Проектирование цифрового измерителя температуры

Устранение разности потенциаловна обрабатываемых материалах; использование специальной тары и транспорта для межоперационной транспортировки; применение средств снятия статического электричества с тела работника; нейтрализация зарядов

2. Транспортировка

Применение антистатической тары и межоперационного транспорта.

3. Монтаж на объекте

Применение средств снятия статического электричества с тела работника; нейтрализация зарядов; заземление оборудования на объекте.

4. Эксплуатация

Повышение поверхностной проводимости материалов за счет увеличения влажности воздуха в помещении; нейтрализация зарядов; антистатическая отделка помещения; индивидуальная антистатическая защита персонала -

Дополнительные меры по защите от ЭСР:

1. Минимальное использование диэлектрических материалов. Примеры изделий из диэлектриков, к которым должно быть привлечено повышенное внимание при рассмотрении технологических аспектов создания аппаратуры:

рабочая одежда и обувь персонала;

рабочие поверхности, у которых отсутствуют антистатические свойства;

конвейеры, тележки и их колеса, коробки, пакеты и упаковочный материал.

Если устройства особенно чувствительны к статическому электричеству, то для снятия зарядов обрабатываются пол, мебель, персональная одежда, обувь, которые могут аккумулировать заряды. При этом предпочтение следует отдавать материалам, подобным хлопку и коже, и исключать синтетические материалы типа полистирола и каучука.

2. Минимизация контакта между диэлектрическими материалами. Не следует хранить пластмассовые изделия в пластмассовых коробках или сумках, а также устанавливать непроводящую тару на непроводящие рабочие поверхности. Если один диэлектрик не прикасается к другому диэлектрику, то, по умолчанию, он должен находиться в контакте с каким-либо проводящим материалом. При упаковке готовой продукции в пластмассовую тару, изделие может подвергнуться воздействию зарядов, накопленных материалом тары.

3. Регулярная проверка средств защиты. Для гарантии правильной работы системы защиты ее следует регулярно проверять. Даже эффективная система защиты может ухудшаться, если ее не поддерживать в рабочем состоянии. При этом необходимо выполнять следующие правила:

необходимо понимать важность защиты аппаратуры от ЭСР и всегда следовать правилам поддержания этой защиты на должном уровне;

следует регулярно проверять соединения заземления и проводимость рабочих поверхностей с целью определения соответствия параметров системы заземления действующим стандартам. Особое внимание следует уделять электрическим соединениям в системе заземления. Они со временем могут терять свои свойства и должны заменяться.

Применение средств для снятия статического электричества с тела человека. Статическое электричество на теле человека является одним из важнейших факторов поражения электронной аппаратуры и компонентов на этапах производства и эксплуатации. Ранее был детально рассмотрен механизм заряжения тела человека. Ниже мы подробно опишем различные приемы снятия статических зарядов с тела человека.

Накопление заряда на теле человека происходит в том случае, когда оно изолировано и быстро не разряжается. Эта изоляция работника имеет место, в основном, в следующих двух случаях:

1. Человек пользуется обувью с подошвой из изолирующего материала, например, резины или синтетики.

2. Человек находится на изолированной площадке или полу. Изоляция в данном случае может возникнуть в результате применения синтетического материала для пола или, как следствие, обрывков (мусора) каких-либо изоляционных материалов на полу.

Оба указанных фактора взаимосвязаны. Недостаточно иметь подошву обуви из электропроводящего материала, если работник идет по синтетическому покрытию пола, представляющему собой хороший диэлектрик. Необходимо, чтобы и это напольное покрытие обладало нужной электропроводимостью. Только в этом случае будет обеспечиваться стекание заряда с тела оператора на землю.

Почти любое действие монтажника РЭА является причиной возникновения заряда на его теле. Следует иметь в виду, что образование статического электричества в человеке является сложным процессом и зависит даже от небольших изменений действующих факторов, например от одежды, характера веществ, применяемых для мытья полов, и т. д.

Если на работнике надета одежда из синтетических волокон, то при нескольких поворотах плеча потенциал тела человека повышается до нескольких тысяч вольт. Если принять, что тело человека, несущего на себе заряд статического электричества, имеет емкость, равную 100 пФ, то энергия статического электричества составляет несколько сотен микроджоулей. Двумя основными способами предотвращения появления статического электричества на теле человека на рабочем месте являются:

применение антистатической одежды и заземления;

применение нейтрализаторов, если заряд образовался на диэлектрических материалах и элементах.

Антистатическая одежда. Антистатический халат (куртка) должен быть хлопковым или сшитым из ткани, состоящей, по крайней мере, на 50 % из хлопка. В помещениях, где требования к электростатической безопасности наиболее высоки, используется одежда из проводящего материала, который представляет собой ткань с вплетенными в нее на одинаковых расстояниях проводящими волокнами. Она нормально функционирует даже в сухом воздухе при относительной влажности не более 30%, но слегка портится при повторной стирке. Для повышения эффективности стекания зарядов с одежды предусматривается ее заземление за счет специального провода. При ношении защитной одежды необходимо следить, чтобы она была полностью застегнута.

Различные ткани по-разному реагируют на стирку и химическую чистку. В большей или меньшей мере эти процедуры неизбежно приводят к ухудшению антистатических свойств. В некоторых случаях одежда после стирки или чистки может стать полностью изоляционной, в других -- остается проводящей через 100 и более циклов чистки. Это зависит от применяемых составов и стиральных порошков.

Для обуви с особенно толстой резиновой подошвой рекомендуется применять специальные полоски заземления. Электрически проводящие обувные полоски легко закрепляются на любом типе обуви и в сочетании с напольным покрытием обеспечивают надежное заземление для каждого ботинка, что, в свою очередь, способствует беспрепятственному стеканию заряда с тела человека. Существует также специальная антистатическая обувь, подошвы которой выполнены из проводящей резины.

