Результаты расчета теплового режима блока

Наименование коэффициента	Обозначе- ние	Номер формулы	Численное значение
1	2	3	4
Площадь поверхности корпуса, м2		5.16	0.0972
Площадь условной поверхности нагретой зоны, м2		5.17	0.0702
Удельная мощность корпуса блока,		5.18	185.185
Удельная мощность нагретой зоны,		5.19	256.41
Нагрев, зависящий от , К		5.20	20
Нагрев, зависящий от , К		5.21	25
Коэффициент, зависящий от		5.22	0.9995
Коэффициент, зависящий от		5.23	0.9965
Перегрев корпуса блока, К		5.24	19.99
Перегрев нагретой зоны, К		5.25	24.972
Средний перегрев воздуха в блоке, К		5.26	22.481
Удельная мощность элемента,		5.27	555.555
Перегрев поверхности элемента, К		5.28	32.256
Перегрев окружающей среды элемента, К		5.29	29.038
Температура корпуса блока, К		5.30	327.99
Температура нагретой зоны, К		5.31	332.97
Температура поверхности элемента, К		5.32	340.256
Средняя температура воздуха в блоке, К		5.33	330.481
Температура среды, окружающей элемент, К		5.34	337.038

 

Анализируя рабочие диапазоны температур элементной базы измерителя углов смещения погрузочной платформы, можно заметить, что температура наименее теплостойкого элемента (КР142ЕН8В) составляет 70°С, что значительно выше рассчитанных показателей. Следовательно тепловой режим разрабатываемого устройства находится в норме, а выбор способа охлаждения прибора сделан верно и необходимость в дополнительной теплозащите отпадает.

 

5.4 Расчет конструкторско-технологических параметров печатной платы. Выбор и обоснование метода ее изготовления

 

Существует большое разнообразие видов электрического монтажа. Наибольшее же распространение получили проводной и печатный монтаж. Соединения с помощью монтажных проводов применяются в конструкциях РЭА для электрического соединения сравнительно крупных узлов. Электрические же соединения в самих узлах обычно проводятся с помощью печатных проводников, выполненных на печатных платах. Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает ее повторяемость параметров монтажа (емкость, индуктивность) от образца к образцу.

С целью повышения процента выхода годных плат, применения на предприятиях унифицированного технологического оборудования и снижения трудоемкости применяют единую базовую технологию, которой является:

1) химический метод – для односторонних печатных плат;

2) комбинированный позитивный метод – для двусторонних печатных плат;

3) полуаддитивный (электрохимический) метод – для двусторонних печатных плат с повышенной плотностью монтажа (3–5 класс точности).

Так как данная плата односторонняя и плотность монтажа по 2-му классу допустима, то был выбран химический. Основными достоинствами этого метода являются:

1) возможность обеспечить повышенные требования к точности выполнения проводящего рисунка;

2) установка навесных элементов со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительной изоляции;

3) возможность использования перемычек из проводникового материала;

4) низкой стоимостью конструкции

Односторонняя печатная плата характеризуется: высокими коммутационными свойствами, повышенной точностью соединений, но они имеют достаточно высокую стоимость.

Трассировка односторонней печатной платы осуществим с помощью пакета прикладных программ PCAD в автоматическом режиме, так как данный метод обеспечивает оптимальное распределение проводящего рисунка.

Так как к точности выполнения элементов печатного монтажа не предъявлялось никаких ограничений, то выбираем печатную плату 2-го класса точности. Такие платы наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. Для печатных плат этого класса точности характерны следующие номинальные значения основных параметров узкого места:

1) ширина печатного проводника t=0.5 мм;

2) расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка S=0.5 мм;

3) гарантийный поясок b=0.20 мм.

В соответствии с ГОСТ 10317-79 печатная плата измерителя разрабатывается прямоугольной формы.

Сопрягаемые размеры контура печатной платы должны иметь предельные отклонения по 12 квалитету ГОСТ 25347-82. Несопрягаемые размеры контура печатной платы должны иметь предельные отклонения по 14 квалитету ГОСТ 25347-82. Толщина печатной платы определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Исходя из ряда предпочтительных значений номинальных толщин односторонних печатных плат, выбираем толщину печатной платы Нп=2 мм.

