Разработка логического модуля с источником питания в сети

Курсовой проект выполнили: Tony, FreekkeR. НАШИЗАВАШИ!

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д. Н. Прянишникова»

ФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНОЙ ИНФОРМАТИКИ

кафедра информационных технологий и автоматизированного проектирования

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

Тема: «РАЗРАБОТКА ЛОГИЧЕСКОГО МОДУЛЯ С ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ ОТ СЕТИ»

Студента группы ИС-21

Белогуров Александр

Научный руководитель:

старший преподаватель

____________ /Буймов М.Е. /

Автор работы:

____________/ Белогуров

Пермь - 2010

Введение

Цель проектирования:

- приобретение практических навыков в разработке узлов цифровой аппаратуры и электротехнических устройств;

- ознакомление с технической документацией, применяемой при производстве аппаратуры;

- приобретение навыков электромонтажных работ с использованием измерительных приборов

Задачи проектирования:

- разработка принципиальной электрической схемы логического модуля, чертежа печатной платы и сборочного чертежа для него, как типового элемента замены;

- разработка принципиальной электрической схемы блока питания с заданными параметрами для питания аппаратуры;

- расчет надежности и быстродействия логического модуля;

- изготовление макета логического модуля и проверка правильности его работы.

Задание на курсовой проект

Курсовой проект (КП) выполняется по индивидуальным вариантам

Задание для данной работы приведено в Таблице 1.

Таблица 1. Задание на курсовой проект

№ ВАР.	ВХОДНОЙ КОД ЛУ	UН1	UН2	ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ UН1 , UН2	ТИП СВ	РАЗЪЕМ
		IH1,A	КП1	UН2, B	IН2, КП2 A			ЦЕПЬ	КОНТАКТ
3	2659	3	0,01	24	3 0,06	-UН2,-UН2	1	-U1 +U1 -U2 +U2 X3 X2 X1 X0 Y	1 2 4 5 6 7 9 10 12

UПИТ = 220 +/- 5 В, 50 Гц.

Напряжение U2 имеет отклонение +/- 20 % от номинала.

ЛОГИЧЕСКИЕ УРОВНИ СИГНАЛОВ Х3,Х2,Х1,Х0 и сигнала Y СООТВЕТСТВУЮТ УРОВНЯМ МИКРОСХЕМ ТТЛ-ТЕХНОЛОГИИ.

1. Проектирование модуля ТЭЗ

1.1 В соответствии с вариантом входной код логического устройства (ЛУ) У10=2659

Представим в виде 16-разрядного двойного числа У2=0000 1010 0100 1011 и заполним таблицу истинности (ТИ) (Таблица 2):

По ТИ запишем СДНФ для функции

и минимизируем её. В результате минимизации получим:

У=

Рисунок - 1

1.2 Разработка принципиальной электрической схемы (ПЭС)

По ФЭС ЛМ в базисе элементов И, ИЛИ, НЕ составим ФЭС в базисе элементов И-НЕ, которая будет иметь вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок - 2. Функциональная электрическая схема в базисе И-НЕ.

1.3 Разработка принципиальной электрической схемы (ПЭС) логического модуля и чертежа печатной платы (ЧПП) для него

Анализ ФЭС. Логический модуль (ЛМ) показывает, что для её реализации требуются элементы:

-- 2 И-НЕ - 4 шт.

-- 3 И-НЕ - 3 шт.

-- 4 И-НЕ - 2 шт.

Для реализации, согласно данных элементов в базисе И-НЕ (микросхем типа ЛА), потребуется:

-- 155ЛА3 (4 элемента 2 И-НЕ) -- 1 корпус

-- 155ЛА4 (4 элемента 3 И-НЕ) -- 1 корпуса

-- 155ЛА1 (1 элемент 4 И-НЕ) -- 1 корпуса

Следовательно, для реализации ЛМ требуются по одной микросхеме 155ЛА4,

155ЛА3, 155ЛА1

Рисунок - 3 Логическая модель в Electronics Workbench

Рассчитаем общее энергопотребление ЛМ. Согласно справочным данным [3], энергопотребление микросхем 155ЛА3 составляет 40 мВт, 155ЛА1 - 55 мВт, 155ЛА4 - 30 мВт. Следовательно, энергопотребление составляет

РУ=40+55+30=125(мВт)=0,125(Вт)

Рассчитаем ток, потребляемый ЛМ

IУmax= РУ/U=0,125/5 =0.025(А)

По справочным данным [2] выбираем тип интегрального стабилизатора напряжения (ИСН) 142 ЕН5А со следующими данными: +Uвых=5±0.1В, Iнmax=3А, КU=0.05%/В, КI=2 %, Iпотр=10 мА, Uвхmax=15 В, Uвхmin=7.5 В, Uвых- Uвхmin=2.5 В.

