Проанализировать предложенную эл. схему изделия-аналога «Часы с термометром и барометром » (журнал «Радио» №4, №5 2003г. ) и усовершенствовать (дополнить) её элементами контроля, регулирования и управления (ЭКРУ), элементами обеспечения безопасности (ЭОБ), элементами внешних соединений: провода, кабели, разъёмы (ЭВС).

2.Назначение и область применения.

Сформулировать:

- наименование (тип) изделия,

- назначение и область применения изделия (место применения, объект установки),

- исполнение, категорию и условия эксплуатации согласно ГОСТ 15150 и ГОСТ 17516.1-90

Дать аннотацию принципа действия изделия.

3.Состав изделия.

Определить схему компоновки изделия (централизованная или децентрализованная).

4. Функциональные узлы эл. схемы изделия.

Разбить эл. схему изделия Э3 на функциональные узлы (ячейки) (схему см. ниже). Для этого следует выделить и поместить все ЭКРУ на панель управления (переднюю панель), ЭОБ и ЭВС - на заднюю панель , а выносные элементы (датчики, антенны, нагрузки и т.п.) выделить и соединить с изделием с помощью ЭВС. Остальные элементы разместить на шасси (включая собранные печатные платы). При этом соединительные провода рекомендуется объединять в жгуты (кабели), подсоединяемые к соответствующим соединителям или выводам ЭРИ.

Полученную монтажную схему (ЭО) поместить в приложение.

Панель Задняя

управления Шасси панель

5. Технические характеристики (ТХ) изделия.

Определить технические характеристики (показатели назначения) изделия и их величины (диапазон величин), которые будут контролироваться, регулироваться или управляться в процессе выполнения изделием заданных функций. Одновременно определить функции (назначение) соответствующих ЭКРУ (с указанием их обозначений на эл. схеме и №№ позиций согласно чертежам). ТХ оформить в виде таблицы. Например:

ТХ изделия,

которые будут контролироваться, регулироваться

или управляться соответствующими ЭКРУ

Величина (диапазон изменения) ТХ,

единица измерения

ЭКРУ, наименование, тип,

функция

(назначение)

Обозначение ЭКРУ на эл. схеме

№№ поз.

на чертеже

Напряжение питания

220 В

Переключа-

те ль

клавишный

ПТ83-2р1

(включе-

ние/выключение напряжения пита-

ния)

SA1

Напряжение

питания

Светодиод

АЛ307 ГМ

(световая инди-

кация включён-

ного положе-

ния)

HL1

Измеряемая

температура

(-40

…+85)⁰ С

Индикатор

цифровой

АЛС324А

(индикация из-

меряемой тем-

пературы)

HG1

6. Требования безопасности.

Предусмотреть в конструкции изделия технические решения и дать обоснования по обеспечению электробезопасности изделия для оператора (пользователя) с учётом требований

ГОСТ 12.2.007-75 и других стандартов ССБТ.

В ПЗ при изложении обоснования указывать для ЭОБ их обозначения на эл. схеме и №№ позиций согласно чертежам.

7. Элементная база.

Составить Перечень всех ЭРИ изделия согласно его эл. схеме и поместить в приложение.

Выбрать, согласно п. 4 ТЗ, для ЭКРУ, ЭОБ и ЭВС соответствующую элементную базу и элементы соединения (разъёмы, провода, кабели) с учётом : их технических характеристик., эл. режимов при работе в схеме изделия, условий эксплуатации согласно ГОСТ 15150, габаритных, установочных и присоединительных размеров (справочники, каталоги, ТУ, CD, Интернет и т.п.).

На чертежах (эскизах) ЭКРУ, ЭОБ и ЭВС указать их обозначения на эл. схеме и №№ позиций по чертежам и поместить в приложение.

Примечание : все ЭРИ должны быть отечественного производства.

8. Требования эргономики и технической эстетики.

Выполнить компоновку панели управления и задней панели с учётом требований эргономики и технической эстетики.

