумулятор (заряд)	5
Кварцевый генератор CFPS-73	15		Питание USB	20
ЭППЗУ M24512	2		ЖКИ - индикатор (вместе c подсветкой)	6,7
Часы реального времени DS1337	0,2		Порт МК Р1.4 (Кнопка «USB»)	0,27
Шина I2C (2 провода)	0,66
Вход M24512 Е0	0,33		Вход МК «Regin»	5
Вход МК «RST»	0,15
	У= 28,34			У= 36,97

Видно, что максимальное количество тока протекает по цепи питания +5 В. Округлим значение I_max до I_max = 37 мА.

Получаем(см. формулу 2.1):

b_min1 = 37/ ( 1000 Ч 48 Ч 0,0965) = 0,0081 ( мм )

2. Определим минимальную ширину проводника с расчетом падения напряжения на нем.

где с - объемное удельное сопротивление фольги для данного метода изготовления проводника, с = 0,0175 (Ом Ч мм² )/м;

l_пр - самый длинный проводник, l_пр = 0,045 м;

t_пров = 0,0965 мм.

I_max = 37 мА = 0,037 А

U_доп - допустимое напряжение 5% от Е_{питания,}, U_доп = 0,25В.

Тогда (см. формулу 2.2):

Следовательно, по результатам пп.1, 2 проектируемая ПП удовлетворяет классу точности 4.

3. Определим минимальное значение диаметра монтажных и переходных отверстий.

где d_е - диаметр вывода элемента, d_е= 0,4 (мм), выбранный согласно ГОСТ 10317-79.

d_но - нижняя граница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода, (d_но.м.= 0,1 мм для монтажных отверстий и d_но.п.= 0,18 мм - для переходных отверстий)

r_м = 0,1 мм.

В результате, для монтажных отверстий получаем

Для переходных отверстий (формула 2.3):

4. Определим диаметр контактных площадок.

гдеh_ф = 0,035 мм

D_1min - минимальный эффективный диаметр площадки:

где b_ПО - расстояние от края отверстия до края площадки, b_m = 0,1 мм;

д_д - погрешность размещения центра отверстия, д_д = 0,05 мм;

д_р - погрешность размещения контактных площадок, д_р = 0,05 мм

d_max - максимальный диаметр монтажного отверстия:

где Дd - допуск на отверстие, Дd = 0,05;

Тогда

Максимальный диаметр контактной площадки:

5. Определим ширину проводников.

Минимальная ширина проводников:

где b_1min= 0,15 мм, по ГОСТ 23751-86 для печатных плат 4-го класса точности

h_ф = 0,035 мм



Максимальная ширина проводников:

6. Определим минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

где L₀ - расстояние между центрами двух элементов L₀ = 1,524 мм;

_l - допуск на размещение проводников _l = 0,03 мм;

Остальные параметры были вычислены раньше:

D_max = 1,242 мм

д_p = 0,05 мм

д₁ = 0,05 мм

b_max = 0,2425мм

Имеем,

Минимальное расстояние между центрами двух контактных площадок:

Минимальное расстояние между центрами двух проводников:

Расчеты показывают, что расстояние между КП, а также проводником и КП соответствует 4-му классу точности.

2.7 Электрический расчет

1. Определение допустимого падения напряжения на единицу длины проводника.

2. Определение потери мощности.

где f = 1, так как напряжение постоянное,

tg д = 0,002

С - емкость ПП:



где е = 5,5 - диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита, покрытого защитным слоем лака[];

F =6475 мм² -площадь металлизации (длина -70 мм, ширина- 92,5 мм);

h = 1,5 мм - толщина ПП;

Тогда

и

3. Определим величину паразитной поверхностной емкости между двумя проводниками.