Для питания ИСН выберем диапазон Uвх=9ч13В и рассчитаем мощность рассеиваемой ИСН

Ррас max=(Uвх max - Uвых)*Imax + Pпот=(Uвх max - Uвых)*Imax +Uвх min*Iпотр

Ррас max= (13-5)*0,025+9*0,01 = 0,29Вт.

Т.к. Ррас max<1 Вт, то применение радиатора не требуется.

Согласно схеме включения м/с 142 ЕН5А требуется на входе включить конденсатор емкостью С1=50 мкФ, а на выходе С2=10 мкФ. С учетом значений входного и выходного напряжения выбираем С1 типа К50 - 16 (25Bч10% (h=13,A=2.5,ш=10.5), а С2 типа К50 - 16 (10Bч10%) (h=13,A=2.5,ш=6)

Для разработки чертежа печатной платы (ЧПП) требуется определить ширину печатных проводников для информационных сигналов и для подключения питания.

По логическим связям ток потребления IУmax=0.01А. Ширину печатного проводника питания можно определить из формулы

qдоп=IУmax/(h*б),

где qдоп - допустимая плотность тока, согласно заданию q ? 0.5 А/мм2

д - толщина проводящих дорожек, согласно записям д =0.05 мм

h - ширина проводника

Следовательно

hпит?q* д / IУmax?0.8 мм (1)

Согласно задания hmin=0.5 мм, выбираем ширину печатного проводника для цепей питания равной 1 мм.

По справочным данным ИМС 155 серии определяем максимальное значение I0,1вхmax. Для ЛА3 иЛА1 эта величина составляет I0 вхmax=2 мА, т.о. ток в информационных проводниках будет превышать 2 мА, следовательно из (1) можно определить ширину проводника

hинф?q* д / I0 вхmax ?0.01 мм

С учетом величины выбираем hинф=1мм.

В результате был разработан чертеж печатной платы (рисунок 3).

2.Изготовление макета логического модуля

Макет ЛМ выполнялся на выбранных элементах монтажом на печатной плате. В качестве основания платы использован негорючий изоляционный материал стеклотекстолит. Печатная плата выполнялась самостоятельно методом «Лазерного принтера и утюга». Изготовление макета логического модуля осуществлялось в следующем порядке: распечатывается чертеж печатной платы на лазерном принтере на глянцевую бумагу, затем прикладывается к стеклотекстолиту и при помощи утюга нагревается и проглаживается. Затем плата остужается в холодной воде, размачивается бумага и удаляется. Далее стеклотекстолит с нанесенным рисунком помещается в раствор «хлорное железо» и травится некоторое время в зависимости от концентрации раствора 10ч120 минут. Вытравленная плата зачищается от краски принтера. Затем на места пайки наносится канифоль, размещаются все элементы схемы согласно чертежу ЛМ и осуществляется пайка. Производится проверка на соблюдение размеров платы, расположение на ней элементов и мест выводов разъема согласно чертежу печатной платы.

Правильность работы ЛМ проверяется преподавателем на лабораторном стенде.



Рисунок 4 Чертеж печатной платы логического модуля

3. Разработка принципиальной электрической схемы (ПЭС) для блока питания (БП)

Блока питания реализуется по функциональной электрической схеме реализованной на рисунке 4

Курсовой проект выполнили: Tony, FreekkeR. НАШИЗАВАШИ!

Рисунок 5. Функциональная схема блока питания

Схема выпрямления 1-фазная 1-полупериодная (СВ 1)

Параметры источника U2 определены полностью заданием:

Величина напряжения второго источника равна

Величина силы тока второго источника равна

Коэффициент пульсации нагрузки равен

Для источника питания U1 заданием определено:

Величина силы тока для первого источника питания

Коэффициент пульсации нагрузки равен

Величина напряжения выбрана в разделе: расчет логического модуля.

