Дипломная работа: Сенсорний вимикач з пультом дистанційного керування

Зміст

1 Вступ

2 Аналіз ТЗ

3 Принцип функціонування

4 Обґрунтування конструкції

4.1 Варіант №1

4.2 Варіант №2

4.3 Варіант №3

4.4 Вибір варіанту конструкції

5 Вибір компонентів

5.1 Вибір резисторів

5.2 Вибір конденсаторів

6 Обґрунтування конструкційних матеріалів

6.1 Вибір матеріалу корпусу

6.2 Вибір матеріалу друкованої плати

7 Проектування оригінального вузла

7.1 Вихідні дані для розрахунку випрямляча

7.2 Розрахунок випрямляча вторинної обмотки

7.2.1 Розрахунок згладжуючого конденсатора

7.3 Вибір елементної бази

7.4 Конструкційний розрахунок трансформатора

7.4.1 Вихідні дані для розрахунку трансформатора

7.4.2 Вибір типу та матеріалу магнітопроводу

7.4.3 Розрахунок кількості витків обмоток

7.4.4 Розрахунок струму холостого ходу

7.4.5 Перевірка правильності вибору магнітопроводу

7.4.6 Розрахунок діаметрів провідників

7.4.7 Розрахунок геометричних розмірів обмоток

7.4.8 Розрахунок теплового режиму трансформатора

7.4.9 Розрахунок опорів обмоток трансформатора та падіння напруг

7.4.10 Перерахунок кількості витків

7.4.11 Перерахунок геометричних розмірів обмоток

7.4.12 Перерахунок теплового режиму трансформатора

7.4.13 Розрахунок опорів обмоток трансформатора та падіння напруг

8 Проектування деталей

8.1 Розрахунок друкованої плати

8.1.1 Визначення розмірів ДП

8.1.2 Розрахунок кількості шарів плати

8.1.3 Визначення технологічних параметрів

9 Розрахунки, що підтверджують працездатність

9.1 Електромагнітна сумісність

9.1.1 Визначення паразитної ємності

9.1.2 Визначення паразитної індуктивності

9.2 Тепловий режим

9.3 Механічні впливи

9.3.1 Розрахунок вібраційної та ударної міцності плати

9.4 Надійність за раптовими

10 Висновки

Література

Додатки

1 Вступ

Розроблюваний в даному курсовому проекті, сенсорний вимикач з пультом дистанційного керування (ПДК), призначений для сенсорного (безконтактного) вмикання та вимикання освітлення, а також для вмикання та вимикання освітлення за допомогою ПДК. Областю застосування даного приладу є будь-яке жиле або нежиле приміщення, в якому потрібен доступ до неприродного освітлення.

Основною технічною задачею, що виконується приладом є вмикання та вимикання освітлення.

По функціональному признаку розроблюваний прилад є РЕП( Радіо електронний пристрій).По конструкційному – блоком. По конструкторскому – складальною одиницею.

Розроблюваний блок є новою розробкою.

2 Аналіз ТЗ

Розглянемо основні обмеження на проектування. Даний пристрій повинен знаходитись в приміщеннях в стаціонарному режимі. Тому немає великих запитів на віброміцність та удароміцність, але для забезпечення вимог до транспортування необхідна наявність упаковки пристрою. В якості матеріалу корпусу краще застосовувати пластмасу для зменшення маси корпусу. Для забезпечення умов стандартизації та уніфікації в пристрої необхідно використовувати стандартні та уніфіковані деталі. Для забезпечення умов безпеки у пристрої повинні бути відсутні гострі кромки, а всі частини пристрою які знаходяться під струмом захищені корпусом, при цьому користувач повинен мати доступ тільки до органів індикації, які знаходяться на передній панелі корпусу. При розгляді схеми електричної принципової будемо намагатися використовувати вітчизняну елементну базу. Пристрій повинен відповідати вимогам до електромагнітної сумісності до індустріальних радіозавад. Пристрій не має елементів, для яких необхідно було б використовувати штучні системи охолодження.

3 Принцип функціонування

Передавач.

На рис.1 приведена схема випромінювача коротких імпульсів. Що дозволяє зменшити споживаний передавачем струм від джерела живлення, а значить продовжити термін служби на одній батареї живлення. На елементах DD1.1, DD1.2 зібраний генератор імпульсів, слідуючих з частотою 30...35 Гц. Короткі, тривалістю 13...15 мкс, імпульси формує диференціюючий ланцюг C2R3. Елементи DD1.4-DD1.6 і нормально закритий транзистор VT1 утворюють імпульсний підсилювач з ІЧ діодом VD1 в навантаженні.

рис.1

Приймач (з вбудованим передавачем).