В современной электронной промышленности, в которой используются интегральные компоненты, для ограничения накопления электростатического электричества на человеческом теле практикуется заземление персонала с помощью браслета на запястье.

Заземление на рабочем месте. Из всех систем заземления, обеспечивающих работоспособность аппаратуры, здесь рассматривается заземление, предотвращающее возникновение ЭСР.

При разработке системы заземления персонала следует учитывать вопросы электробезопасности. Цепь утечки на землю работает нормально, если сопротивление этой цепи ниже 108 Ом. Заземление, предотвращающее возникновение ЭСР, эффективно при сопротивлении проводников электростатического заземления меньше 1010 Ом. Электростатический изолятор с сопротивлением 1014 Ом может запасти энергию, достаточно высокую, чтобы вызвать разряд, даже если он соединен способом, описанным ниже. Проводники электростатического заземления должны быть изолированы от других проводников.

Заземление применяется как для больших промышленных конструкций, так и для отдельного рабочего места. Все проводящие материалы, а также сам оператор должны быть заземлены. Заряды на непроводящих материалах, которые не могут быть заземлены, должны быть нейтрализованы за счет ионизации воздуха.

Например, защищенное рабочее место для работы с МОП-структурами состоит из настилов (ковриков, матов и т.п.) для пола, для стола, кистевого браслета на шарнире, а также проводящих чашек и контейнеров из систем предохранения от статического электричества. Применяемые облицовки состоят из электрически проводящего материала, который не теряет своих свойств при старении или воздействии влажности, ни при прочих воздействиях окружающей среды. Поскольку настилы заземляются через общий кабель, то все электростатические заряды стекают, как только оператор наступает на коврик. При наличии контакта с ковриком предотвращается накопление заряда на телеоператора. Заряды, возникающие при движении оператора.

Заземление персонала осуществляется за счет кистевых браслетов с шарнирным контактом и заземляющего провода. Браслеты выполняются из металлических и проводящих пластмассовых материалов. Заземляющий браслет включает резистор безопасности 1 МОм для защиты от случайного касания элементов аппаратуры, находящейся под напряжением. При импульсном напряжении 160-170 В, ток через тело человека будет составлять менее 0,2 мкА, что намного меньше опасных значений. Хотя заземляющие браслеты достаточно просты, при их применении следует обратить внимание на качество контактов заземления, на контакт браслета с кожей человека, а также на возможность старения материала, из которого изготовлен браслет. Так, плохой контакт может быть из-за чрезмерной сухости кожи или наличия волос. Контакт с системой заземления должен быть надежным, и применение зажимов типа «крокодил» недопустимо.

Все кабели заземления для защиты персонала обладают полным сопротивлением 1 МОм, что обеспечивает защиту от непосредственного короткого замыкания при случайном прикосновении к токоведущим частям.

7. Выбор и обоснование технологического процесса пайки при сборке печатного узла

Печатный узел собирается путем установки компонентов на изготовленную печатную плату в соответствии с выбранными вариантами монтажа. Электрическое соединение выводов компонентов и печатных проводников осуществляется пайкой.

Пайкой [3] называется процесс, при котором неподвижное соединение деталей осуществляется за счет их нагрева и расплавления присадочного материала-припоя, имеющего температуру плавления более низкую, чем у материалов деталей, соединяемых пайкой. При пайке обычно удается избежать структурных изменений металлов; внутреннее напряжение и деформации незначительны.

Прочное соединение расплавленного металла припоя с металлом детали осуществляется при пайке за счет взаимной диффузии. Расплавленный припой должен обеспечить хорошее смачивание поверхностей и проникновение в кристаллическую решетку металла детали. При этом происходит взаимное растворение припоя и верхних слоев основного металла с образованием твердого раствора. Вследствие этого прочность паяного соединения обычно превосходит прочность припоя.

Степень разогрева поверхностей деталей, подвергаемых пайке, должна находиться в определенных пределах. При низких температурах замедляются процессы диффузии вследствие малой активности атомов металла, а при слишком высоких температурах условия диффузии ухудшаются из-за образования большого количества прочных окислов. Поэтому для каждого припоя существует оптимальный интервал температур, при которых обеспечивается благоприятное сочетание смачиваемости металлов расплавленным припоем, достаточная активность диффузионных процессов и допустимая интенсивность окисления материалов.

Поверхности перед пайкой должны быть очищены от загрязнений и окислов с тем, чтобы обеспечить благоприятные условия для диффузии. Установлено, что силы взаимодействия атомов между собой проявляются на расстоянии до 10-7 мм. Поэтому даже незначительные загрязнения и тонкие окисные пленки препятствуют процессу диффузии. Окисные пленки металлов, образующиеся в обычных атмосферных условиях, имеют толщину порядка десятков микрон. Поэтому даже после хорошей очистки поверхностей деталей необходимо принимать специальные меры для удаления образующихся при нагревании окислов и защиты материалов от окисления в процессе пайки. Для этого применяют флюсы, газовые среды или физико-механические способы разрушения окисных пленок.

Флюсы -- это вещества, обеспечивающие удаление окислов за счет химического взаимодействия или физического растворения окислов при температурах, близких к температуре пайки. Они способствуют улучшению смачиваемости материалов расплавленными припоями, уменьшению их поверхностного натяжения и лучшему растеканию. Состав флюсов подбирают в зависимости от химического состава материалов, подвергаемых пайке, а также от состава и температуры плавления применяемого припоя.

Флюсы наносят на поверхности в жидком состоянии, или в виде паст или порошков. Так как остатки химически активных флюсов могут вызвать коррозию металлов, их необходимо удалять. Эта операция является трудоемкой. Поэтому при массовом производстве пайку производят обычно без флюсов, в среде защитных газов, а также в вакууме.

При разработке технологического процесса пайки печатного узла главной задачей является выбор припоя, а затем в зависимости от состава припоя выбирают флюс. Правильный выбор припоя обеспечивает получение таких физико-механических свойств шва, которые необходимы в соответствии с требованиями технических условий.

