Разработка схемы электрической принципиальной микроконтроллерного зарядного устройства с контролем уровня заряда элементов по их температуре

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Анализ технического задания

1.2 Описание схемы электрической принципиальной

1.3 Особенности микропроцессора PIC16F876

2. Исследовательская часть

2.1 Обоснование выбора элементов

2.1.1 Обоснование выбора резисторов

2.1.2 Обоснование выбора конденсаторов

2.1.3 Обоснование выбора микросхем

2.1.4 Обоснование выбора диодов

2.1.5 Обоснование выбора транзисторов

3. Расчётная часть

3.1 Расчёт надёжности прибора

3.2 Расчет коэффициента заполнения печатной платы

3.3 Расчет электрического трансформатора

4. Конструкторская часть

4.1 Обоснование разработки трассировки печатной платы

4.2 Обоснование разработки компоновки печатной платы

4.3 Описание конструкции

5. Технологическая часть

5.1 Технология изготовления печатных плат

5.2 Наладка устройства

6. Организационная часть

6.1 Организация рабочего места оператора при эксплуатации аппаратуры

7. Экономическая часть

7.1 Расчет себестоимости контрольного зарядного устройства

8. Охрана труда

8.1 Техника безопасности при эксплуатации электронной аппаратуры

Заключение

Литература

Приложение



Введение

Развитие электроники в период (60-е-70-е годы) составляет эпоху полупроводниковой техники и собственно электроники. Электроника внедряется во все отрасли науки, техники и народного хозяйства. Являясь комплексом наук, электроника тесно связана с радиофизикой, радиолокацией, радионавигацией, радиоастрономией, радиометеорологией, радиоспектроскопией, электронной вычислительной и управляющей техникой, радиоуправлением на расстоянии, телеизмерениями, квантовой радиоэлектроникой и т.д.

В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались бесцокольные (пальчиковые) и сверхминиатюрные лампы, что даёт возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп.

Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и теории полупроводников, разрабатывались способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки и введения примесей. Большой вклад в развитие физики полупроводников внесла советская школа академика А.Ф.Иоффе.

Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства. В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германиевые диоды. В 1948 г. американские учёные Бардин и Браттейн создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Позднее был разработан кремниевый точечный триод. В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления р-п- переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д.

Развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризуется повышением рабочих частот и увеличением допустимой мощности. Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из областей электроники.

Широкое внедрение цифровой техники связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имеют значительные габариты и массу, ненадежно работают из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений. Интегральные микросхемы, содержащие десятки, сотни, а иногда и тысячи активных элементов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной интегральной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный элемент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции. В результате стало возможным собирать сложнейшие устройства, изготовить которые без использования интегральных микросхем было бы совершенно невозможно.

Научно-технический прогресс неутомимо идет вперед, в результате не только в промышленной, но и в бытовой технике все шире используются встроенные компьютерные системы на основе микроконтроллеров. Они широко применяются в персональных компьютерах и их периферийных устройствах, стиральных машинах, музыкальных центрах и т. д. Средний импортный автомобиль имеет порядка 15 микроконтроллеров, управляющих различными системами автомобиля.

В дипломном проекте представлена разработка микроконтроллерного зарядного устройства с контролем по температуре элементов питания.



1. Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Диапазон рабочих частот (МГц)………………...................5,138…20,838

Типы заряжаемых элементов питания……………………...Ni-MH, Ni-Cd

Количество разрядно-зарядных ячеек…………………………........... 4

Ток зарядки элементов (А) ……………………………….………......... 0,5

Ток разрядки элементов (А) ……………………………….……....... 0.18

Погрешность термоконтроля (C^o) ……………………...........…………0,5

Целью дипломного проекта является разработка схемы электрической принципиальной микроконтроллерного зарядного устройства с контролем уровня заряда элементов по их температуре. По схеме электрической принципиальной необходимо произвести обоснование выбора радиоэлементов по их электрическим параметрам.

В конструкторской части необходимо провести обоснование разработки трассировки и компоновки печатной платы.

В расчетной части необходимо произвести следующие расчеты:

ь расчет надежности;

ь расчет коэффициента заполнения печатной платы;

ь расчет электрического трансформатора;

ь расчет себестоимости.

В дипломном проекте необходимо провести обзор разделов по технологической, организационной части и по технике безопасности.

1.2 Описание схемы электрической принципиальной

Схема контрольного зарядного устройства представлена на рисунке 1.2.1. Зарядное устройство спроектировано на микроконтроллере PIC16F876, регистре IN74HC164N, дисплее GNQ-5641BUE и четырех датчиках температуры DS1620 фирмы "Dallas-Maxim".

Рисунок 1.2.1- схема электрическая принципиальная

Последний оформлен в виде микросхемы в корпусе DIP-8. Программирование датчика производится по трехпроводному интерфейсу -- линиям установки датчика в исходное состояние, синхронизации и данных. По тому же интерфейсу можно получить текущее значение температуры окружающей среды, прочитать необходимую служебную информацию.