Обосновать в ПЗ (с указанием обозначения на эл. схеме и №№ позиций элементов согласно чертежам):

а) размещение, а также выбор формы и размеров ЭКРУ, ЭОБ и ЭВС с точки зрения требований эргономики. Функциональную взаимосвязь элементов показать, объединяя их в соответствии с принципом группировки.

б) выбор цвета панели управления, задней панели и кожуха изделия с точки зрения рекомендаций технической эстетики.

9. Разработка КД.

Разработать сборочные чертежи (СБ) и составить к ним спецификации для панели управления и задней панели изделия в соответствии с требованиями ЕСКД и с учётом :

а) габаритных, установочных и присоединительных размеров ЭКРУ, ЭОБ и ЭВС; показать на чертежах способы их крепления;

б) назначения элементов, требований безопасности, эргономики и технической эстетики (см. технические решения по п.п. 6 и 8).

Чертежи (СБ) и спецификации к ним поместить в приложение.

10. Конструктивные требования.

10.1. Предусмотреть в конструкции изделия технические решения и дать обоснования:

а) по теплоотводу (теплопроводность, конвекция, температурное излучение) (например: жалюзи, отверстия в кожухе, принудительное охлаждение и др., соответствующая окраска кожуха);

б) по защите от механических воздействий (амортизаторы).

При обосновании технических решений приводить соответствующие положения теории (формулы, графики, рекомендации и т.п.).

10.2. Разработать чертёж внешнего вида (ВО) изделия (в аксонометрии) и определить (ориентировочно) его габаритные размеры.

Чертёж внешнего вида (ВО) поместить в приложение.

Техническое задание разработал _____________________[ Васкевич С.И.]

(подпись)

4 . Технические решения и обоснования по пунктам Т. З.:

4.1. Анализ электрической схемы изделия.

Разработаны часы с термометром и барометром и выполнена компоновка элементов в соответствии с электрической схемой изделия-аналога [Журнал "Радио" за 2003г., выпуск 4,5](Приложение 7.1). Предложенная схема была дополнена следующими элементами (Приложение 7.2):

Элементы контроля, регулирования и управления (ЭКРУ):

1. Индикатор включения питания (Светодиод (HL1) АЛ307Б).

2. Устройство контроля включения питания (Тумблер (S1)).

Элементы внешних соединений (ЭВС):

1. Сетевой провод ШВВП

2. Вилка ВД-1

4.2. Назначение изделия и область его применения.

Наименование устройства.

Часы с термометром и барометром.

Назначение и область применения изделия.

Прибор предназначен для отображения текущего значения времени, температуры и и атмосферного давления, заменяя таким образом три обычных бытовых прибора. Он может быть связан по последовательному интерфейсу с персональным компьютером, который может откалибровать шкалы термометра и барометра, а при необходимости -собрать данные для вывода на экран графиков изменения их показаний за выбранный интервал времени. Также предусмотрено возможность отслеживания состояния батареи с помощью индикатора.

Устройство применяется в бытовых условиях.

Исполнение, категория и условия эксплуатации:

ГОСТ 15150:

Климатическое исполнение изделия: умеренный холодный климат (УХЛ)

Категория размещения изделия: 4.2 (для эксплуатации в лабораториях, капитально жилых и других подобного типа помещениях).

Прибор относится к группе наземной переносной РЭА. Габаритные размеры: 210´160´80 мм. Масса не более 1 кг. Конструкция прибора должна предусматривать возможность программирования через штыревые колодки ISP и RS232.

Значение температуры воздуха при эксплуатации:

· рабочее (верхнее): +40 С

· рабочее (нижнее): -40 С

· предельное (верхнее): +45 С

· предельное (нижнее): - 50 С

Относительная влажность:

· нижнее значение: 60% при 20 С

· верхнее значение 80% при 25 С

Атмосферное давление:

· рабочее (нижнее): 650 мм. рт. ст.