В зависимости от температуры плавления и механической прочности припои принято подразделять на две основные группы: мягкие и твердые.

К мягким припоям относят припои, имеющие температуру плавления ниже 4000С и предел прочности на разрыв до 15 кгс/мм2.

Твердые припои характеризуются более высокой температурой плавления (более 5000С), а предел прочности при растяжении может доходить до 50 кгс/мм2.

При сборке печатного узла следует использовать мягкие припои, т.к. паяные соединения не несут существенных нагрузок, и, кроме того, нельзя допускать перегрева микроэлектронных компонентов.

Пайка мягкими припоями. Существует большое количество различных по составу мягких: припоев. Наибольшее применение получили оловянно-свинцовые и кадмиевые припои.

Основными компонентами в оловянно-свинцовых припоях являются олово и свинец. От их процентного соотношения меняются и механические свойства припоев.

Высокооловянистые припои (ПОС-90, ПОС-61) обладают хорошими технологическими свойствами (дают плотные швы, хорошо формуются при пайке), отличаются коррозионной стойкостью и стабильной электропроводимостью. Однако эти припои содержат большое количество дефицитного и дорогого материала -- олова.

Малооловянистые припои (ПОС-40, ПОС-30) более дешевые и вместе с тем они обеспечивают наибольшую прочность пайки вследствие того, что они лучше смачивают металлы при расплавлении. Кроме того, малооловянистые припои имеют наибольший интервал нахождения в жидком состоянии (у припоя ПОС-30 разность между температурой полного расплавления и температурой начала плавления составляет 730С, а у припоя
ПОС-90 -- только 390С).

Высокооловянистые припои применяют при ремонте аппаратов регулирования электрооборудования, для лужения и пайки деталей, требующих повышенной коррозионной стойкости или постоянства электрической проводимости. Высокооловянистые припои применяют при пайке электропроводов, которые не подвергаются значительному нагреву.

Малооловянистые припои широко применяют при ремонте пайкой радиаторов, бензобаков, а также электрических машин и электрических проводов, не подверженных значительному нагреву.

Кадмиевые припои применяют при ремонте деталей и узлов электрооборудования, подверженных значительным механическим нагрузкам и нагреву (до 170°С).

На основании вышеизложенного в качестве припоя для пайки печатного узла выберем припой ПОС-61.

В качестве флюсов для мягких припоев применяют различные вещества, которые по степени химического воздействия на металлы могут быть разделены на три группы: коррозионные флюсы, флюсы промежуточного типа и некоррозионные флюсы. Согласно табл.33 [3], выберем флюс, содержащий 15% канифоли и 85% этилового спирта (он используется при температурах от 150 до 350 0С). Это некоррозионный флюс для пайки радиодеталей.

Технологический процесс пайки мягкими припоями включает три основных этапа: подготовку поверхностей, подлежащих пайке: пайку и обработку детали после пайки. Подготовка поверхностей перед пайкой является ответственным этапом, от которого во многом зависит прочность соединения деталей. При выполнении этой операции необходимо прежде всего хорошо подогнать соединяемые поверхности друг к другу и тщательно очистить их от загрязнений и окислов. Для обеспечения большей прочности швов при пайке зазоры между соединяемыми деталями стремятся делать минимальными (обычно 0,08--0,15 мм). При этих зазорах обеспечивается хорошее растекание припоя и более однородным и прочным становится сплав, образующийся при взаимном растворении металлов.

После очистки поверхностей производится флюсование. В тех случаях, когда детали после пайки можно легко промыть и нейтрализовать, применяют коррозионные флюсы, которые обеспечивают хорошее качество пайки.

Поверхности после флюсования подвергают, как правило, лужению -- нанесению тонкого слоя припоя. Лужение предохраняет соединение от окисления и обеспечивает лучшие условия диффузии. В качестве полуды применяется тот же припой, которым выполняется пайка.

Пайка деталей мягкими припоями может осуществляться паяльником (применяется наиболее часто); паяльной лампой (с внесением припоя как присадочного материала); погружением деталей в расплавленный припой (для деталей, имеющих большие поверхности, подвергаемые пайке: коллектора электрических машин, коллектора водяных радиаторов и т. п.). В нашем случае, разумеется, следует использовать паяльник.

Для стабилизации температуры жала паяльника можно использовать паяльную станцию, причем она должна иметь индикатор текущей температуры.

При пайке деталь и припой нагреваются до определенной температуры, которая должна быть на 40 - 500С больше температуры плавления припоя. Для оловянно-свинцовых припоев температура нагрева должна быть в пределах 270 -3000С (иногда меньше). При таком нагреве обеспечивается максимальная прочность паянного соединения.

Безопасность жизнедеятельности

1. Особенности перехода на бессвинцовую пайку

1.1 Бессвинцовая пайка как новый технологический шаг

Свинец (Pb) на протяжении многих лет используется в промышленности. Ежегодное потребление свинца составляет приблизительно пять миллионов тонн. Однако, несмотря на долговременное использование свинца, теперь его вред для здоровья человека хорошо известен. Распространённые типы отрицательного влияния свинца можно разделить на пищевые, нейромоторные и мозговые. Поглощение свинца организмом происходит при длительном воздействии самого свинца или его соединений. Последствия накопления свинца в организме могут проявляться через продолжительное время [3].

Причины перехода на бессвинцовую пайку. Из-за очевидной токсичности свинца, несмотря на то что припой составляет лишь небольшой процент от веса электронной продукции (телевизоры, холодильники, компьютеры, телефоны и т.д.), эти изделия часто после использования оказываются на свалках, и свинец может попасть в источники воды.

Ведущие производители электроники в мире освоили выпуск продукции, не содержащую свинец в паяных соединениях, которая отвечает данным экологическим стандартам.