Микроконтроллер DD5 обрабатывает информацию, поступающую от узла измерения температуры, собранного на датчиках DD1-DD4, и выводить информацию о текущих процессах на узел индикации, собранный на регистре DD6, транзисторах VT2-VT5 и четырехразрядном семиэлементном светодиодном индикаторе HG1. Микроконтроллер так же управляет напряжением на аккумуляторах, подключаемых к контактам X1-X8, и контролирует 4 разрядно-зарядные ячейки, собранные по одинаковой схеме.

Каждая из ячеек состоит из стабилизатора тока на микросхеме 1DA1 с токозадающими резисторами 1R2, 1R3, электронных ключей 1VT1-1VT3 и двух индикаторов: индикатора разрядки на светодиоде 1HL2 желтого цвета свечения, и индикатора зарядки на светодиоде 1HL1 красного цвета свечения.

В режиме зарядки открыты транзисторы 1VT1, 1VT2, и осуществляется зарядка аккумулятора, подключенного к контактам X1 и X2. В режиме разрядки эти транзисторы закрываются, открывается 1VT3 и аккумулятор разряжается через транзистор и 0,5-ваттный резистор 1R9. Для принудительного охлаждения элементов разрядно-зарядных ячеек и встроенного в конструкцию блока питания применен вентилятор М1, питающее напряжение на который поступает с транзистора VT1. Напряжение питания микроконтроллера и остальных цифровых микросхем стабилизировано микросхемой DA1.

После подачи питающего напряжения на узел управления, на индикатор выводится число 2005 для проверки индикации, потом производится инициализация четырех датчиков температуры DD1-DD4 с последующем измерением температуры окружающей среды и фиксированием измеренного значения в памяти. Впоследствии эти данные будут использованы для контроля повышения температуры аккумуляторов и принятия решения о прекращении их зарядки. Затем микроконтроллер последовательно проверяет наличие подключенных аккумуляторов. При отсутствии напряжения на контакте X1 микроконтроллер принимает решение о том, что аккумулятор не установлен и переходит к анализу напряжения на остальных ячейках. Если аккумулятор подключен, и его напряжение > 1 В, ячейка включается в режим разрядки, о чем сигнализирует светодиод 1HL2.

Как только напряжение аккумулятора станет менее 1 В, микроконтроллер переключит соответствующую ячейку в режим зарядки, о чем просигнализирует светодиод 1HL1. В этом режиме происходит периодический контроль температуры и напряжения аккумулятора, и когда температура повысится на восемь градусов относительно зафиксированной в памяти, зарядка соответствующего аккумулятора прекратится. Если при включении ЗУ, напряжение аккумулятора не превышает 1 В, то режим зарядки включается сразу.

В процессе зарядки, последовательно контролируя ячейки, микроконтроллер выводит на индикатор HG1 значения температуры и напряжения каждого аккумулятора. В первых трех старших разрядах сначала индицируется температура, затем напряжение, а в младшем - номер ячейки, в которой производятся измерения.

При включении режима зарядки хотя бы одного аккумулятора начинает работать вентилятор. Его напряжение питания меньше номинального (примерно 8,5 В), поэтому его крыльчатка вращается медленнее, но производительности достаточно для охлаждения элементов устройства. После окончания зарядки всех аккумуляторов вентилятор прекращает работу.

1.3 Особенности микроконтроллера PIC16F876-04/P

PIC16F876-04/P представляет собой высокопроизводительный 8-битный микроконтроллер в корпусе PDIP с RISC-архитектурой. Ниже приведены его особенности.

· Только 35 инструкций для программирования, все команды выполняются за один цикл

· 13 сигналов прерывания

· Встроенный RC-генератор

· Тактовая частота -- 4 МГц

· 8К внутренней FLASH-памяти

· 368 байт RAM

· 256 байт EEPROM

· Поддержка прямой, косвенной, и относительной адресации

· Сброс по подаче питания (PoR)

· Таймер задержки по включению питания (PWRT)

· Таймер стабилизации генератора тактовой частоты (OST)

· Сторожевой таймер (WDT)

· Режим сна для энергосбережения

· Технология In-Circuit Serial Programming, позволяющая быстро перепрограммировать микроконтроллер через 2 вывода

Встроенная периферия

· Timer0: 8-битный таймер/счетчик c 8-битным предварительным делителем.

· Timer1: 16-битный таймер/счетчик с предварительным делителем.