Приймач зібраний по класичній схемі прийнятій в російській промисловості (зокрема в телевізорах Рубін, Темп і т.п.). Його схема приведена кресленні РВ12.464311.001Е3. Імпульси ІЧ-випромінювача потрапляють на ІЧ фотодіод VD1, перетворяться в електричні сигнали і підсилюються транзисторами VT3, VT4, які ввімкнкні по схемі із загальним емітером. На транзисторі VT2 зібраний емітерний повторювач, що узгоджує опір динамічного навантаження фотодіода VD1 і транзистора VT1 з вхідним опором підсилювального каскаду на транзисторі VT3. Діоди VD2,VD3 оберігають імпульсний підсилювач на транзисторі VT4 від перевантажень. Всі вхідні підсилювальні каскади приймача охоплені глибоким зворотним зв'язком по струму. Це забезпечує постійне положення робочої точки транзисторів незалежно від зовнішнього рівня освітлення, особливо це важливо при роботі приймача в приміщеннях з штучним освітленням або на вулиці при яскравому денному світлі, коли рівень сторонніх ІЧ-випромінювань дуже високий.

Далі сигнал проходить через активний фільтр з подвійним Т-мостом, що зібраний на транзисторі VT5, резисторах R12-R14 і конденсаторах C7-C9. Транзистор VT5 повинен мати коефіцієнт передачі струму Н21э=30, в іншому випадки фільтр може почати збуджуватися. Фільтр очищає сигнал передавача від перешкод мережі змінного струму, які випромінюються електричними лампами. Лампи створюють модульований потік випромінювання з частотою 100 Гц і не тільки видимої частини спектру, але і в ІЧ області. Відфільтрований сигнал кодової посилки формується на транзисторі VT6. В результаті на його колекторі з'являються короткі імпульси (якщо поступали із зовнішнього передавача) або пропорційні з частотою 30...35 Гц (якщо поступали від вбудованого передавача).

Імпульси, що поступають з приймача, поступають на буферний елемент DD1.1, а з нього на випрямний ланцюг. Випрямний ланцюг VD4, R19, C12 працює так: коли на виході елементу логічний 0, то діод VD4 закритий і конденсатор С12 розряджений. Як тільки на виході елементу виникають імпульси, конденсатор починає заряджати, але поступово (не з першого імпульсу), а діод перешкоджає його розрядці. Резистор R19 вибраний так, щоб конденсатор встиг заряджати до напруги рівного логічною 1 тільки з 3...6 імпульсу, що приходить з приймача. Це ще один захист від перешкод, коротких ІЧ спалахів (наприклад, від фотоспалаху фотоапарата, розряду блискавки і т. п.). Розряд конденсатора відбувається через резистор R19 і займає за часом 1...2 секунди. Це дозволяє запобігти довільному ввімкнення і вимкненню світла. Далі встановлений підсилювач DD1.2, DD1.3 із зворотним зв'язком (C3) для отримання на його виході різких прямокутних спадів (при ввімкненні і вимкненні). Ці перепади поступають на вхід тригера дільника на 2 зібраного на мікросхемі DD2. Не інверсний його вихід підключений до підсилювача на транзисторі VT10, який управляє тиристором VS1, і транзистора VT9. Інверсний подано на транзистор VT8. Обидва ці транзистора (VT8, VТ9) служать для засвічення відповідного кольору на світлодіоді VD6 при ввімкненні і вимкненні світла. Він виконує ще і функцію "маяка" при вимкненому світлі. На вхід R трігера дільника підключений RC ланцюг, який здійснює скидання. Він потрібен для того, щоб якщо відключили напруги в квартирі, то після ввімкнення світло випадково не запалилося.

Вбудований передавач служить для ввімкнення світла без пульта дистанційного керування (при піднесенні долоні до вимикача). Він зібраний на елементах DD1.4-DD1.6, R20-R23, C14, VT7, VD5. Вбудований передавач є генератором імпульсів з частотою слідування 30...35 Гц і підсилювач в навантаження каторгою ввімкнений ІЧ світлодіод. ІЧ світлодіод встановлюється поряд з ІЧ фотодіодом і повинен бути направлений з ним в одну сторону, і вони повинні бути розділені світлонепроникною перегородкою. Резистор R20 підбирається так, щоб відстань спрацьовування, при підносі долоні, була рівна 50...200 мм. Блок живлення зібраний по класичній схемі на КРЕН9Б і вихідна напруга рівна 9В. Він включає DA1, C15-C18, VD12-VD15, T1. Конденсатор С19 служить для захисту пристрою від стрибків напруги в електромережі.

4 Обґрунтування конструкції

Для обґрунтування конструкції скористаємося рейтинговою системою, в якій по кожному признаку найкращому варіанту конструкції присвоюється 1 бал, а найгіршому 3 балів (бо розглядаємо 3 варіанти конструкції). Варіант конструкції, що за оцінками набере найменшу кількість балів будемо вважати найкращим для застосування.