а) в случае, когда два проводника находятся в одном слое

С_пар = К_п•е• L₁

где К_п -- коэффициент пропорциональности, определяемый по Прлож 2, пФ/см (для нашего случая К_п=0,15);

е -диэлектрическая проницаемость среды(для нашего случая е=5,5)

L₁ -- длина взаимного расположения проводников, см(для нашего случая L₁ =6,35)

Тогда

С_пар = К_п•е• L₁ =0,15•5,5• 6,35=5,23(пФ)

б) в случае, когда два проводника находятся в разных слоях

С_пар = К_п•е• L₂

где К_п -- коэффициент пропорциональности, определяемый по Прлож 2, пФ/см (для нашего случая К_п=0,2);

е -диэлектрическая проницаемость среды(для нашего случая е=5,5[])

L₂ -- длина взаимного перекрытия проводников, см(для нашего случая L₂ =1,27)

Тогда

С_пар = К_п•е• L₂ =0,2•5,5• 1,27=1,39(пФ)

4. Рассчитаем паразитную индуктивность шины питания (ШП)

где l_п = 58,42 мм - длина максимальной области

h = 0,035мм - толщина проводника

b_n = 0,508 мм - ширина проводника

2.8 Тепловой расчет

При высоких значениях температуры в полупроводниковых структурах происходят химические реакции, способные привести к их разрушению. Даже в диапазонах рабочих температур токи утечки через малые дефекты в окисле кремния могут вызывать локальный нагрев, в результате чего температура поднимается до таких значений, при которых реакция поглощения усилится и разрушит пленку окисла.

Температурный или тепловой режим, то есть пространственно-временное изменение температуры, влияет на помехоустойчивость и интенсивность отказов элементов (помехоустойчивость уменьшается с увеличением температурного градиента между кристаллами, а интенсивность отказов увеличивается при возрастании абсолютной температуры).

Цель этого расчета состоит в определении теплового режима работы отдельных элементов и всего устройства в целом. Если тепловой режим отличен от нормального то необходимо использовать дополнительные меры по отводу тепла. Тепловой режим называется нормальным, если температура элементов конструкции равна или ниже допустимых значений по техническому заданию.

В схеме присутствуют 2 источника питания, использующие ИМС -LM317 к которым подключены остальные микросхемы. Рассчитаем, какая мощность рассеивается на этих ИМС. На вход этих микросхем с трансформатора HRE3011 подается U_пит.вх = +16,9 В. Наибольшее рассеиваемая мощность будет на стабилизаторе напряжения, на выходе которого U_{пит.вых} = + 3,9В, поэтому все расчеты будут производится для этой цепи.

Очевидно, что напряжение, которое будет рассеиваться на этом элементе, будет равно

ДU = U_пит.вх - U_{пит.вых} = 13 (В)

Ток будет определяться как суммарный ток потребления всех активных компонентов, подключенных к микросхеме стабилизатора напряжения LM317.

Как видно из таблицы 2.1 а), суммарный ток по цепи питания +3,3 В равен I_У=28,34мА. Тогда

Р_{LM1117.рассеив.} = ДU* I_У =13 * 28,34*10^-3 = 368,42 (мВт)

Поскольку корпус этой микросхемы - ТО220, который может рассеивать мощность до 500 мВт, и установка микросхемы является такой, при которой корпус будет рассеивать мощность в штатном режиме работы - делаем вывод, что для такой ИМС радиатор не нужен.

2.9 Расчет вибропрочности

Расчет вибропрочности является важным критерием оптимальной работоспособности изделия, так как при возникновении резонанса печатная плата испытывает кратковременные перегрузки, которые могут достигать десятков g, что приводит к ее разрушению.

Для такого расчета зададимся следующими данными:

- количество элементов - N, шт

- е = 0.06 (коэффициент затухания);

- n = 8, (т.е. 8g), g = 9.8 м/с² (коэффициент перегрузок);

- f - частота вибрации, f = 0…250 Гц;

- N = 3 (коэффициент запаса прочности).

- Материал платы - стеклотекстолит с параметрами

предел текучести - ;

модуль Юнга - ;

коэффициент Пуассона - ;

коэффициент затухания - ;

удельный вес - ;

Данные по элементам занесем в таблицу 2.2.