Найдем размеры монтажной зоны. Под установочной площадью ЭРЭ понимается площадь прямоугольника (квадрата), в которую вписывается ЭРЭ вместе с выводами и контактными площадками при установке его на печатную плату. Для расчета площади платы используются следующие формулы:

 

S_е=еSэл (5.35)

 

где Sэл – установочная площадь элемента.

 

Sпл=S_е*Кз (5.36)

 

где Кз – коэффициент заполнения платы, Кз=0.7...0.9.

Получаем площадь печатной платы Устройства управления равную 180 см². При условии, что на односторонние печатные платы рекомендуется выдерживать расстояние между краем проводника, контактной площадки, экрана и краем платы, равное номинальной толщине платы с учетом допуска на габариты платы, выбираем размер печатной платы устройства управления 140х140 мм.

 

5.5 Расчет параметров печатного монтажа

 

Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник - участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционное основание. Характерной особенностью печатного проводника является то, что его ширина значительно больше толщины.

Система печатных проводников, обеспечивающая возможность электрического соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на печатную плату, образует печатный монтаж. Изоляционное основание, с нанесенным на ее печатным монтажом, образует печатную плату.

Диаметр отверстия в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечивает возможность свободной установки электрорадиоэлемента. При диаметре вывода до 0,8мм диаметр неметализированного отверстия делается на 0,2мм больше диаметра вывода, а при диаметре вывода более 0,8мм - на 0,3мм больше.

Разрабатываемая печатная плата является двусторонней печатной платой из стеклотекстолита СФ-2Н-50-2. Ее размеры:140х140х2 мм.

Печатные платы первого и второго классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. Поэтому печатная плата выполнена по второму классу точности.

При расчете проводящего рисунка печатной платы используются данные ГОСТ 23751 - 86 и ГОСТ 33751 - 79.

1) Минимальный диаметр контактной площадки для отверстия под установку компонентов платы:

 

, (5.37)

 

где - номинальный диаметр отверстия;  - верхнее отклонение диаметра отверстия для   второго класса точности печатной платы;  - верхнее предельное отклонение ширины проводника;  - величина гарантированного пояска;

 - значение подтравливания диэлектрика в отверстии. С учетом того, что плата является односторонней, далее не учитывается;  - значение позиционного допуска расположения центра отверстия относительно номинального расположения узла координатной сетки;  - значение позиционного допуска расположения центра контактной площадки относительно ее номинального положения;  - нижнее предельное отклонение ширины проводника.

Подставляя числовые значения в формулу (5.37), определим минимальные диаметры контактных площадок под установку различных элементов. Расчетные данные сведем в таблицу 5.4.

 

Таблица5.4

Минимальные диаметры контактных площадок для различных компонентов устанавливаемых на печатную плату

Наименование компонентов	Диаметр выводов, мм	Номинальный диаметр отверстия, мм	Минимальный диаметр контактной площадки, мм
1	2	3	4
Микросхема КР1006ВИ1	0,5	0,9	1,92
Резисторы МЛТ-0,25 и МЛТ-0,5; Конденсаторы КМ-5 Диоды КД 522	0,6	1,1	2,12
Конденсаторы К50-35 (100...500мкФ)	0,8	1,8	2,32
Диодный мост КД 233Г	0,8	1,8	2,32
Транзисторы КТ 361Г и КТ972А Микросхема КР 142 ЕН 8Б	0,9	1,3	2,32
Резисторы СП 5- 2	1,0	1,45	2,47
Трансформатор Запайка шнура питания	1,4	1,8	2,82

 

2) Минимальное расстояние между центрами отверстий под установку выводов микросхем для прохождения одного проводника между ними:

 

, (5.38)

 

где  - минимальный диаметр контактной площадки для выводов микросхем;  - минимальное значение ширины проводника для узкого места;  - число проводников; - наименьшее номинальное значение расстояния между проводниками для узкого места; - диаметральное значение позиционных допусков расположения печатных проводников, относительно соседнего места проводящего рисунка.