· Два модуля захвата, сравнения, ШИМ

· 10-битный аналоговый мультиканальный АЦП

· Универсальный синхронно-асинхронный последовательный приемопередатчик (USART/SCI)

· Встроенный калиброванный RC-генератор

Диапазон рабочего напряжения: 2,0 -- 5,5 В

Потребляемый ток менее 0,6 мА при 3В, 4 МГц

Потребляемый ток менее 1 мкА в режиме ожидания

Рисунок 1.3.1 - Структурная схема микроконтроллера PIC16F876



2. Исследовательская часть

2.1 Обоснование выбора элементов схемы

2.1.1 Обоснование выбора резисторов

Резисторы являются одними из самых распространённых элементов РЭА.

Все резисторы выбираются по требуемому номинальному значению и мощности. Иногда в особо точных схемах учитывается допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления. Допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления зависит от типа резистора: композиционный, проволочный или угольный. Выбирая резисторы по мощности, определяется мощность рассеяния на каждом резисторе отдельно по формуле P=U•I, P=U2/R, P=I²•R, выведенные из закона Ома. Полученная величина увеличивается вдвое. Исходя из полученных значений, выбирают резисторы эталонных мощностей: 0,125, 0,25, 0,5 ,1, 2 ,5,10 Вт и т.д. Мощностью рассеивания называют наибольшую мощность тока которую может длительное время выдержать и рассеивать резистор в виде тепла без ущерба для его работы.

Таблица 2.1.1. Сравнение резисторов

Марка резисторов	Габариты (мм)	Допустимая мощность рассеивания (Вт)	Пределы номинальных сопротивлений (Ом)	Предельное напряжение (В)
МЛТ-0,125	6 х 2,2	0,125	1 Ом - 510 МОм	200
С2-29	6 x 2,2	0,125	1 ... 9.88 ·106	200
С2-33	10,2 x 4,2	0,5	1 Ом - 5,11 МОм	350
С2-23	10,8 x 4,2	0,5	1 Ом - 5,11 МОм	350

Металлопленочные резисторы (МЛТ) содержат резистивный элемент в виде очень тонкой (десятки доли микрометра) металлической плёнки, осаждённой на основании из керамики, стекла, слоистого пластика или другого изоляционного материала. Металлоплёночные резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения. Обладают высокой надёжностью. Недостатком некоторых металлоплёночных резисторов является пониженная надёжность при повышении номинальной мощности рассеивания. Опираясь на изученные характеристики резисторов, приведённые выше, резисторы типа металлоплёночные (МЛТ и С2-33) подходят для использования в устройстве. В схеме данного устройства в качестве сопротивлений мощностью 0,125 Вт были выбраны резисторы марки МЛТ-0,125 благодаря небольшим размерам и распространенности, а в качестве сопротивлений мощностью 0,5 Вт были выбраны резисторы марки С2-33, благодаря небольшой стоимости при минимальных размерах. Резисторы марки МЛТ-0,125 так же полностью взаимозаменяемы с их аналогом С2-33Н.

2.1.2 Обоснование выбора конденсаторов

При выборе конденсаторов для радиоэлектронных устройств, приходится решать одну из противоположных по своему характеру задач. Прямая задача -- по известному стандартному напряжению конденсатора найти максимально допустимые значения переменной и постоянной составляющих рабочего напряжения. Обратная задача заключается нахождения типа и стандартного напряжения конденсаторов по рабочему режиму.

Под номинальным напряжением понимается наибольшее напряжение между обкладкам конденсатора, при котором он способен работать с заданной надёжностью в установленном диапазоне рабочих температур. Номинальное напряжение, оговоренное стандартами, называется стандартным напряжением - оно маркируется на конденсаторах, выпускаемых согласно действующих стандартов. Под рабочим напряжением подразумевается значения постоянного и переменного напряжения, которые действуют на конденсаторе при его работе.

Прямая задача нахождения рабочего напряжения по стандартному решается с помощью условий, оговоренных в действующих стандартах. Однако эти условия справедливы лишь для тех случаев, когда переменная составляющая (пульсация) напряжения на конденсаторе меняется по закону гармонического колебания.

Для решения обратной задачи - нахождения типа и стандартного напряжения конденсатора по рабочему режиму, необходимо вначале найти минимальное напряжение, а затем выбрать ближайшее к нему стандартное значение.

Величина рабочего напряжения конденсатора ограничивается тремя требованиями:

а) конденсатор не должен перегреваться;

б) перенапряжение на нём недопустимо;

в) он должен быть защищен от прохождения обратных токов, если это
полярный оксидный конденсатор.

Для того чтобы конденсатор не перегревался, следует рассчитать выделяемую на нём реактивную мощность. Она не должна превышать номинальную мощность конденсатора.

Чтобы защитить конденсатор от перенапряжения, рабочее напряжение на нём не должно превышать номинальное. Это условие формулируется в стандартах как сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей рабочего напряжения не должна быть больше стандартного напряжения.

Полярные оксидные конденсаторы, помимо перегрева и перенапряжения, должны быть защищены от прохождения разрушающих обратных токов. Чтобы оксидная плёнка была непроводящей, потенциал оксидированного метала (анода) должен всегда превышать потенциал второго электрода (катода). С этой целью в стандартах оговаривается, что амплитуда переменной составляющей напряжения не должна превышать постоянную составляющую.