· рабочее (верхнее): 800 мм. рт. ст.

Материал корпуса: силумин АЛ34 (ВАЛ5), ГОСТ 2685 – 75 [4].

ГОСТ 17516.1-90:

Место размещения и условия эксплуатации:

Перемещение и манипулирование и перемещение людьми(низкая физической активностью и не использующих одновременно изделия(инструменты) с высокой механической мощностью), работа в местах с малозначительными вибрациями, перевозка в хорошо амортизированных видах транспорта (самолеты, суда, железнодорожный транспорт, автомобили).

Группа механического исполнения: М21 (перемещаемые нестационарные изделия, работающие в движении).

Синусоидальная вибрация:

1. диапазон частот(f): 0,5-200 Гц

2. максимальная амплитуда ускорения(g): 2 м/с^-2

Удары одиночного действия:

1. пиковое ударное ускорение(g): 10 м/с^-2

2. длительность действия ударного ускорения: 2-20 м/с^-2

Удары многократного действия:

1. пиковое ударное ускорение(g): 7 м/с^-2

2. длительность действия ударного ускорения: 2-20 м/с^-2

Принцип действия устройства.

Три канала контроля за фазным напряжениям по схеме идентичны. Поэтому рассмотрим работу только одного из них, контролируещего напряжение фазы А. Цепь R1, R4,VD2,R10,R17,C4 формирует из переменного фазного напряжения пропорциональное ему постоянное. Последнее поступает на входы двух ОУ микросхемы DA3, служащих компораторами. На инвертирующий вход нижнего по схеме компоратора с резистивного делителя R1R12 подано напряжение, задающее порого срабатывания защиты при превышении фазным напряжением допустимого значения. На инвентирующий вход второго (верхнего) компоратора подано напряжение «нижнего» порога (с резистивного делителя R7R11). Выходы компораторов соединены с входами элемента ИЛИ-НЕ DD1.1. Логический уровень на выходе этого элемента высокий, пока контролируемое фазное напряжение остается в установленных подстроечными резисторами R11 и R12 пределах.

Элемент DD2.1 объединяте выходные сигналы трех каналов контроля. Пока ни один из них не сработал, уровень на выходе этого элемента – низкий. Светодиод HL2 не горит, сигнализируя об исправности трехфазной сети. Аналогично элементу DD2.1 действует элемент DD2.2, но на один из его входов дополнительно подан сигнал срабатывания узла контроля температуры. Поэтому транзистор VT1, цепь базы которого подключена к выходу элемента DD2.2 через интегрирующую цепь R22C7 и инвертор DD2.3, открыт лишь при условии, что сеть исправна и температура корпуса электродвигателя ниже допустимой.

В цепь коллктора транзистора VT1 включена обмотка реле K1. Если все в порядке, реле K1 и контактор KM1 находятся в сработавшем состоянии и электродвигатель подключен к сети. В аварийной ситуации транзистор будет закрыт и разомкнувшиеся контакты реле K1.1 обесточат обмотку пускателя КМ1, который отключит электродвигатель. Упомянутая выше цепь R22С7, задерживает срабатывание защиты на 2…4 с, предотвращает реакцию на кратковременные броски сетевого напряжения.

Датчиком температуры корпуса электродвигателя служит терморизистор RK1. С помощью ОУ DA6 напряжение, падающее на терморезисторе, сравнивают с образцовым, поступающим на инвертирующий вход ОУ с резистивного делителя R9R16. В случае перегрева электродвигателя сопротивление терморезистора и падение напряжения на нем уменьшаются на столько, что высокий логический уровень на выходе DA6 сменяется низким, приводя к зажиганию светодиода HL1 и к отключению электродвигателя пускателем KM1.

Длина проводов, соединяющих терморезистор RK1 с защитным устройством, может достигать 2…3 м. конденсатор С1 устраняет наведенные на эти провода помехи.