4.1 Варіант №1

Опис варіанту:

- Тансформатор живлення закріплюємо круглою шайбою, яка накриває його зверху і кріпиться у гвинтом, трансформатор розміщено у центрі плати;

- Плата розміщена вертикально і прикріплена до каркасу гвинтами.

Ескіз варіанту №1 показано на рис. 2.

рис. 2

4.2 Варіант №2

Опис варіанту:

- Тансформатор живлення закріплюємо круглою шайбою, яка накриває його зверху і кріпиться у гвинтом, трансформатор розміщено у центрі верхньої бокової сторони плати;

- Плата розміщена вертикально і прикріплена до каркасу гвинтами.

Ескіз варіанту №2 показано на рис. 3.

рис. 3

4.3 Варіант №3

Опис варіанту:

- Трансформатор живлення закріплюємо двома скобами до каркасу. Це покращує технологічність виробу, бо відпадає необхідність робити додаткові елементи каркасу, а також покращує теплообмін трансформатора з середовищем, трансформатор розміщено у центрі заглиблення, за платою;

- Плата розміщена вертикально і прикріплена до каркасу гвинтами.

Ескіз варіанту №3 показано на рис. 4.

рис. 4

4.4 Вибір варіанту конструкції

Аналіз вищезазначених варіантів конструкції зведемо в табл. 1

Таблиця 1

Аналіз варіантів конструкції

Отже, за даними порівняння найкращим є варіант конструкції №3.

5 Вибір компонентів

5.1 Вибір резисторів

При виборі резисторів враховуємо наступні показники:

- електричні характеристики;

- вартість;

- надійність;

- конструктивні характеристики;

- гранична температура;

- шуми.

Оцінку проводимо за методикою викладеною у [7].

Так як жоден тип резисторів не переважає над іншими за всіма показниками, то при виборі оптимального типу резистора варто керуватися компромісним варіантом. Кожному показнику привласнюється вага в залежності від важливості критерію, кожному типу резистора привласнюється бал. Оцінку робимо за десятибальною шкалою. Результати оцінок зібрані в таблицю 2.

Таблиця 2Результати оцінок резисторів

Таким чином, згідно сумарного коефіцієнту ефективності вибираємо резистори типа С2-23, що набрали найбільшу кількість балів. Це металодіелектричні резистори, призначені для роботи в колах постійного, змінного та імпульсного струму.

5.2 Вибір конденсаторів

Так як не існує неелектролітичних конденсаторів, котрі перекривають весь необхідний нам діапазон, то будемо вибирати неелектролітичні конденсатори різних типів. Результати оцінок неелектролітичних конденсаторів приведені в таблицях 3, 4. Так як існують ектролітичні конденсатори, котрі перекривають весь необхідний нам діапазон, то будемо вибирати ектролітичні конденсатори одного типу. Результати оцінок ектролітичних конденсаторів приведені в таблиці 5.

Параметри оцінки:

- габаритні розміри;

- вартість;

- технологічність установки;

- вологостійкість;

- діапазон робочих температур,

- допустиме відхилення ємності від номінальної.

Таблиця 3

Результати оцінки неелектролітичних конденсаторів номінальним

значенням 180мкф-25В та 360мкф-25В

Вибираємо конденсатори типу К50-16, які мають найбільший показник якості.

Таблиця 4

Результати оцінки неелектролітичних конденсаторів номінальним

значенням в діапазоні 10нф-25В…0.15мкф-25В

Вибираємо конденсатори типу К10-19, які мають найбільший показник якості.

Таблиця 5

Результати оцінки електролітичних конденсаторів

Вибираємо конденсатори типа К50-5, які набрали найбільшу кількість балів.

6 Обґрунтування конструкційних матеріалів

6.1 Вибір матеріалу корпусу

3 урахуванням умов експлуатації і механічних впливів до матеріалу корпуса висуваються наступні вимоги:

- низька вартість;

- простота формоутворення;

- гарні естетичні характеристики;

- механічна міцність і стійкість до ударних впливів;

- висока технологічність обробки;

- корозійна і хімічна стійкість;

- мала щільність (легкість конструкції);

- гарна електроізоляція;

- нешкідливість.

Цим вимогам відповідають різні пластмаси, що знаходять широке застосування в радіотехнічній промисловості. Пластмаси в порівнянні з металами мають меншу щільність, меншу вартість, простіше формоутворення, а також пластмаси не піддаються корозії, нешкідливі, мають гарний зовнішній вигляд, гладку поверхню різних кольорів, і на відміну від металів усі пластмаси є гарними діелектриками. До недоліків пластмас є менша міцність, теплопровідність і теплостійкість у порівнянні з металами, а також явище старіння - погіршення багатьох механічних і електричних властивостей згодом. Так як особливих вимог до міцності виробу не висуваються, то цими недоліками можна зневажити і доцільно корпус системи охорони виготовити з пластмаси.