Свинец может присутствовать в сплавах, например в олове, в качестве примеси на уровне 0,1% по весу. Очевидно, что эти примеси будут присутствовать и в бессвинцовых припоях.

Преимущество бессвинцовых припоев состоит в следующем:

- нетоксичность;

- технологичность;

- доступность и приемлемость по цене;

- приемлемая температура плавления;

- узкий интервал пластичности;

- приемлемое смачивание.

- формирование надёжного паяного соединения.

Данные припои рассматриваются в качестве конкурентоспособных кандидатов для замены эвтектических припоев Sn Pb. Многие припои основаны на добавлении к бинарным сплавам небольшого количества третьих и четвёртых элементов для снижения точки плавления, увеличения смачивания и надёжности. При увеличении количества составляющих элементов:

температура плавления уменьшается;

сила сцепления сначала быстро уменьшается, затем практически выравнивается и потом уменьшается снова;

смачиваемость сначала быстро повышается, достигая максимума в тот момент, когда сила сцепления находится в середине периода выравнивания, затем уменьшается.

Недостатки бессвинцовой пайки. Поскольку большинство подходящих вариантов сплавов имеют более высокую температуру плавления, возникает вопрос: смогут ли платы выдержать процесс пайки? Например, электролитические конденсаторы весьма чувствительны к высоким температурам, так же как и реле, микросхемы и многие другие компоненты. К тому же возможно повреждение данных в микросхемах памяти при температуре 250єС. Полимерные подложки компонентов и паяльные маски могут так же пострадать от высокой температуры, а пластиковая изоляция может деформироваться. Всё это ставит серьёзную задачу перед разработчиками материалов и конструкторами электронных компонентов.

Необходимо исследовать тенденции коррозии и электромиграции, а также возможности ремонта. Пасты, флюсы нуждаются в оценке. Необходимы новые стандарты визуального и рентгеновского контроля.

Безопасны ли бессвинцовые технологии? В то время как промышленность быстро движется к бессвинцовым процессам пайки, возникает вопрос о безопасности бессвинцовых припоев для окружающей среды. Исследование на безопасность осуществляется выщелачиванием с использованием специальных методов, которые используются для симуляции сброса отходов и контакта с подземными водами. Результаты показали, что сурьма и серебро не прошли ни одного теста. Припой Sn/Cu имеет минимальное влияние на окружающую среду. Олово значительно не растворяется из-за плохой растворяемости солей олова в воде. Поскольку олово и особенно серебро, весьма вероятно, будут включены в бессвинцовые припои, данные показывают, что путь к бессвинцовой пайке может быть более трудным, чем казалось, из-за возрастания стоимости припоев.

Выводы по внедрению бессвинцовых технологий. Бессвинцовая пайка в электронной промышленности - часть глобальной тенденции предотвращения загрязнения окружающей среды свинцом. Хотя начало данного процесса было положено в США в начале 90-х годов XX в., наиболее быстро он развивался в Японии и Европе. Различия в скорости развития бессвинцовых технологий стали причиной большого беспокойства компаний, использующих свинцовосодержащие припои, о поддержании своего производства и поэтому способствовали дальнейшему развитию программ по разработке бессвинцовой пайки. Предпочтительные варианты бессвинцовых припоев варьируются в зависимости от региона. Однако обычно более предпочтительны припои с высоким содержание олова и различные версии данных сплавов с небольшим содержанием других элементов, таких, например, как сурьма. Эти припои уже используются в некоторых электронных товарах. Однако припои с сурьмой менее чувствительны к загрязнению свинцом, чем припои, содержащие висмут и поэтому более подходят для современного производства в переходный период. Бессвинцовые покрытия контактных площадок на печатных платах включают: OSP, иммерсионное золото, иммерсионное золото/химически осаждённый никель, химически осаждённый палладий/химически осаждённый никель, химически осаждённое покрытие палладий/медь/олово. Задача по адаптации компонентов более сложна, чем для печатных плат или припоев. Некоторые бессвинцовые покрытия выводов компонентов уже существуют, но их применимость ограничена. К тому же приемлемой замены припоям с высокой температурой плавления для высокотемпературных применений, таких, как межсоединения первого уровня внутри компонентов, до сих пор не существует.

1.2 Меры безопасности при проведении пайки

Так как пайка проводится при высоких температурах (250 оС), то существует вероятность получения ожога. Для предотвращения этого используют специальные перчатки. Поскольку с целью защиты от окисления паяных соединений применяют флюсы, например, канифольно-спиртовой при пайке припоями ПОС-40, ПОС-61 и ПОСК-50 и хлористый цинк при пайке и лужении припоями ПОС-18 и ПОС-30, возможно токсичное отравление. Токсическое действие канифоли заключается в раздражении кожи, хлористый цинк может оказывать резкое раздражение кожи и обжигающее действие на кожу и слизистые оболочки. Наиболее эффективными мерами, предупреждающими токсичные отравления при пайке, являются механизация и автоматизация паяльных работ методом погружения, избирательная пайка и пайка волной припоя, применяемые для печатного монтажа, которые полностью исключают соприкосновение с флюсами и другими вредными веществами.

Поскольку еще значительное количество паяльных работ проводится вручную, паяльником, то по окончании этих работ в целях предупреждения заболеваний необходимо споласкивать руки однопроцентным раствором уксусной кислоты, мыть их горячей водой с мылом, прополаскивать рот, чистить зубы и принимать теплый душ. При монтажных работах, связанных с опасностью засорения или ожога глаз, должны использоваться защитные очки.

Свинцовая пайка. Наиболее часто применяются оловянно-свинцовые припои ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61 и ПОСК-50, содержащий 32% свинца. В состав припоев входит свинец, поэтому процесс пайки сопровождается загрязнением воздушной среды, рабочих поверхностей, одежды и кожи рук работающих свинцом, что может привести к свинцовым отравлениям организма и вызвать изменения в нервной системе, крови и сосудах. В целях предупреждения отравления свинцом участки пайки оборудуются в соответствии с требованиями санитарных правил. В помещениях, где производится пайка припоем, содержащим свинец, во избежание попадания свинца в организм не допускается хранить личные вещи, принимать пищу и курить, а также уносить рабочую одежду домой.