Таблица 2.1.2. Сравнение электролитических конденсаторов

Марка конденсаторов	Габариты (для конкретных емкости и напряжения)	Рабочая температура	Макс. ток утечки
К50-35	11,5 • Ш5 мм 31,5 · Ш16 мм	-40 … +105 С -40 … +105 С	4 мкА 4 мкА
К50-29	17 • Ш10 мм 133 · Ш16 мм	-40 … +85 С -40 … +85 С	0,02 мкА 0,02 мкА

Таблица 2.1.3. Сравнение неполярных конденсаторов

Марка конденсаторов	Рабочее напряжение (для конкретной емкости)	Температурный коэффициент ёмкости	Рабочая температура	Габариты, мм (для конкретных емкости и напряжения)
К10-17Б	40 В	М47	-60 … +85 С	~5,6 • 5,6
КМ5Б	160 В	П33	-60 … +125 С	~5 • 3,3
К73-17	63 В 600 В		-60 … +125 С -60 … +125 С	~12 • 8 ~23 • 8
К78-2	315 В 1000 В 250 В	М1500 М1500 М1500	-60 … +85 С -60 … +85С -60 … +85 С	~22 • 12 ~26 • 14,5 ~24 • 14,5

У конденсаторов типа К10-17 меньшее рабочее напряжение, но габаритный размеры и средняя стоимость ненамного больше их аналога - КМ5Б. Следовательно, для использования в устройстве более подходит марка керамических конденсаторов КМ5б. В качестве пленочных конденсаторов для использовании в плате устройства и блока питания наиболее подходят К73-17, так как конденсаторы этой марки значительно дешевле своих аналогов: более миниатюрного К10-17, и большого К78-2.

2.1.3 Обоснование выбора микросхем

В данном проекте используются микросхемы: LM7805CT , LM7809CT, DS1621, IN74HC164N. Ниже представлены основные характеристики и функциональное назначение этих микросхем.

LM7805CT и LM7809CT.

Данные микросхемы представляют собой аналоговый стабилизатор напряжения, заключенный в корпус ТО-220.

Особенности микросхем LM7805 и LM7809:

· Выходной ток до 1А

· Защита от перегрева

· Защита от короткого замыкания

Таблица 2.1.4. Характеристики микросхемы LM7805CT

Диапазон выходного напряжения, В	4,8-5,2
Диапазон входного напряжения, В	7-25
Предельный выходной ток, А	2,2
Рабочая температура	-40 … +125 С

Таблица 2.1.5. Характеристики микросхемы LM7809CT

Диапазон выходного напряжения, В	8,82-9,16
Диапазон входного напряжения, В	11,5-25
Предельный выходной ток, А	2,2
Рабочая температура	-40 … +125 С

Рисунок 2.1.1 - Габаритные размеры корпуса ТО-220.

DS1621.

Микросхема DS1621 -- это термометр и термостат с цифровым вводом/выводом, обеспечивающий точность ±0.5°C. Микросхема представляется в 8-контактном корпусе PDIP. При использовании в качестве термометра, данные считываются через I2C/SMBus - последовательную шину в дополнительном 9-битном коде с ценой младшего разряда ±0.5°C. Микросхема DS1621 обеспечивает 3 адресных входа, чтобы позволить пользователям подключить до 8 DS1621 к одной шине.

При использовании в качестве термостата, микросхема DS1621 имеет во внутренней энергонезависимой памяти (EEPROM) программируемые пользователем контрольные точки по превышению температуры (TH) и по понижению температуры (TL). Один специальный логический выход сработает, когда TH достигнут, и выход будет оставаться активным до тех пор, пока температура не упадёт ниже TL (программируемый гистерезис).

Таблица 2.1.6. Характеристики микросхемы DS1621

Диапазон входного напряжения, В	2,7-5,5
Диапазон измеряемой температуры	-55 … +125 С
Точность измерения (±°C)	0,5
Тип шины	I2C; SMBus
Разрешение (бит)	9
Кол-во температурных порогов	2, програм., энерго-незав.

резистор микросхема печатный плата

SDA -- 2-проводной последовательный I/O

SCL -- 2-проводной тактовый интерфейс

Tout -- Сигнальная линия термостата

VDD -- Питание

A₀-A₂ -- Адресные входы

GND -- Земля

Рисунок 2.1.2 - Назначение выводов ИМС DS1621.

Рисунок 2.1.3 - Габаритные размеры корпуса DIP-8.

IN74HC164N.

Данная микросхема представляет собой 8-битный регистр сдвига с последовательным вводом и параллельным выводом. Микросхема представлена в корпусе DIP-14. В её устройство включена защита от повреждения высокими электростатическими напряжениями.