3.1 Определение максимальной мощности нагрузок

Максимальная мощность

Максимальная мощность

Суммарная мощность

3.2 Определение габаритной мощности трансформаторов

где

Определение габаритной мощности первого трансформатора

Определение габаритной мощности второго трансформатора

3.3 Расчет действующего значения напряжения на вторичной обмотке:

;

;

Определяем максимальное значение тока во вторичной обмотке трансформатора

3.4 Выбор трансформатора для первого источника питания по приложению[1]

ТПП 321-127/220-50 (11-12,15-16,21-22)

Имеет номинальную мощность ; ток первичной обмотки 2,03/1,15А; ток вторичных обмоток .

Выбор трансформатора для второго источника питания.

Для второго источника питания одного трансформатора будет не достаточно т.к. максимальная мощность трансформатора 200ВА. Необходимо использовать 2 одинаковых трансформатора с одинаковыми обмотками.

ТПП 303-127/220-50 (17-18,13-14,15-16,21-22)

Имеет номинальную мощность ; ток первичной обмотки 1,53/0,880;

ток вторичных обмоток .

Выбор диода для схемы выпрямителей:

Выберем диод KД213A т.к. он удовлетворяет

Допустимые параметры диода:

3.5 Определяем необходимость установки радиатора

Определим необходимость радиатора для диодов первого источника питания

10% рассеивается диодом

Ризб=3-1=2

Определим необходимость радиатора для диодов второго источника питания

Ризб=3-1=2

3.6 Расчет емкостей С-фильтров для источников питания.

Расчет конденсаторов для источника питания

Кпсв=1,57

СФ=КСГЛ/(2рfПRHmin) где fП=50 Гц

Рассчитаем конденсатор для первого источника питания

Коэффициент сглаживания равен

Эквивалентное сопротивление нагрузки равно

Емкость фильтра равна

По справочнику[2] выберем конденсатор для первого источника питания.

Для первого источника питания необходимо 18 конденсаторов типа К50-24-10000мкФ-16В

3.7 Рассчитаем конденсатор для второго источника питания

Коэффициент сглаживания равен

Эквивалентное сопротивление нагрузки равно

Емкость фильтра равна

По справочнику[2] выберем конденсатор для второго источника питания:

Для второго источника питания необходимо 5 конденсаторов типа К50-24-2200мкФ-40В

3.8 Выполним проверку, определим, подходят ли нам выбранные трансформаторы

Выполним проверку для первого трансформатора

Номинальное напряжение на трансформаторе будет равно

Коэффициент трансформации равен

Выполним проверку для второго трансформатора

Номинальное напряжение на трансформаторе будет равно

Коэффициент трансформации равен

Из проверки видно, что оба трансформатора соответствуют необходимым требованиям.

3.9 Реализация ПЭС БП

По произведенным расчетам, реализуется принципиальная электрическая схема блока питания (Рисунок 5).



Рисунок 6. Принципиальная электрическая схема блока питания

3.10 Моделирование работы БП

При разработке современного радиоэлектронного оборудования невозможно обойтись без компьютерных методов разработки, ввиду сложности и объемности выполняемых работ.

Разработка радиоэлектронных устройств требует высокой точности и глубокого анализа. Electronics Workbench может применяться как на предприятиях, занимающихся разработкой электрических цепей, так и высших учебных заведениях, занимающихся изучением и разработкой радиоэлектронных устройств

Убедимся в правильности расчетов. Для этого произведем моделирование работы БП для номинальных значений напряжения сети и идеальных характеристиках элементов с помощью программы WB. По результатам моделирования представим экранные слайды для составленной модели с результатами измерений выходных напряжений БП и осциллограмм выходных напряжений, подтверждающих правильность расчетов.

Построим схему блока питания, который реализован на чертеже печатной платы (рисунок 5).



Рисунок - 7 Схема БП в программном продукте Electronics Workbench

Далее оценим график осциллографа для этой схемы (рисунок 5)

Рисунок - 8 График осциллографа

Исходя из графика, полученного на осциллограмме, делаем вывод, что емкостные фильтры и схема выпрямления успешно выполняют свои задачи. После начала моделирования график стремится в положительную зону и не проваливается ниже нулевой линии, что свидетельствует о стабильном постоянном напряжении, а также после полного заряда емкостей уровни напряжений выравниваются и далее в процессе моделирования имеют стабильные значения. Исходя из результатов моделирования можно сказать, что вышеизложенные расчеты были выполнены правильно. Выбранные трансформаторы, емкостные фильтры и диоды для схемы выпрямления изумительно подходят для данного блока питания.