.

Следовательно, между выводами микросхем нельзя проводить проводники.

3) Рассчитаем ширину проводника. Она выбирается из условия:

 

, (5.39)

, (5.40)

 

где  - плотность тока;  - толщина фольги;  - ток потребления компонента; -для трансформатора;  - для микросхемы КР1006ВИ1;  - для микросхемы КР 142ЕН8Б;             Произведем расчет  по наибольшему :

.

Технологически обеспечивается .

Значение рассчитывается по формуле:

 

, (5.41)

 

где  - минимальная эффективная ширина проводника;  - погрешность при экспонировании;  - погрешность ширины проводника на шаблоне.

Подставив значения в формулу (5.41), получим:

.

Следовательно, выбираем .

Проанализировав произведенные расчеты можно сделать вывод, что плата с диаметрами контактных площадок приведенными в табл.5.4 и минимальной шириной проводников равной 0,45 мм будет удовлетворительно работать при электрических нагрузках, соответствующих принципиальной электрической схеме данного устройства.

 

 

5.6 Расчет конструкции на виброзащищенность

 

Для того, чтобы проверить насколько хорошо защищено проектируемое устройство от механических воздействий, необходимо провести расчеты собственных частот вибраций блока и платы, а затем подобрать соответствующие виброизоляторы.

Так как проектируемое устройство предполагается использовать без виброизоляторов, то в этом случае плата является единственной колебательной системой.

Жесткость платы зависит от материала, формы, геометрических размеров и способа закрепления.

Печатная плата разрабатываемого прибора изготовлена из стеклотекстолита марки СФ – 2Н – 50 - 2. Она имеет прямоугольною форму следующих размеров: ахbxh =140x140x2 мм

Крепится плата в устройстве в четырех точках крепления (см.рис.5. 1).

Крепление платы

 

Рис. 5.1

 

При расчете собственной частоты вибрации печатной платы используют следующие допущения:

- плата представляется в виде модели распределенными массами и упругими демпфирующими связями;

- ЭРЭ на плате располагаются равномерно на ее поверхности;

- плата с элементами принимается аз тонкую пластину, так как - толщина платы принимается постоянной, h = const;

- материал платы однородный, идеально упругий, изотропный;

- возникающие изгибные деформации малы по сравнению с толщиной платы;

- при изгибе платы нейтральный слой не подвергается деформации растяжения (сжатия).

Основная резонансная частота колебаний платы, определяется по формуле:

 

, (5.42)

 

где - поправочный коэффициент, учитывающий способ закрепления платы (в четырех точках); - длина платы; D - цилиндрическая жесткость платы; m - распределенная по площади масса платы и элементов;      

Цилиндрическая жесткость платы определяется по формуле:

 

, (5.43)

 

где - модуль упругости материала платы;  - толщина платы; - коэффициент Пуассона.

Распределенная по площади масса платы и элементов определяется из выражения:

 

, (5.44)

 

где - удельная плотность материала платы; - масса элементов, установленных на плате:

 

, (5.45)

 

где - масса i - го элемента, установленного на плате; n=129 - количество элементов, установленных на плате.

Так как , то из формулы (5.45):

Подставляя найденные величины в формулу (5.42), определим частоту собственных колебаний печатной платы:

В результате механических воздействий печатная плата подвержена усталостному разрушению, в особенности при возникновении механического резонанса. Чаще всего усталостные отказы проявляются в виде обрыва проводников, разрушения паянных соединений, нарушения контактов в разъемах. Подобные разрушения можно предотвратить, если обеспечить выполнение условия:

 

 (5.46)

 

где - минимальная частота собственных колебаний платы; - ускорение свободного падения, g = 9.81м/c²; - безразмерная постоянная, выбираемая в зависимости от частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений; - максимальные вибрационные перегрузки, выраженные в единицах g. Получим,

.