Таблица 2.1.7. Характеристики микросхемы I74HC164N

Диапазон входного напряжения (Vcc), В	2 - 6
Диапазон входного/выходного напряжения (Vin / Vout), В	2 - Vcc
Диапазон рабочей температуры	-55 … +125 С

A₁-A₂ -- Последовательный вход

Q_A-A_H -- Параллельный выход

Clock -- вход стробирования

Reset -- Сброс

Vcc -- Питание

GND -- Земля

Рисунок 2.1.4 - Назначение выводов ИМС I74HC164N.



Рисунок 2.1.5 - Габаритные размеры корпуса DIP-14.

2.1.4 Обоснование выбора диодов

В схеме устройства используется диоды КД522Б и КД213А. Ниже представлены основные характеристики диодов.

Таблица 2.1.8. Характеристики выбранных диодов.

Марка диодов	Макс. обратное напряжение, В	Макс. прямой ток, А
КД522Б	50	0,1
КД213А	200	10

Учитывая максимальное напряжение питания схемы зарядного устройства 9 В, можно сделать вывод что данный диод нам подходит, так как представляет собой компромисс между удовлетворением требуемых характеристик и стоимостью.

В схеме блока питания используются выпрямительные диоды марки КД213А, обеспечивающие надежную работу благодаря высокому порогу обратного напряжения и прямого тока.

2.1.5 Обоснование выбора транзисторов

В схеме зарядного устройства (включая модуль блока питания) используется четыре вида транзисторов: КТ972А, КТ361Г, КТ315Г, КТ853А. Ниже представлены их основные характеристики.

Таблица 2.1.9. Характеристики транзистора КТ972А.

Структура	NPN
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс), В	60
Максимально допустимый ток к ( Iк макс, А)	4
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	750
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)	8



Таблица 2.1.10. Характеристики транзистора КТ853А.

Структура	PNP
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс), В	100
Максимально допустимый ток к ( Iк макс, А)	8
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	750
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)	60

Рисунок 2.1.7 - Габаритные размеры транзистора КТ853А.

Таблица 2.1.11. Характеристики транзистора КТ361Г.

Структура	PNP
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс), В	30
Максимально допустимый ток к ( Iк макс, А)	0,05
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	50
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)	0,15

Таблица 2.1.12. Характеристики транзистора КТ315Г.

Структура	NPN
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс), В	35
Максимально допустимый ток к ( Iк макс,А)	0,1
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	50
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк,Вт)	0,15



Рисунок 2.1.8 - Габаритные размеры транзисторов КТ361Г и КТ315Г.

Поскольку схема устройства рассчитана и скомпонована с учетом использования вышеупомянутых четырех типов транзисторов, я не вижу необходимости в поиске аналогов среди аналогичных отечественных и импортных полупроводников, так как перечисленные типы транзисторов отечественного производства являются наиболее распространенными и недорогими.



3. Расчётная часть

3.1 Расчёт надёжности прибора

Расчёт надёжности производится на этапе проектирования. Для расчёта задаются ориентировочные данные. В качестве температуры окружающей среды может быть принято среднее значение температуры внутри блока устройства. Для большинства маломощных полупроводниковых устройств она не превышает 40`C.

Для различных элементов при расчётах надёжности служат различные параметры. Для резисторов и транзисторов это допустимая мощность рассеивания, для конденсаторов допустимое напряжение, для диодов прямой ток. Коэффициенты нагрузок для элементов каждого типа могут быть определены по величине напряжения источника питания. Так для конденсаторов номинальное напряжение рекомендуется брать в 1,5 - 2 раза выше напряжения источника питания. Рекомендуемые коэффициенты приведены в таблице 3.1.1.

Таблица 3.1.1. Рекомендуемые средние коэффициенты нагрузки.

Наименование элемента	Контролируемые параметры	Импульсный режим	Статический режим
Транзисторы	Ркдоп kн = Рф/Ркдоп	0,5	0,2
Диоды	Iпрmax kн = Iф/Iпрт	0,5	0,2
Конденсаторы	Uобкл kн = Uф/Uобкл	0,7	0,5
Резисторы	Ртрас kн = Рф/Рдоп	0,6	0,5
Трансформаторы	Iн kн = Iф/Iндоп	0,9	0,7
Соединители	Iконтакта kн = Iф/Iкдоп	0,8	0,5
Микросхемы	Imax вх /Imax вых	-	-

Допустимую мощность рассеяния следует брать в качестве номинального параметра. Допустимую мощность рассеивания резисторов можно определить по обозначениям из таблицы 3.1.2:

Таблица 3.1.2. Классификация резисторов по номинальной мощности.

Номинальная мощность (Вт)	0,05	0,125	0,25	0,5	1	2	5	10
Обозначение на схеме

Фактическое значение параметра надо брать в половину меньше согласно таблице 3.1.1.

