Разработка конструктивно и функционально законченного электронного средства не ниже 2-го структурного уровня

Общие технические условия определим группу жесткости для цифрового тахометра:Наименование воздействующего фактораДопускаемые значения воздействующего фактора по группам жесткости1234Температура окружающей среды, °СВерхнее значение5585100120Нижнее значение-25-40-60Относительная влажность воздуха, %759898при температуре до 35 °Спри температуре до 40 °ССмена температур, °СОт -25до +55От -40до +85От -60до +100От -60до +120Атмосферное давление, Па (мм рт.ст.)Нормальное53600(400)666(5)Анализ таблицы показал, что цифровой тахометр относится к 1-ой группе жесткости.В качестве материала основания ПП выбирается стеклотекстолит, облицованный с обеих сторон гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм СФ-2-35Г, отверстия с металлизацией и с оплавлением.Определение габаритных размеров ППРассчитаем приблизительную зону размещения ЭРИ,где Sустi – установочная площадь ЭРИ;n – число ЭРИ;k – коэффициент, определяющий плотность установки ЭРИ.Возьмем промежуточное значение k = 3. Тогда зона размещения ЭРИ составляетS = 3·(7,5·19,5·10 + 10,3·4,8 + 4·7,6 + 1,9·3,8·2 + 7,2·3·5 + 4,5·11·11 ++ 2,3·6,3·2 + 5·5·2 + 11,5·9·2 + 9·7,1 + 5,6·4·2 + 5·9·2) = 6824,88 мм2.Площадь печатной платы, согласно заданию, размерами 60115 мм равна SПП = 60·115 = 6900 мм2.Таким образом, зона размещения ЭРИ меньшеплощади двухсторонней ПП и возможно размещение ЭРИ на такой ПП.Толщина печатной платы определяется толщиной материала основания с учетом толщины фольги и химико-гальванических покрытий. Возьмем номинальную толщину печатной платы, равную 3 мм.Расчет элементов проводящего рисунка ПП1) Для двусторонней ПП 2-го класса точности с размером по большей стороне до 180 мм по ГОСТ 23751-86 определяем основные параметры и размеры:наименьший номинальный диаметр контактной площадки для узкого места – 1,6 мм;ширина печатного проводника – t = 0,45 мм;расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка – S = 0,45 мм;гарантийный поясок – b = 0,45 мм;отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы или ГПК – g = 0,45 мм;верхнее предельное отклонение диаметра Δd =0,05 мм;нижнее предельное отклонение диаметра Δd =-0,18 мм;верхнее предельное отклонение ширины печатного проводника Δt = 0,15 мм;нижнее предельное отклонение ширины печатного проводникаΔt = -0,1 мм; позиционный допуск расположения осей отверстий ТД = 0,15 мм;позиционный допуск расположения центров контактных площадок ТD = 0,25 мм;позиционный допуск расположения печатного проводника Тl = 0,1 мм.2) Сечение выводов конденсаторов и резисторов имеют выводы диаметром 0,5 мм. Сечение выводов микросхем, транзисторови диодов – прямоугольное со сторонами 0,5 и 0,35 мм. Максимальный диаметр вывода dЭ для прямоугольных сечений выводов равен длине диагонали, т.е. мм.Определим номинальный диаметр монтажных отверстий dпо формуле,где – нижнее предельное отклонение диаметра отверстия;r – разность между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода (равна 0,1-0,4 для ручной установки).мм.Округлим величинуd в большую сторону до десятой мм, получим d = 1,1 мм.Проверяем выполнение неравенства, где НП – толщины ПП.Получаем или 1,11,0 т. е. неравенство выполняется.3) Наименьший  номинальный диаметр D контактной площадки рассчитывается по формуле,где d – номинальный диаметр монтажных отверстий;∆dВ.О – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;∆tВ.О – верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;∆dТР – значение подтравливания диэлектрика в отверстии, равное 0,03 мм для многослойных печатных плат, нулю – для ОПП, ДПП и ГПК;∆tП.О – нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки. ммОкруглим величинуD в большую сторону до десятой мм, получим D = 2,1 мм.4) Определим наименьшее номинальное расстояние l для прокладки  n проводников по формулегде D1,D2– диаметры контактных площадок;n– количество проводников.Определим наименьшее номинальное расстояние l для прокладки  двух проводниковмм.Разработка конструкции электронного средстваДля размещения печатной платы размерами 60115 мм используем стандартный полистироловый корпус A9020065. Стандартный корпус состоит из двух частей, соединяющихся 4 винтами, которые прилагаются к корпусу. Габаритные размеры – 1206540 мм. На внутренней поверхности обоих частей пластикового корпуса расположено по 4 цилиндрические стойки-отливки для крепления печатной платы. Внутри каждой стойки по центру сделано крепежное отверстие диаметром 2 мм и глубиной 3 мм под винт, четыре винта прилагаются.Корпус устойчив к действию кислот и щелочей, пригоден для использования в пыльной среде.Степень защиты IP40 указывает на защиту содержимого корпуса от посторонних предметов с диаметром более 1 мм. Вес корпуса составляет 68 г.Поверочные расчетыРасчет теплового режимаПроведем расчет среднеповерхностной температуры корпуса методом последовательных приближений.Исходными данными для расчета являются: длина корпуса блока L = 120 мм; ширина B = 65 мм; высота H = 40 мм, ɛ – степень черноты его поверхности (для пластмасс ɛ = 0,91); максимальное значение температуры окружающей среды ТС = 35 С; мощность, рассеиваемая в блоке,Р = 3,69 Вт.