Узел питания защитного устройства состоит из понижающего трансформатора T1, диодного моста VD1, конденсатора фильтра С2 и двух интегральных стабилизаторов –DA1 И DA2. Напряжением 9В с выхода первого стабилизатора питают микросхемы DA3-DA6, DD1,DD2. потребляемый ток не превышает 30мА, поэтому теплоотвод микросхеме DA1 не требуется. Из напряжения 5В, стабилизированного микросхемой DA2, получают образцовые уровни напряжения для установки порогов срабатывания защиты.

Основные технические характеристики устройства:

Напряжение питания, В …………………………………………………...380

Частота питающей сети, Гц ………………………………………………...50

Номинальный входной ток, А ..............…………………………………….63

Мощность нагрузки, кВт ……………………………………………..……..75

4.3. Состав изделия.

Изделие имеет централизованную схему компоновки и представляет собой моноблок, имеющий вилку для подключения к сети и розетку для подключения нагрузки (двигатель), а также выносной элемент RK1, который устанавливается непосредственно на двигатель.

RK1

Розетка щитовая

ШЩ 4х60 5ДК 702-1

Вилка

ШК 4x15 6ДК 266017

Рис. 1. Блок-схема УЗ-3Д

4.4. Функциональные узлы электрической схемы изделия.

Прибор состоит из передней и задней панелей, шасси и защитного кожуха П-образной формы и внешнего элемента - датчика.

Рис. 2. Блок-схема функциональных узлов электрической схемы изделия УЗ-3Д

При разбиении электрической схемы изделия на функциональные узлы на панель управления были помещены следующие элементы:

· переключатель SA1 включения и выключения напряжения питания прибора;

· светодиодный индикатор HL3, сигнализирующий о включении питания;

· светодиодный индикатор HL2, сигнализирующий о неисправности сети;

· светодиодный индикатор HL1, сигнализирующий о перегреве двигателя;

на заднюю панель были помещены следующие элементы:

· предохранитель FU1:

· разъемы подключения сети ~380 и двигателя (вилка и розетка):

· клемма "Заземление"

· монтажные провода к датчику RK1

выносной элемент RK1.

Остальные элементы (сетевой трансформатор, печатная плата реле и пускатель) размещены на шасси .

4 .5. Технические характеристики изделия.

ТХ изделия,

которые будут контролироваться, регулироваться

или управляться соответствующими ЭКРУ

Величина (диапазон изменения) ТХ,

единица измерения

ЭКРУ, наименование, тип,

функция

(назначение)

Обозначение ЭКРУ на эл. схеме

№№ поз.

на чертеже

Напряжение

Питания

220 В

Переключате ль

клавишный

ПКЛ-45

(включение /

выключение

напряжения

питания)

SA1

Напряжение

Питания

Светодиод

ЗЛ336Б

(световая инди-

кация включён-

ного положе-

ния)

HL3

Контроль

температуры

двигателя

Светодиод

ЗЛ336И

(световая сигнализация перегрева двигателя)

HL1

Контроль

напряжения

питания

двигателя

Светодиод

ЗЛ336И

(световая сигнализация о выходе напряжения за установленные пределы)

HL2

4 .6. Требования безопасности.

Конструкция изделий обеспечивает электробезопасность пользователя в процессе эксплуатации изделий:

1) Прибор имеет полностью закрытый корпус, исключающий контакты с находящимися под напряжением частями устройства, корпус выполнен из пластмассы.

2) Тепловое реле в пускателе КМ1 отключит устройство при превышении максимального тока;

3) Защитное заземление объединяет все металлические элементы конструкции, доступ к которым возможен при наладке, ремонте и эксплуатации, с общей шиной с отводами наименьшей конструктивной длины с глухозаземлённой нейтралью первичной питающей сети, располагаемой обычно около фундамента здания.

4) Надежная изоляция токоведущих частей.

5) На задней панели предусмотрены уплотнительные кольца в местах выхода сетевого шнура и монтажного провода из корпуса для предотвращения их истирания в процессе эксплуатации.