Рабочее место пайки оборудуется местной вытяжкой вентиляцией, обеспечивающей концентрацию свинца в рабочей зоне не более предельно допустимой - 0,01 мг/м3.

Для предотвращения ожогов и загрязнения свинцом кожи рук работающим должны быть выданы салфетки и мягкие абразивные коврики для удаления лишнего припоя с жала паяльника, а также пинцеты для поддержания припаиваемого компонента и для подачи припоя к месту пайки, если не используются средства автоматизации.

Бессвинцовая пайка. При пайке бессвинцовыми припоями риск отравления парами свинца исключен, но отказ от содержания свинца в припоях ведет к увеличению температуры плавления припоя. В результате повышается риск получения серьезных ожогов при проведении паяльных работ.

2. Основы электробезопасности при работе с электронными устройствами

Соблюдение правил техники безопасности (ТБ) -- залог отсутствия моральных и физических травм при работе с электроустановками как на производстве, так и в быту. Несоблюдение правил ТБ при введении в эксплуатацию, настройке и обслуживании оборудования может привести к самым серьезным последствиям. В отдельных случаях несоблюдение ТБ может повлечь дисциплинарную либо уголовную ответственность [1].

Рассмотрим основы электробезопасности по [2].

2.1 Электрическое напряжение как источник опасности

Источники электрической опасности. Электрический ток широко используется в промышленности, технике, быту, на транспорте. Устройства, машины, технологическое оборудование и приборы, использующие для своей работы электрический ток, могут являться источниками опасности.

Поражение электрическим током может произойти при прикосновении к токоведущим частям, на которых остался заряд или появилось напряжение в результате случайного включения в сеть, к нетоковедущим частям, выполненным из проводящего электрический ток материала, после перехода на них напряжения с токоведущих частей.

Кроме того, возможно поражение человека электрическим током под воздействием напряжения шага при нахождении человека в зоне растекания тока на землю; электрической дугой, возникающей при коротких замыканиях; при приближении человека к частям высоковольтных установок, находящимся под напряжением, на недопустимо малое расстояние.

Растекание тока в грунте (основании) возникает при замыкании находящихся под напряжением частей электрических установок и проводов на землю. Замыкание может произойти при повреждении изоляции и пробое фазы на корпус электроустановки, при обрыве и падении провода под напряжением на землю и по другим причинам. Зона растекания тока на практике составляет 20 м.

Напряжение прикосновения - это разность электрических потенциалов между двумя точками тела человека, возникающая при прикосновении к токоведущим частям, корпусу электроустановки или нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением. Здесь возможно три основных случая.

1. Потенциал руки равен потенциалу корпуса, а потенциал ног равен потенциалу земли, который зависит от удалённости человека от точки стекания тока в землю. Если корпус установки, оказавшейся под напряжением, изолирован от земли или человек находится на расстоянии более 20 м от точки стекания тока с корпуса в землю, то потенциал земли нулевой и напряжение прикосновения фактически равно потенциалу корпуса.

2. Если человек находится в зоне растекания тока, то чем дальше человек находится от точки стекания тока в землю, тем меньше потенциал земли, а следовательно, больше напряжение прикосновения, под которым находится человек.

3. Если человек стоит рядом с точкой стекания тока, потенциал земли (потенциал ног) практически равен потенциалу корпуса (потенциалу руки), и напряжение прикосновения равно нулю, т.е. человек находится в безопасности.

Воздействие электрического тока на человека. Электрический ток оказывает на человека термическое, электролитическое, биологическое и механическое воздействие.

Термическое воздействие тока проявляется ожогами отдельных участков тела, нагревом до повышенной температуры органов, что вызывает в них значительные функциональные расстройства.

Электролитическое воздействие в разложении различных жидкостей организма (воды, крови, лимфы) на ионы, в результате чего происходит нарушение их физико-химического состава и свойств.

Биологическое воздействие тока проявляется в виде раздражения и возбуждения живых тканей организма, судорожного сокращения мышц, а также нарушения внутренних биологических процессов.

Действие электрического тока на человека приводит к травмам или гибели людей.

Электрические травмы разделяются на общие (электрические удары) и местные электротравмы. Наибольшую опасность представляют электрические удары.

Электрический удар - это возбуждение живых тканей проходящими через человека электрическим током, сопровождающееся судорожными сокращения мышц; в зависимости от исхода воздействия тока различают четыре степени электрических ударов:

I - судорожное сокращение мышц без потери сознания;

II - судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимся дыханием и работой сердца;

III - потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого вместе);

IV - клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Кроме остановки сердца и прекращения дыхания причиной смерти может быть электрический шок - тяжёлая нервно-рефлекторная реакция организма на сильное раздражение электрическим током. Шоковое состояние длится от нескольких десятков минут до суток, после чего может наступить гибель или выздоровление в результате интенсивных лечебных мероприятий.

Местные электротравмы - это местные нарушения целостности тканей организма. К местным электротравмам относятся:

? электрический ожог - бывает токовым (возникает при относительно невысоком напряжении электрической сети) и дуговым (при образовании электрической дуги с температурой свыше 3500°С);

? электрические знаки - пятна серого или бледно-жёлтого на поверхности кожи человека, образующиеся в месте контакта с проводником тока;

? металлизация кожи - проникновение в верхние слои кожи мельчайших частиц металла, расплавившегося под действием электрической дуги;

? электроофтальмия - воспаление наружных оболочек глаз под действием потока ультрафиолетовых лучей, испускаемых электрической дугой;

? механические повреждения - разрывы кожи, кровеносных сосудов, вывихи суставов, разрывы связок и даже переломы костей, возникающие в результате резких судорожных сокращений мышц под действием проходящего через человека тока. Механические травмы возможны при падениях с высоты при ударах электрического тока.