Для конденсаторов номинальным параметром в расчете надёжности считается допустимые напряжения на обкладках конденсатора. В большинстве схем этот параметр не указывается. Его следует выбирать исходя из напряжения источника питания U_н, для конденсатора следует брать в два раза (или в полтора) больше напряжения источника питания. При этом следует учитывать, что согласно ГОСТу конденсаторы выпускают на допустимое напряжение (в вольтах) 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350.

Фактическое значение (U_ф) для конденсаторов расчёте надежности следует брать в половину меньше выбранного.

Для транзисторов номинальный параметр Р_к допустимое следует брать из справочников.

Для диодов контролируемый параметр величина прямого тока I_ПР брать в справочниках.

Фактическое значение этих параметров следует брать исходя из рекомендаций таблицы 3.1.1. При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность отказов увеличивается. Она так же возрастает, если элемент эксплуатируется в более жёстких условиях: при повышенной температуре, влажности, при ударах л вибрациях. В стационарной аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях, наибольшее влияние на надёжность аппаратуры имеет температура.

Определяя интенсивность отказов при t° - 20°С, справочные данные приведены в таблице 3.1.3. Интенсивность отказов обозначается л_o. Измеряется л_o в ( 1/час ).

Таблица 3.1.3. Интенсивность отказов радиоэлементов.

Наименование элемента	лo*10-6 1/час
Микросхемы средней степени интеграции	0,013
Большие интегральные схемы	0,01
Транзисторы германиевые: Маломощные	0,7
Средней мощности	0,6
мощностью более 200мВт	1,91
Кремниевые транзисторы: Мощностью до 150мВт	0,84
Мощностью до 1Вт	0,5
Мощностью до 4Вт	0,74
… Низкочастотные транзисторы: Малой мощности	… 0,2
Средней мощности	0,5
Транзисторы полевые	0,1
Конденсаторы: Бумажные	0,05
Керамические	0,15
Слюдяные	0,075
Стеклянные	0,06
Пленочные	0,05
Электролитические (алюминиевые)	0,5
Электролитические (танталовые)	0,035
Воздушные переменные	0,034
Резисторы: Композиционные	0,043
Плёночные	0,03
Угольные	0,047
Проволочные	0,087
Диоды: Кремниевые	0,2
Выпрямительные	0,1
Универсальные	0,05
Импульсные	0,1
Стабилитроны кремниевые	0,157
Трансформаторы Силовые	0,25
Звуковой частоты	0,02
Высокочастотные	0,045
Автотрансформаторные	0,06
Дроссели:	0,34
Катушки индуктивности	0,02
Реле	0,08
Антенны	0,36
Микрофоны	20
Громкоговорители	4
Оптические датчики	4,7
Переключатели, тумблеры, кнопки	0,07n
Соединители	0,06n
Гнезда	0,01n
Пайка навесного монтажа	0,01
Пайка печатного монтажа	0,03
Пайка объемного монтажа	0,02
Предохранители	0,5
Волновые гибкие	1,1
Волновые жесткие	9,6
Электродвигатели: Асинхронные	0,359
Асинхронные вентиляторы	2,25

Порядок расчёта

В таблицу 3.1.8 заносятся данные из принципиальной схемы. Таблица заполняется по колонкам. В первую колонку заносится наименование элемента, его тип определяется по схеме. Часто в схемах не указывается тип конденсаторов, а даётся только его ёмкость. В этом случае следует по емкости, и выбирать подходящий тип конденсатора в справочнике. Тип элемента заносится во вторую колонку. Однотипные элементы записываются одной строкой, а их число заносится в колонку 4.

Микросхемы вне зависимости от типа объединяются в одну группу и записываются в одну строку. Это связанно с тем, что у них независимо от типа одинаковая интенсивность отказов, и они могут работать в достаточно широком диапазоне температур. В колонку 4 заносится температура окружающей среды. Её надо определять, исходя из назначения прибора или устройства. Если устройство работает в отапливаемом помещении и не имеет мощных транзисторов, температуру можно брать 40?С. Далее следует заполнить колонку 6, пользуясь теми рекомендациями, которые были даны выше.

Студенту, как правило, не известны фактические параметры элементов. Тогда, выбирать их надо, руководствуясь рекомендациями таблицы 3.1.1, содержащей средние значения.

Коэффициенты нагрузок:

ѕ Для транзисторов: k_н = Р_ф/Р_кдоп = Р_ф/Р_н (3.1.1)

ѕ Для диодов: k_н = I_ф/I_прср = I_ф/I_н (3.1.2)

ѕ Для конденсаторов: k_н = U_ф/U_н (3.1.3)

ѕ Для резисторов: k_н = Р_ф/Р_н (3.1.4)

Зная k_н определяем фактическое значение параметра и заполняем колонки 5 и 8. Если k_н в таблице для элемента не указанно, то следует ставить прочерк или брать k_н = 0,5.

Колонка 7 заполняется по справочнику.