6) Световая индикация включения сетевого напряжения – светодиод HL3 (поз. 4, приложение 7.6).

7) предусмотрен предохранитель FU1 (поз. №7 СБ2) для защиты от перегрузок в сети питания устройства.

4.7. Элементная база.

Для элементов контроля и регулирования, элементов обеспечения безопасности и элементов внешних соединений была подобрана элементная база, соответствующая режимам работы прибора, а также условиям его эксплуатации. Элементная база приведена в Приложении 7.9.

4.8. Требования эргономики и технической эстетики.

Компоновка – часть процесса конструирования, при котором определяются внешний вид (форма) изделия, габаритные, установочные и присоединительные размеры изделия в целом, а также размещение и взаимное расположения и связь составных частей (деталей, узлов и блоков).

Внешняя компоновка – выбор в процессе конструирования формы, размеров и цветовой гаммы изделия в целом и его составных частей, а также размещение ЭКРУ с учетом требований эргономики и дизайна.

В приборе в качестве органа управления используется клавишный переключатель SA1 (поз. 3, приложение 7.6). Выполняется требование к элементам управления: переключатель визуально и тактильно хорошо заметен. Переключатель расположен в вправой части лицевой панели. Такое расположение наиболее удобно для включения питания и удовлетворяет требованиям эргономики.

Над клавишным переключателем расположен индикатор включения/выключения устройства – светодиод HL3 (поз. 4, приложение 7.6). В соответствии с рекомендациями по выбору цвета индикатора этот светодиод имеет зеленый цвет свечения. Переключатель и индикатор функционально взаимосвязаны.

Размеры и размещение элементов контроля, регулирования и управления соответствует эргономическим возможностям человека, и обеспечивают удобство и эффективность при пользовании прибором.

Надписи на приборе делаются черным цветом на светлом фоне и под элементами, что облегчает восприятие.

Перемещение органа управления – переключателя – выбрано с учётом сложившихся естественных направлений, а именно: нажатие верхней половины переключателя приводит к включению прибора, что соответствует сложившемуся представлению пользователя о функции клавишных переключателей

На лицевой панели расположены индикаторы контроля температуры и напряжения питания двигателя – светодиод HL1 (поз. 1, приложение 7.6) и светодиод HL2 (поз. 1, приложение 7.6) соответсвенно. В соответствии с рекомендациями цветового кодирования индикаторов светодиоды имеют красный цвет свечения, именно этот цвет рекомендуется использовать для оповещения о неисправности. Светодиод может зажечься постоянным красным светом, что соответствует перегреву двигателя или неисправности сети. Они располагается в зоне оптимальной видимости.

Все элементы на панели управления размещены достаточно свободно, что облегчает работу и возможность избежать неожиданные и нежелательные последствия.

На задней панели расположена розетка для подключения двигателя (поз. 1, приложение 7.8) и вилка для подключения сети ~380в(поз. 5, приложение 7.8). Также на задней панели (Приложение 7.8) расположены: кабель (поз.4 ) и сетевой провод (поз.3), предохранитель (поз. 7) и клемма заземления (поз. 9). Такое расположение выбрано для того, чтобы максимально удалить токонесущие провода от оператора.

Для предотвращения истирания используется резиновое уплотнительное кольцо (поз 10).

Для обеспечения простоты обслуживания компоненты устройства легко и просто механически и электрически соединяются (с помощью разъемов, винтовых и болтовых соединений, проводов и клея (светодиоды)).

4.9. Разработка КД.

С учетом габаритных, присоединительных и установочных размеров выбранных элементов разработаны сборочные чертежи со спецификацией передней и нижней панели (см. приложения 7.5 – 7.8).

4.10. Конструктивные требования.

Теплопроводность – передача тепловой энергии в твёрдом теле от одной молекулы к другой.