Табл.2.2. Суммарный вес ЭРЭ

Элемент	Количество	Вес, г	Суммарный вес, г
Электролит. конденсатор ECR	5	1,2	6
SMD конденсатор	5	0,2	1
SMD резистор	19	0,2	3,8
Диод BAS216	3	0,4	1,2
Диод BAT54	2	0,5	1
Микросхема W08	2	2	4
Микросхема CFPS-73	1	1,5	1,5
Микросхема C8051F320	1	4	4
Микросхема DS1337	1	1,8	1,8
Микросхема M24512	1	1,8	1,8
Микросхема USB6B1	1	1,8	1,8
Микросхема LM317	1	1,6	1,6
Кварцевый резонатор MMTF32	1	1,4	1,4
Разъем RAPC322	1	15	15
Разъем USB-A-Female	1	5	5
Разъем PLS-6	1	2	2
Кнопка миниатюрная PS580L/N	4	3	12
ЖКИ-модуль WH0802A	1	20	20
Батарея питания LIR2477	1	7	7
Резистор прецезионный МОН	2	0,4	0,8
Потенциометр P3329H-1-101	1	0,8	0,8
Трансформатор HRE301107	1	68	68
Трансформатор E2006	1	29	29

1) Рассчитываем массу платы при ее габаритах, a х b х h - 92,5 х 92,5 х 1,5

2) Рассчитываем массу платы и ЭРЭ

У m = m_ЭРЭ + m_платы = 190,5 + 26,31 = 216,81 (г)

3) Определяем коэффициент влияния, который показывает отношение массы элементов к массе платы

4) Определяем параметр б, при условии того, что плата опирается по 4 сторонам

5) Определяем цилиндрическую жесткость D

6) Определяем собственную частоту печатной платы f_c

Тело не является абсолютно устойчивым (так как f_с <250 Гц), поэтому требуется дальнейший расчет. Полный расчет будет производится для частоты 5 Гц; результаты расчета до частоты 250 Гц с шагом дискретизации 5 Гц будут приведены в таблице 2.3. Для удобства, по результатам расчета, будет построен график зависимости у( f ).

7) Определение амплитуды вибраций на собственной частоте A

8) Определение коэффициента динамичности K_g, который показывает, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний отличается от амплитуды собственных

9) Определение величины динамического прогиба W_g.

10) Определение эквивалентной этому прогибу равномерно распределенной динамической нагрузки P_g.

Для данного способа закрепления (при условии a=b ): . Тогда



11) Определение максимально распределенного изгибающего момента M_max.

12) Дополнительное напряжение с учетом коэффициента запаса прочности для материала платы.

13) Проверяем условия вибропрочности.

Табл. 2.3. Зависимость у( f )

f, Гц	у, Н/м		f, Гц	у, Н/м		f, Гц	у, Н/м
5	1,24		95	1,54		185	4,60
10	1,25		100	1,58		190	5,37
15	1,25		105	1,63		195	6,48
20	1,25		110	1,68		200	8,17
25	1,26		115	1,73		205	10,96
30	1,27		120	1,80		210	15,69
35	1,28		125	1,87		215	20,61
40	1,29		130	1,95		220	17,17
45	1,30		135	2,04		225	11,64
50	1,31		140	2,14		230	8,30
55	1,33		145	2,26		235	6,33
60	1,35		150	2,40		240	5,06
65	1,37		155	2,56		245	4,20
70	1,39		160	2,74		250	3,57
75	1,41		165	2,97		245	4,20
80	1,44		170	3,25		250	3,57
85	1,47		175	3,59
90	1,50		180	4,03

Рис.2.1 Зависимость у_max от частоты

Как видно на рис. 2.1, на резонансной частоте значение у_max намного меньше значения предела текучести у_т. Таким образом, проектируемая печатная плата обладает хорошей вибропрочностью и не нуждается в дополнительных конструкциях для уменьшения перегрузок.

2.10 Расчет основных параметров надежности