Таким образом, электрический ток очень опасен и обращение с ним требует большой осторожности и знания мер обеспечения электробезопасности.

Параметры, определяющие тяжесть поражения электрическим током. Основными факторами, определяющими степень поражения электрическим током, являются: сила тока, протекающая через человека, частота тока, время воздействия и путь протекания тока через тело человека.

Сила тока. Протекание через организм переменного тока промышленной частоты (50 Гц), широко используемого в промышленности и в быту, человек начинает ощущать при силе тока 0,6…1,5 мА. Этот ток называют пороговым ощутимым током.

Большие токи вызывают у человека болезненные ощущения, которые с увеличением тока усиливаются. Например, при токе 3…5 мА раздражающее действие тока ощущается всей кистью, при 8…10 мА - резкая боль охватывает всю руку и сопровождается судорожными сокращениями мышц кисти и предплечья.

При 10…15 мА судороги мышц руки становятся настолько сильными, что человек не может их преодолеть и освободиться от проводника тока. Такой ток называется пороговым неотпускающим током.

При токе величиной 25…50 мА происходят нарушения в работе лёгких и сердца, при длительном воздействии такого тока может произойти остановка сердца и прекращение дыхания.

Начиная с величины 100 мА протекание тока через человека вызывает фибрилляцию сердца - судорожные неритмичные сокращения сердца; сердце перестаёт работать как насос, перекачивающий кровь. Такой ток называется пороговым фибрилляционным током. Ток более 5 А вызывает немедленную остановку сердца, минуя состояние фибрилляции.

Частота тока. Наиболее опасен ток промышленной частоты - 50 Гц. Постоянный ток и ток больших частот менее опасен, и пороговые значения для него больше. Так, для постоянного тока:

? пороговый ощутимый ток - 5…7 мА;

? пороговый неотпускающий ток - 50…80 мА;

? фибрилляционный ток - 300 мА.

Путь протекания тока. Опасность поражения электрическим током зависит от пути протекания тока через тело человека, т.к. путь определяет долю общего тока, которая проходит через сердце. Наиболее опасен путь «правая рука - ноги» (как раз правой рукой чаще всего работает человек). Затем по степени снижения опасности идут: «левая рука - ноги», «рука - рука», «нога - нога».

Время воздействия электрического тока. Чем продолжительнее протекает ток через человека, тем он опаснее. При протекании электрического тока через человека в месте контакта с проводником верхний слой кожи (эпидермис) быстро разрушается, электрическое сопротивление тела уменьшается, ток возрастает, и отрицательное действие электротока усугубляется. Кроме того, с течением времени растут (накапливаются) отрицательные последствия воздействия тока на организм.

Определяющую роль в поражающем действии тока играет величина силы электрического тока, протекающего через организм человека.

2.2 Методы и средства обеспечения электробезопасности

Для защиты от поражения электрическим током применяются следующие технические меры защиты:

? применение малых напряжений;

? электрическое разделение сетей;

? электрическая изоляция;

? контроль и профилактика повреждения изоляции;

? защита от случайного прикосновения к токоведущим частям;

? защитное заземление, зануление, защитное отключение;

? применение индивидуальных защитных средств.

Применение защитных мероприятий и средств регламентируется «Межотраслевыми правилами по охране труда (технике безопасности) при эксплуатации электроустановок» и зависит от категории помещения по степени электрической безопасности.

Применение малых напряжений. Малое напряжение - это напряжение не более 42 В, применяемое в целях уменьшения опасности поражения электрическим током. Наибольшая степень безопасности достигается при напряжении до 10 В. При таком напряжении ток, как правило не превышает 1…1,5 мА. Однако в помещениях повышенной опасности и особо опасных ток может значительно превысить эту величину, что представляет опасность поражения для человека.

На практике применение очень малых напряжений ограничено шахтёрскими лампами (2,5 В) и некоторыми бытовыми приборами (карманными фонарями, игрушками т.п.). На производстве для повышения безопасности применяют напряжение 12 В и 36 В. В помещениях с повышенной опасностью для переносных электрических устройств рекомендуется применять напряжение 36 В. В особо опасных помещениях ручной инструмент питается напряжением 36 В, а ручные электролампы - 12 В. Однако в таких помещениях эти напряжения не обеспечивают полной безопасности, а лишь существенно снижают опасность поражения электрическим током.

Источником малого напряжения может быть батарея гальванических элементов, аккумулятор, трансформатор. Наиболее часто применяют понижающие трансформаторы, они просты и надёжны в работе.

Электрическое разделение сетей. Разветвлённая электрическая сеть большой протяжённости имеет значительную ёмкость и небольшое сопротивление изоляции фаз относительно земли. В этом случае даже прикосновение к одной фазе является очень опасным. Если единую, сильно разветвлённую сеть разделить на ряд небольших сетей такого же напряжения, которые будут обладать небольшой ёмкостью и высоким сопротивлением изоляции, то опасность поражения существенно снижается.

Обычно электрическое разделение сетей осуществляется путём подключения отдельных электроустановок через разделительные трансформаторы.

Электрическая изоляция - это слой диэлектрика, которым покрывают поверхность токоведущих элементов, или конструкция из непроводящего материала, с помощью которой токоведущие элементы отделяют от других частей электроустановки.

В электроустановках применяют следующие виды изоляции:

? рабочая изоляция;

? дополнительная изоляция;

? двойная изоляция;

? усиленная изоляция.

Контроль и профилактика повреждённой изоляции - важнейший элемент обеспечения электробезопасности. При вводе в эксплуатацию новых или прошедших ремонт электроустановок проводятся приёмо-сдаточные испытания с контролем сопротивления изоляции. На работающем оборудовании проводится эксплутационный контроль изоляции в сроки, установленные нормативами. Контроль сопротивления изоляции осуществляет электротехнический персонал с помощью специальных приборов.