Далее определяется коэффициент влияния б, который показывает, как влияет на интенсивность отказов окружающая элемент температура в связи с коэффициентом нагрузки. Находят б по таблице 4.

Таблица 3.1.4. Температурный коэффициент влияния.

t?С	Значение б при k равном
	0,1	0,3	0,5	0,8	1
Кремниевые полупроводниковые приборы
20 40 70	0,02 0,05 0,15	0,05 0,15 0,35	0,15 0,30 0,75	0,5 1 1	1 - -
Керамические конденсаторы
20 40 70	0,15 0,30 0,30	0,30 0,30 0,50	0,35 0,50 0,75	0,65 1,00 1,5	1 1,4 2,2
Бумажные конденсаторы
20 40 70	0,35 0,50 0,7	0,55 0,60 1,0	0,70 0,80 1,4	0,85 1,00 1,8	1,0 1,2 2,3
Электролитические конденсаторы
20 40 70	0,55 0,65 1,45	0,65 0,80 1,75	0,75 0,90 2,0	0,90 1,1 2,5	1,0 1,2 2,3
Металлодиэлектрические или металлооксидные резисторы
20 40 70	0,40 0,45 0,50	0,50 0,60 0,75	0,65 0,80 1,0	0,85 1,1 1,5	1,0 1,35 2
Силовые трансформаторы
20 40 70	0,40 0,42 1,5	0,43 0,50 2	0,45 0,60 3,1	0,55 0,90 6,0	1 1,5 10,0

Для германиевых полупроводниковых диодов коэффициент б брать таким, как у кремниевых. Если в таблице нет тех элементов, которые есть в конкретной схеме, следует спросить у преподавателя, как быть.

Колонка 10 заполняется из соответствующей таблицы 3.1.3.

Колонка 11 рассчитывается по формуле:

лi = б · ло (3.1.5)

где:

_i - произведение коэффициентов влияний;

- коэффициент влияния температуры;

_о - интенсивность отказов.

Колонка 12 рассчитывается по формуле:



лс = лi · n (3.1.6)

где:

n - количество элементов.

Если изделие испытывает воздействие ударных нагрузок или реагирует на влажность, атмосферное давление, следует учесть это влияние. В этом случае лi в колонке 11:

лi = ло · б · б1 · б2 · б3 (3.1.7)

где:

б - коэффициент влияния температуры;

б1 - коэффициент влияния механических воздействий;

б2 - коэффициент влияния влажности;

б3 - коэффициент влияния атмосферного давления.

Значения б1, б2, б3 определяются по нижеследующим таблицам.

Таблица 3.1.5. Коэффициент влияния механических воздействий.

Условия эксплуатации аппаратуры	Вибрация	Ударные нагрузки	Суммарное воздействие
Лабораторные	1,0	1,0	1,0
Стационарные	1,04	1,03	1,07
Корабельные	1,3	1,05	1,37
Автофургонные	1,35	1,08	1,46
Железнодорожные	1,4	1,1	1,54
Самолётные	1,4	1,13	1,65

Таблица 3.1.6. Коэффициент влияния влажности

Температура ?С	Влажность%	Поправочный коэффициент б2
20-40	6-70	1,0
20-25	90-98	2,0
30-40	90-98	2,5



Таблица 3.1.7. Коэффициент влияния атмосферного давления.

Давление кПа	Поправочный коэффициент б3	Давление кПа	Поправочный коэффициент
0,1-1,3	1,45	32,0-42,0	1,2
1,3-2,4	1,40	42,0-50,0	1,16
2,4-4,4	1,36	50,0-65,0	1,14
4,4-12,0	1,35	65,0-80,0	1,1
12,0-32,0	1,3	80,0-100,0	1,0

Когда колонка 12 заполнена, можно рассчитать среднее время наработки на отказ Тср. Для этого суммируют все значения колонки 12, получая У лс, тогда Тср = 1/ У лс (час).

Тогда, Тср = 1/?лc (час).

Следует помнить, что ?лc - число, умноженное на 10^-6, т.е. при делении 10^-6 перейдет в числитель.

Расчёт

Приступая к выполнению расчёта, заполним таблицу 8 по колонкам, сгруппировав одинаковые элементы.

Стоит заметить, что в ходе расчета коэффициента влияния не будут учитываться коэффициенты влияния: влажности, атмосферного давления и механического воздействия, так как наше устройство предназначено для эксплуатации в не агрессивной среде, и не содержит предельно чувствительных к уровню влажности и атмосферного давления компонентов и элементов.