Расчет коэфициента пульсации:

4. Расчет надежности

Надежность определяется как вероятность безотказной работы за время, равное 10000 час.

4.1 Определяем вероятность безотказной работы

Для питания м/с источник питания. =>

По графической зависимости для определяем коэффициент отказа

где t=10000 часов[ ]

Коэффициент безотказной работы равен p=0,999; q=0,001

Коэффициент безотказной работы для четырех микросхем равен

4.2 Интенсивность отказов элементов 142 серии

зависит от коэффициента использования элемента по рассеиваемой мощности КРисп = Ррас/Ррас.макс.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность для данного элемента равна

Рассеиваемая мощность равна

Коэффициент отказа равен

Коэффициент безотказной работы равен

4.3 Интенсивность отказов электролитических конденсаторов зависит от коэффициента использования элементов по напряжению

КUисп = Uпит / Uмакс.

С1=10мкФ

Umax=16B

Uпит=12B

КUисп= Uпит / Uмакс=12/16=0,75

Коэффициент отказа равен

Коэффициент безотказной работы равен q=0,095

Коэффициент безотказной работы для двух элементов равен

4.4 Интенсивность отказов печатных проводников зависит от их сечения, плотности тока в проводнике и его длины

Плотность тока 0,25 А/мм2

Длина всех печатных проводников Lпр.= 1200мм.=1,2м.

Коэффициент безотказной работы для 0,1м проводников шириной 0,5 мм. и 1 мм. примерно одинаков и равен

Вероятность безотказной работы для 1м печатных проводников составляет 0.98214

4.5 Интенсивность отказов межслойных переходов составляет 2,3-3*10-8 час-1 [ ]

Коэффициент отказа равен

Вероятность безотказной работы равен

На печатной плате всего 55 межслойных переходов.

Вероятность безотказной работы для 55 элементов в виду громоздкости вычислений рассчитывается на компьютере при помощи прикладного языка программирования Visual Basic. В результате она составляет = 0,7456

4.6 Вероятность безотказной работы 7 продублированных элементов разъема

ОГВШ также рассчитывается на компьютере при помощи прикладного языка программирования Visual Basic и составляет 0,8454

5. Расчет быстродействия логического модуля

Расчет надежности определяется как максимальное время задержки прохождения по наибольшему пути элементов схемы. Микросхемы имеют следующие время задержки:

К155ЛА3=22 нс; К155ЛА1=22 нс; К155ЛА4=22 нс.

Итак, время задержки равно:

22+22+22=66 нс

Заключение

При выполнении курсового проекта по индивидуальному заданию разработана принципиальная электрическая схема логического модуля, чертежа печатной платы и сборочного чертежа для него, как типового элемента замены. Также разработана принципиальная электрическая схема блока питания с заданными параметрами для питания аппаратуры. Изготовлен макет логического модуля и успешно произведена проверка правильности его работы. Тем самым получены практические навыки в разработке узлов цифровой аппаратуры и электротехнических устройств, получены навыки работы с технической документацией, применяемой при производстве аппаратуры. При изготовления макета логического модуля приобретены навыки электромонтажных работ с использованием измерительных приборов.

Таким образом, при проектировании курсового проекта были достигнуты все обозначенные цели. Успешно выполнены все задачи проектирования.

Список использованной литературы

1. М.Е Буймов, «Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Электротехника и Электроника». - Пермь: ПГСХА, 2006.

2. М.Ю. Маслеников Справочник Разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. - М.:1993

3. В.В. Сапаров «Системы стандартов в электросвязи и радиоэлектронике».- М.: Р и С,1985

4. М.И. Богданович «Цифровые интегральные микросхемы».- Минск: Беларусь, 1991

5. С. В, Якубовский «Аналоговоые и цифровые интегральные схемы».- М.:Советское радио», 1979

6. С.А. Бирюков «Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП», изд-во ДМК, Москва, 2000г.

7. Tony, FreekkeR: «Методическое пособие «НАШИЗАВАШИ» г. Пермь 2008г.

Размещено на Allbest.ru