Защита от прикосновения к токоведущим частям установок. Для исключения опасности прикосновения к токоведущим частям необходимо ограничить их доступность. Это достигается посредством ограждения и расположения токоведущих частей на недоступной высоте или в недоступном месте.

Ограждения применяют сплошные и сетчатые с размером ячейки сетки 25х25 мм. Сплошные ограждения в виде кожухов и крышек применяют в электроустановках до1000 В. Сетчатые ограждения применяют в установках напряжением до и выше 1000 В.

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землёй металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением.

Принцип действия защитного заземления - уменьшение напряжения прикосновения при замыкании на корпус за счёт уменьшения потенциала корпуса электроустановки и подъёма потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по значению к потенциалу заземлённой установки.

Заземление может быть эффективным только в том случае, если ток замыкания на землю не увеличивается с уменьшением сопротивления заземления. В сетях с глухозаземлённой нейтралью напряжением до 1000 В заземление неэффективно, т.к. ток замыкания на землю зависит от сопротивления заземления и при его уменьшении ток возрастает.

Поэтому защитное заземление применяется в сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью.

Согласно Правилам по охране труда при эксплуатации электроустановок, электрическое сопротивление защитного заземления в любое время года не должно превышать:

? 4 Ом в установках напряжением до 1000 в с изолированной нейтралью (при мощности источника тока - генератора или трансформатора менее 100 кВт допускается не более 10 Ом);

? в установках с заземлённой нейтралью сопротивление заземления определяют расчётом исходя из требований по допустимому напряжению прикосновения.

Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части оборудования, которые из-за неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей и животных. В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также наружных установках заземление является обязательным при напряжении электроустановки свыше 42 В переменного и свыше 110 В постоянного тока.

В помещениях без повышенной опасности заземление электроустановок необходимо при напряжениях свыше 380 В переменного и 440 В постоянного тока. Во взрывоопасных помещениях заземление выполняют в любом случае независимо от напряжения электропитания установок.

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей установок, которые могут оказаться под напряжением. Зануление применяют в четырёхпроводных сетях с напряжением до 1000 В и с глухозаземлённой нейтралью.

Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части установки с заземлённой нейтралью источника тока (генератора, трансформатора) или с нулевым рабочим проводником, который в свою очередь соединён с нейтралью источника тока.

Устройства защитного отключения (УЗО) - это быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении опасности поражения человека электрическим током. Опасность может возникнуть при замыкании фазы на корпус, при снижении электрического сопротивления фаз относительно земли ниже определённого предела и по ряду других причин. В этих случаях происходит изменение определённых параметров электрической сети. При выходе контролируемого параметра за допустимые пределы подаётся сигнал на защитно-отключающее устройство, которое обеспечивает установку или электросеть. УЗО должны обеспечивать отключение неисправной электроустановки за время не более 0,2 с. Типы применяемых УЗО разнообразны в зависимости от того, какой параметр электрической сети они контролируют.

Средства индивидуальной защиты - электрозащитные средства (ЭЗС). К ним относятся изолирующие средства, которые делятся на основные и дополнительные.

Основные ЭЗС - это средства защиты, изоляция которых длительно выдерживает напряжение электроустановок, что позволяет с помощью их прикасаться к токоведущим частям, находящимся под напряжением. Для работы на электроустановках до 1000 В к ним относятся: изолирующие штанги, изолирующие и электроизмерительные клещи, диэлектрические перчатки, слесарно-монтажный инструмент с изолированными рукоятками, указатели напряжения.

Дополнительные ЭЗС - это средства защиты, изоляция которых не может длительно выдерживать рабочее напряжение электроустановок. Они применяются для защиты от напряжения прикосновения и шага, а при работе под напряжением исключительно с основными ЭЗС. К ним относятся: при напряжении до 1000 В - диэлектрические калоши, коврики, изолирующие подставки.

ЭЗС должны иметь маркировку с указанием напряжения, на которое они рассчитаны, их изолирующие свойства подлежат периодической проверке в установленные нормативами сроки.

Экономическая часть

1. Расчет себестоимости устройства

В настоящее время, согласно информации из всемирной компьютерной сети, существует множество схем цифровых измерителей температуры. В основном это радиолюбительские схемы, которые реализованы в виде штучных изделий «народными умельцами». Многие из них существенно проще, чем спроектированное в рамках дипломного проекта устройство, и имеют меньшую стоимость. В то же время отметим, что:

точность измерений многих имеющихся конструкций существенно хуже;

верхний предел измеряемых температур обычно не превышает 120 0С;

такие изделия основаны на принципах, не обеспечивающих помехоустойчивость в условиях значительных электрических и магнитных полей.

Поэтому спроектированное устройство имеет ряд преимуществ перед аналогами. Рассчитаем его себестоимость с учетом стоимости материалов и работы по изготовлению изделия. При расчете стоимости производства цифрового измерителя мы будем использовать цены на товары и услуги, характерные для современного уровня развития российской экономики. Цены на детали для электронных устройств взяты из каталога сети магазинов «ЧИП&ДИП» [1]. При определении стоимости производства будем использовать [2, 3].

Расчет стоимости деталей и компонентов, необходимых для производства одной единицы устройства. Для производства устройства понадобятся электрорадиоэлементы, перечисленные на чертеже МИЭМ.461556.001 Э3 «Цифровой измеритель температуры. Схема электрическая принципиальная», в перечне элементов. В табл.4.1 приведена информация о стоимости тех электрорадиоэлемнтов, которые после покупки могут быть использованы непосредственно для производства устройства.