Расчет:1 Пусть перегрев корпуса относительно окружающей среды в первом приближении равен = 5 С.2Тогда температура корпусав первом приближении:С.3Определяется средняя температура между корпусом и средойв первом приближении:С.4 Площадь поверхности корпуса, м2:= м2= 30400 мм2.5 Определяющий размер LЭ эквивалентного куба, мм:71,18 мм.6 Проверка выполненияусловиявида теплового потока от корпуса в среду:.5 1643Условие выполняется, следовательно, действует закон «степени ¼».7 Значение конвективного коэффициента теплоотдачи:Движение среды вблизи поверхности тел ламинарное (теплообмен подчиняется закону «степени ¼») для горизонтально ориентированной поверхности длиной L, обращенной нагретой стороной вверх: 3,72 .8 Значения конвективных коэффициентов теплопередачи для верхней, нижней и боковых поверхностей кожуха:;;.9 Коэффициент теплообмена излучением:,где, – приведенная степень черноты, связанная со степенями черноты – излучающей поверхности со степенью черноты , – коэффициент облученности; – функция, зависящая от температур .=7,0410 Суммарная тепловая проводимость корпуса:м2,м2,.11. Определяется реальный перегрев корпуса С12. Проверкавыполнения условия:СУсловие выполняетсяв первом приближении, следовательно, перегрев корпуса С.Расчет надежностиРасчет надежности: за t = 10000 ч вероятность безотказной работы устройства должна составлять не менее P(t)=0,97.Окончательный расчет надежности, называемый схемным, выполняется по принципиальной электрической схеме. Производится этот расчет на этапе технического проектирования по опытному образцу изделия для известных условий эксплуатации, режимов работы всех элементов и конструктивного оформления.Для окончательного расчета используются те же формулы, что и для ориентировочного, только интенсивности отказов элементов λэ берутся с учетом реальных условий эксплуатации, т.е. вводится ряд поправочных коэффициентов.Значения коэффициентов выбираются из таблиц.1) Коэффициент, учитывающий условия эксплуатации функционального узла, определяется по формуле: .Таблица 6 – Поправочный коэффициент для различных условий эксплуатации К1Условия эксплуатации аппаратурыВибрация К1Ударные нагрузки К1Суммарные воздействияЛабораторные условия1,01,01,0Стационарные (полевые) 1,041,031,07Корабельные 1,31,051,37Автофургонные1,351,081,46Железнодорожные1,41,11,54Самолётные1,461,131,65Таблица 7 – Поправочный коэффициент, учитывающий влияние влажности и температурыК2Влажность, %Температура, СКоэффициентК260…7020…401,060…8050…601,590…9820…252,090…9830…402,5Таблица 8 – Поправочный коэффициент, в зависимости от давления воздухаК3Высота, км0…11…22…33…55…6К31,01,051,11,141,16Высота, км6…88…1010…1515…2020…25К31,21,251,31,351,38Поправочные коэффициента для условий эксплуатации для данного случая:К1= 1,07 (стационарные РЭС),К2=1,0 (для влажности 60-70 % при температуре воздуха 20-40 С),К3=1,0 (нормальное давление воздуха на высоте 0-1 км над уровнем моря)Тогда,.2)Коэффициент нагрузки – КН, учитывающий режим электрической нагрузки и температуру блока, полученную в результате теплового расчета принимается:-для резисторов – 0,5,-для конденсаторов – 0,5,-для транзисторов – 0,2,-для диодов – 0,2,-для остальных компонентов – 0,6.3) Интенсивность отказа конденсаторов: 1/чИнтенсивность отказа резисторов: 1/чИнтенсивность отказа диодов: 1/чИнтенсивность отказа индикатора: 1/чИнтенсивность отказа паяного соединения: 1/чИнтенсивность отказа микросхем: 1/чИнтенсивность отказа транзисторов: 1/чИнтенсивность отказа печатной платы: 1/чИнтенсивность отказа соединителя: 1/чИнтенсивность отказа системы:= (0,327 + 0,409 + 0,0546 + 0,114 + 0,0018 + 0,141 + 0,013 + 0,42 ++ 0,00246)·10-6 = 1,48·10-6 1/чСреднее время наработки на отказ:ч.Выполняется неравенство=67 437 ч > ч.Поэтомурасчетное среднее время наработки на отказ превышает заданное время наработки на отказ .Вероятность безотказной работы устройства.Вывод: расчетная надежность удовлетворяет требованиям ТЗ.ЗаключениеЗаданием на курсовой проект являлась разработка функционально и конструктивно законченного электронного модуля не ниже 2-го структурного уровня. Исходные данные на выполнение курсового проекта: электрическая принципиальная схема, технические требования на разработку электронного средства.В результате выполнения курсового проекта была разработана конструкция цифрового тахометра.В процессе проектирования устройства были обеспечены конструкторские требования технического задания. Достигнута высокая надежность работы: при времени наработки t=10 000 ч вероятность безотказной работы составила P(t)=0,985, что удовлетворяеттребованиям технических условиях (P(t) 0,97).Разработанаоднадвусторонняя печатная плата для цифрового тахометра.В конструкторской части при проведении расчетов (расчет надежности, тепловой расчет) показано, что выбранная элементная база полностью соответствует требованиям технического задания.Библиографический списокПирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. М.: Инфра-М, 2011. – 560 с.Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера, 2005. – 304 с.Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: Группа ИДТ, 2007.Каталог «Чип и дип» //[Страница магазина электронных компонентов]. URL:http://www.chipdip.ru/Надежность электрорадиоизделий: Справочник. Издательство МО РФ, 2006.Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник М.: НТЦ Микротех, 1998.Хрулев А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги. В 3 томах. М.:РадиоСофт, 2000.(обязательное)Схема электрическая принципиальная(обязательное)Перечень элементов(обязательное)Чертеж печатной платы(обязательное)Чертеж печатного узла(обязательное)Спецификация