Количество отводимой теплоты выражается формулой из закона Фурье:

Q_Т = λ*S*(Т_СТ1 – Т_СТ2 )/b,

где

λ – удельная теплопроводность материала стенки

b – длина теплопроводящего участка

S – площадь поперечного сечения теплопроводящего участка

Т_СТ1 , Т_СТ2 – температуры на концах теплопроводящего участка

Для ↑ Q_Т необходимо ↑ λ _, ↓ b , ↑ S , ↑ (Т_СТ1 – Т_СТ2 ) за счёт ↓ Т_СТ2

Для естественной воздушной конвекции были предусмотрены жалюзи в корпусе: сбоку (возле трансформатора), а также отверстия – сверху. Их назначение – через конвекцию передать тепловую энергию окружающей среде. Система охлаждения устроена следующим образом: холодный воздух проникает через жалюзи сбоку, охлаждает внутренние части прибора, после чего выходит наружу через отверстия на верхней части.

Формула конвекции:

Q _к = α * S *( t _ст – t ),

где

α – коэффициент теплоотдачи;

S – площадь охлаждаемой поверхности;

t_ст – температура стенки;

t – температура окружающей среды.

Имеет место температурное излучение (радиация) – это передача тепловой энергии эл. магнитными волнами. Температурное излучение можно рассчитать по следующей формуле:

Q _р = ε *С₀ * S *(( T ₁ /100)⁴ - ( T ₂ /100)⁴ ),

где:

ε – степень черноты охлаждаемой поверхности;

С₀ = 5.7 Вт/м² - коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела;

S – площадь охлаждаемой поверхности;

T₁ и T₂ – абсолютные значения температур охлаждаемой поверхности и окружающего пространства, К.

Прибор имеет цвет слоновой кости, который уменьшает эффект нагревания изделия лучами света (за счёт увеличения отражательной способности).

Снаружи прибор окрашен эмалью ЭП-567 (ГОСТ 23369-77) – эмаль по металлу и пластмассам. Эмаль ЭП-567 изготавливается на основе эпоксидной смолы Э-41.

Эмаль предназначается для нанесения на алюминий и его сплавы, сталь и пластмассы, эксплуатируемые в различных климатических районах в условиях повышенной влажности. Эмаль ЭП-567 предназначена для эксплуатации в условиях умеренного, холодного и тропического климата с повышенной влажностью. Солестойкая, водостойкая.

Эмаль ЭП-567 выпускается следующих цветов: слоновая кость, защитная, темно-зеленая. Нанесение: пневмораспылителем, допускается кистью.

Для обеспечения боковой устойчивости аппаратуры при механических воздействиях её устанавливают на нескольких амортизаторах, симметрично расположенных относительно центра тяжести изделия.

Определение количества амортизаторов:

На каждый амортизатор, установленный симметрично относительно центра тяжести действует фактическая сила:

Р₁ = Р₀ /n , где Р₀ – вес аппарата

n – количество амортизаторов

В ТУ на стандартные амортизаторы различных типоразмеров указывается:

– Р_НОМ – нагрузка, на которую рассчитан амортизатор

– Z₀ или f₀ f₀ =15,8*√1/ Z₀

В реальных конструкциях Р₁ должно отличаться от Р_НОМ не более, чем на 20% – 30% .

Для защиты прибора от механических воздействий к основанию приборов крепятся резиновые амортизаторы типа АО болтами М4x12 с гайками.

Чертеж внешнего вида приведен в приложении 7.4. Габаритные размеры прибора 200×60×125.

5. Заключение

В результате проделанной работы разработано устройство, удовлетворяющее требованиям, изложенным в техническом задании, а также общим эксплуатационным требованиям.

6. Перечень литературы.

1. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренко – Мн.: Беларусь, 1994г.

2. Журнал ”Радио”, 2003 г., №12.

4. Лекционный материал.

5. Электронный справочник радиолюбителя.

6. Интернет( Http://www.quartz1.ru).