Табл.4.1. Стоимость электрорадиоэлеметов, применяемых в цифровом измерителе

Наименование	Цена, р./шт.	Кол-во в устройстве, шт.	Стоимость, р.
Конденсатор К50-35	17	6	102
Конденсатор К53-10	7	16	114
Резистор С2-53Н (все мощности)	2,5	36	90
Резистор С2-53ПР	25	1	25
Светодиодный индикатор SA10-21EWA	60	3	180
Инт. стабилизатор КР142ЕН5А	27	2	54
Инт. стабилизатор КР1162ЕН5А	33	1	33
Операц. усилитель ICL7650	250	2	500
АЦП AD7892AN-1	750	1	750
Микроконтроллер AT89C52	140	1	140
Датчик температуры DS1621	130	1	130
Преобразователь уровней MAX232CPE	160	1	160
Регистр КР1133ИР23	25	3	75
Тумблер ПТ9-2	70	1	70
Трансформатор ТП-112-4	140	1	140
Трансформатор ТП-112-1	125	1	125
Диод Д237Ж	40	2	80
Выпрям. мост W005M	27	1	27
Все разъемы	--	--	100
Кварцевый резонатор NEW 24.000	20	1	20
ИТОГО:	2915

Кроме того, при создании устройства и его отдельных элементов используются (цены взяты из каталога средних цен комплектующих):

корпус устройства. Его стоимость составляет 500 р.;

термопара. Стоимость одного спая, как отмечалось выше, составляет 1600 р., соответственно, термопара будет стоить около 3200 р. ;

органическое стекло, закрывающее и защищающее светодиодные индикатор. Его стоимость в магазине «Кварц» составляет 50р.;

стойки и винты, используемы для крепления печатной платы внутри корпуса. Их стоимость составляет около 60 р.;

заготовка из стеклотекстолита фольгированного двухстороннего для изготовления печатной платы. Она стоит 150 р.;

провод для подвода питающего напряжения. Его цена около 100 р.;

выносной термодатчик. С учетом оговоренных выше характеристик по термостоикости и свойствам его стоимоть составит не менее 500 р.

Стоимость перечисленных здесь объектов составляет 4560 р.

Итого: затраты на первичные составляющие цифрового измерителя составляют около 7475 р.

Расчет затрат на производство устройство из комплектующих. По оценкам бюро планирования производства ФГУП «НИИР», трудоемкость производства составляет (при частичной автоматизации):

выносного датчика температуры -- 0,5 чел. час.; стоимость 1 чел. час. составляет 200 р., стоимость производства -- 100 р.;

печатной платы в сборе -- 0,25 смены монтажника 8 разряда, оплата 1 смены -- 2000 р., стоимость производства -- 500 р.;

корпуса цифрового измерителя со всеми отверстиями (с учетом сверлильных, фрезерных и других операций) -- около 100 р.;

стоимость сборки устройства -- около 300 р.,

контроль и упаковка -- 300 р.

Печатная плата изготавливается на заказ по чертежам заказчика; ориентировочная стоимость её изготовления составляет 1500 р.

Таким образом, дополнительные затраты на производство составляют 2800 р. С учетом амортизации на вовлеченные в технологические процессы агрегаты и станки затраты составляет 3000 р.

Общие затраты на изготовление, таким образом, составят около 10475 р. Округляя, получаем 10500 р. (при единичном производстве). С учетом уменьшения затрат в массовом производстве и автоматизации, а также оптовых закупок предприятиями комплектующих можно ожидать снижения стоимости затрат до 9700 р.

Если теперь учесть, что продавцы обычно вводят надбавки на цены заводов-изготовителей не менее 30 %, то в этом случае стоимость цифрового измерителя температуры в свободной продаже составит не менее 13150 р. (вероятнее всего 14000 р.; и продавать его будут в узкоспециализированных магазинах электроники и промышленного спецоборудования).

Стоимость разработки устройства и выпуска конструкторской документации для опытного производства по оценкам специалистов ФГУП «НИИР» составляет не менее 270 тыс. руб. (с учетом накладных расходов; фонд заработной платы около 90 тыс. руб), трудоемкость -- не менее 300 человекочасов.

Общие выводы по проекту

Выполнение дипломного проекта завершено. Подводя общий итог проделанной работе, можно сделать следующие выводы.

В ходе дипломного проектирования были использованы схемотехнические и конструкторские решения, позволившие спроектировать цифровой измеритель температуры в соответствии с требованиями ТЗ.

Спроектированное устройство является оригинальной разработкой, выполненной без использования схем-прототипов.

Измерительное устройство отличается высокой точностью показаний, имеет термостабилизацию и обладает важным свойством -- универсальностью.

В ходе выполнения дипломного проекта были пройдены следующие стадии проработки: техническое предложение, эскизный проект, технический проект, стадия выпуска РКД.

В ходе выполнения дипломного проекта решены все задачи, поставленные в техническом задании.

Литература и другие источники

К части 1

1. ЕСКД. Справочное пособие. -- М.: Издательство стандартов, 1989. -- 352 с.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.1. -- М. «Мир», 1986. -- 634 с.

3. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. -- М.: «Горячая линия -- Телеком», 2003. -- 230 с.

4. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. -- М.: Издательство «Феникс», 2002. -- 576 с.

5. Сапаров В.Е., Максимов Н.А. Системы стандартов в электросвязи и радиоэлектронике. -- М., «Радио и связь», 1985.

6. Хрулев А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.2 -- М.: Издательское предприятие «РадиоСофт», 1998. -- 638 с.

7. Каталог сети магазинов «ЧИП И ДИП», 2013 г.

8. Гелль П.П., Иванов-Нсипович Н.К. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры. -- Ленинград: «Энергия», 1972. -- 231 с.

9. Мячев А.А. Интерфейсы средств вычислительной техники. Энциклопедический справочник. -- М.: «Радио и связь», 1993. -- 352 с.

10. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. -- М.: ЗАО Издательский дом «Питер», 2002. -- 523 с.

11. www.philips.com.