Элементную базу устройства составляют:

· 51 постоянный металлопленочный резистор типа МЛТ 0.125;

· 12 постоянных металлопленочных резистора типа С2-33;

· 8 пленочных неполярных конденсаторов типа К73-17;

· 2 керамических неполярных конденсатора типа КМ5Б;

· 5 электролитических конденсатора типа К50-35;

· 1 диод типа КД522Б

· 2 диода типа КД213А

· 4 транзистора типа КТ972А;

· 3 транзистора типа КТ853А;

· 3 транзистора типа КТ315Г;

· 4 транзистора типа КТ361Г;

· Трансформатор типа ТС-40-2;

· Кварц. резонатор HC-49U.

Исходя из электрических параметров схемы нашего устройства, примем за номинальное напряжение для радиоэлементов -- максимально допустимое напряжение от источника питания, 9 В. Тогда, номинальные мощность рассеивания резисторов и номинальный максимальный примой ток остальных элементов возьмем по справочнику.

Фактические параметры резисторов для колонки 4 рассчитаем, взяв усредненные коэффициенты нагрузок из таблицы 3.1.1. Но, для конденсаторов, значение фактического параметра возьмём равным 9 В, поскольку согласно электрической принципиальной схеме устройства, мы знаем максимальное напряжение в цепи включения конденсаторов.

Далее, рассчитаем коэффициенты температурного влияния для колонки 9, учитывая выбранную среднюю температуру эксплуатации -- 40 °C.

Для колонки 10 согласно таблице 3.1.3 рассчитаем интенсивность отказов набора элементов устройства.

В колонке 11 вычислим влияние коэффициента температурного влияния на интенсивность отказа элементов.

В колонке 12 рассчитаем итоговую интенсивность отказов для выбранных групп элементов.

Исходя из таблицы 3.1.8 получаем У лс = 3,88 · 10^?6, от сюда получаем

(3.1.8)

По приведённому расчёту надёжности среднее время наработки на отказ контрольного зарядного устройства составляет xxxxxx часов. Ниже представлена таблица 3.1.8 с проведенными расчетами.

Таблица 3.1.8. Расчет надежности функционального узла.

Наименование элемента	Тип	Кол-во (n)	Температура окр. ср. t, °C	Фактическое значение параметра, определяющего надёжность	Номинальное значение параметра, определяющего надёжность	Конструктивная характеристика	k	a	лo*10-6 1/час	лi= = б * (л0*10-6)	лc=лi*n*10-6
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Резистор	МЛТ-0,125	51	40	Pф=0,0625 Вт	Pн=0,125 Вт	Металлопленочный	0,5	0,8	0,03	0,024	1,224
	C2-33	12	40	Pф=0,25 Вт	Pн=0,5 Вт	Металлопленочный	0,5	0,8	0,03	0,024	0,288
Конденсатор	К73-17 К73-17	1 7	40 40	Uф=315 В Uф=125 В	Uн=630 В Uн=250 В	Пленочный	0,5 0,5	0,5 0,5	0,05 0,05	0,025 0,025	0,025 0,175
	КМ5Б	2	40	Uф=80 В	Uн=160 В	Керамический	0,5	0,5	0,15	0,75	1,5
	К50-35 К50-35	4 1	40 40	Uф=8 В Uф=17,5 В	Uн=16 В Uн=35 В	Электролитический	0,5 0,5	0,9 0,9	0,5 0,5	0,45 0,45	1,8 0,45
Микросхема	PIC16F876-04/P; LM7805CT; LM7809CT; DS1621; IN74HC164N	1 1 2 4 1	40 40 40 40 40	-- -- -- -- --	-- -- -- -- --	-- -- -- -- --	0,5 0,5 0,5 0,5 0,5	1 1 1 1 1	0,01 0,01 0,01 0,01 0,01	0,01 0,01 0,01 0,01 0,01	0,01 0,01 0,02 0,04 0,01
Диод	КД522Б	1	40	Iф=0,05 А	Iн=0,1 А	Кремниевый	0,5	0,3	0,1	0,1	0,1
	КД213А	2	40	Iф=5 А	Iн=10 А	Кремниевый	0,5	0,3	0,1	0,1	0,2
Транзистор	КТ972А	4	40	Pф=4 Bт	Pн=8 Bт	Кремниевый	0,5	0,1	1,91	0,191	0,764
	КТ853А	3	40	Pф=30 Bт	Pн=60 Bт	Кремниевый	0,5	0,3	1,91	0,573	1,719
	КТ315Г	3	40	Pф=0,075 Bт	Pн=0,15 Bт	Кремниевый	0,5	0,3	0,84	0,252	0,756
	КТ361Г	4	40	Pф=0,075 Bт	Pн=0,15 Bт	Кремниевый	0,5	0,3	0,84	0,252	1,008
Силовой трансформатор	ТС-40-2	1	40	--	--	Со средней точкой	0,7	0,9	0,25	0,225	0,225
Пайка	Печатный монтаж	318	40	--	--	--	0,5	0,1	0,1	0,01	3,18
Пайка	Навесной монтаж	24	40	--	--	--	0,5	0,1	0,1	0,01	0,4
Итого											13,814

Размещено на Allbest.ru