Условие (5.46) выполняется (). Следовательно, проектируемая плата будет иметь достаточную усталостную прочность при гармонических вибрациях.

Проектируемое устройство в процессе эксплуатации будет подвергаться воздействию вибраций в диапазоне 30...120 Гц.

Определим эффективность виброзащиты по формуле:

 

, (5.47)

 

где - верхняя частота диапазона воздействующих частот, Гц; - резонансная колебаний печатной платы, Гц.

Подставив значения, получим:

.

Таким образом можно сказать, что спроектированное устройство на 67٪ защищено от вибрационных воздействий.

 

5.6 Проектирование и расчет катушки газонатекателя

 

Выбор обоснование конструкции прибора необходимо начать с выбора и расчета рабочего органа. Это необходимо для получения заданных выходных характеристик схемы усиления при известной магнитной индукции на рабочей поверхности катушки.

В промышленных устройствах катушки и постоянные магниты обычно помещают в корпус из пластмассы, что диктуется как требованиями электробезопасности и санитарной обработки, так и соображениями эргономики и эстетики. В катушках для сохранения возможно большего диаметра полости особое внимание обращают на то, чтобы прослойка воздух— пластмасса по внутреннему диаметру была незначительной. Увеличение толщины обмотки катушки тоже нежелательно, иначе возрастает масса. В то же время при неизменном внутреннем диаметре увеличение толщины обмотки может быть целесообразным в том случае, если необходимо повысить магнитную индукцию, которая пропорциональна среднему радиусу. Для электромагнита и постоянного магнита расстояние между пластмассовой рабочей поверхностью и расположенным под ней полюсом по возможности уменьшают, иначе область наибольшей интенсивности магнитного поля окажется неиспользованной.

Зона действия источника тем дальше распространяется, чем более удалены друг от друга полюса. Поэтому глубина проникновения поля зависит от нормированной длины индуктора и растет по мере увеличения ее.

Толщину корпуса катушки принимаем 1 см.

В качестве рабочего органа натекателя могут использоваться электромагниты и соленоиды. Применение электромагнитов целесообразно в натекателе, т.к. магнитное поле концентрируется внутри него. Также электромагниты обладают большей магнитной индукцией по сравнению с соленоидами, а следовательно при одинаковой индукции меньшими габаритными размерами, потребляемой мощностью, проще в эксплуатации. Поэтому в разрабатываемом приборе будем использовать электромагнит.

Прямоугольные или цилиндрические сердечники индукторов-электромагнитов, предназначенных для создания переменного магнитного поля, изготавливаются из листовой или ленточной (рулонной) электротехнической стали. Из-за наличия изоляции между пластинами или слоями ленты и невозможности их плотной укладки коэффициент заполнения сечения сердечника сталью всегда меньше единицы. Наибольший коэффициент заполнения – у ленточных магнитопроводов. Поэтому часто используют сердечник П-образной формы с прямоугольным сечением, который представляет собой половину разрезного ленточного магнитопровода типа ПЛ, ПЛМ или ПЛР, габариты которого выбирают по ГОСТ 22050—76 “Магнитопроводы ленточные. Типы и основные размеры”.

Для изготовления прямых сердечников с прямоугольным сечением нужны изолированные пластины без отверстий, которые собирают в пакеты. Целесообразно применение готовых пластин, например, 1-образных (см. ГОСТ 20249—80). Направление длинной стороны этих пластин совпадает с направлением проката, если они изготовлены из анизотропного материала. Когда стандартные размеры не подходят, пластины вырезают вдоль длинной стороны листа электротехнической стали.

Если предполагается круглое поперечное сечение сердечника, как у разрабатываемого электромагнита, то на практике оно реализуется в виде симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, которая в этом случае является диаметром стержня. Ступенчатое сечение его образуется пакетами пластин. Число ступеней, определяемое по числу пакетов в одной половине круга, может быть различным. Увеличение числа ступеней повышает коэффициент заполнения сталью, но одновременно увеличивает число типов пластин, имеющих различные размеры, и тем самым усложняет их заготовку и сборку.