Розглянемо три найбільш придатні види пластмас, кожний з який має переваги перед іншими по окремих параметрах, але в той же час поступається за іншими. Тому вибір зробимо методом експертних оцінок. Кожному з параметрів ставляться оцінки по десятибальній системі, що надалі сумуються з урахуванням вагових коефіцієнтів. У такому випадку кращий вид пластмаси буде мати найбільшу сумарну оцінку.

Розглянемо такі види пластмас: полістирол, полістирол удароміцний і полівінілхлорид. Результати експертних оцінок зведені в таблицю 6.

Таблиця 6

Результати експертних оцінок пластмас

Таким чином, аналіз результатів експертного опитування показує, що найкращий комплексний показник має полістирол удароміцний (полістирол УПМ – 03Л, білий, ОСТ6-05-406-80).

6.2 Вибір матеріалу друкованої плати

У якості матеріалів для друкованої плати можна використовувати двосторонній фольгований гетинакс типів ГФ-2-50, ГФ-2-50Г, та склотекстоліт типів СФ-2-50, СФ-2-50Г. Складаємо порівняльну таблицю 7, та визначаємо оптимальний вид матеріалу.

Таблиця 7 Результати експертних оцінок матеріалів ДП

Отже, згідно сумарного коефіцієнту ефективності, у якості матеріалу друкованої плати обираємо фольгований двосторонній склотекстоліт СФ-2-50Г(ГОСТ 25922-83).

7 Проектування оригінального вузла

В якості оригінального вузла в даному курсовому проекті використано трансформатор живлення Т1(див. РВ12.464311.001Е3).

7.1 Вихідні дані для розрахунку випрямляча

- випрямлена напруга на навантаженні U_вих = 9В

- випрямлений струм на навантаженні I_вих = 0.125А

- напруга мережі U₁ =220В(-15%…+10%)

- частота мережі f = 48…60Гц

7.2 Розрахунок випрямляча вторинної обмотки

Для розрахунку випрямляча вторинної обмотки попередньо необхідно визначити значення напруги та струму, що випрямлені випрямлячем U₀₂ та І₀₂ відповідно.

, де - напруга, що споживається мікросхемою КРЕН9Б,

Оскільки напруга живлення має розкид параметрів U₁ =220В(-15%…+10%), то для забезпечення стабільної напруги на виході, при U₁ =187В потрібно збільшити сумарну випрямлену напругу на 15%, отже

≈ 13.5 + 2 ≈ 15.5В.

,

де - струм, що споживається мікросхемою КPЕН9Б.

По наближеним формулам [2, табл.VIII.5], знаходимо значення зворотної напруги на

діодах U_зв2 , середнього струму I_ср2 та амплітуди струму I_м2 , через діоди:

, де U₀₂ та І₀₂ – значення напруги та струму, що випрямлені випрямлячем.

Вибираємо діоди КД405А [2, табл.IV.4] зі наступними параметрами:

= 50В, , U_пр2 = 1В, ΔT_роб = -60°С...+130°С.

Визначаємо опір навантаження випрямляча:

Приймаємо опір вторинної обмотки трансформатора рівним:

,[3, с.505]

Визначаємо прямий опір діода,[2, с.505]:

Визначаємо активний опір фази випрямляча,[2, с.505]:

Визначаємо основний розрахунковий коефіцієнт по формулам в [2, табл.VIII.5]:

В залежності від знайденого коефіцієнта А₂ , з (рис.5) та (рис.6) знаходимо допоміжні коефіцієнти B₂ , D₂ , F₂ , H₂ .

B₂ = 1.1, D₂ = 2.2, F₂ = 11, H₂ = 470 Ом·мкФ.

Визначимо деякі параметри вторинної обмотки[2, табл.VIII.5]:

,

де - напруга холостого ходу вторинної обмотки,

І₂ - струмвторинної обмотки.

Визначаємо уточнені параметри діодів[2, табл.VIII.5]:

Параметри діодів, що були вибрані раніше, не перевищують максиммальних, тобто діоди вибрані правильно.

7.2.1 Розрахунок згладжуючого конденсатора

Визначаємо вихідну ємність випрямляча, [2, с.506]:

де - коефіцієнт пульсацій (0.05...0.15).

Вибираємо конденсатор К50-5 [2, табл.II.10] з слідуючими параметрами:

С18 = 220(-10...+50%)мкФ, U_ном = 25В, ΔT_роб = -40°С...+70°С.

7.3 Вибір елементної бази

В трансформаторах, потужність яких не перевищує 100Вт, а напруга не перевищує 1000В при частоті f = 50Гц, для забезпечення мінімальної маси, найменших габаритів, менших втрат та забезпечення найменшого зовнішнього поля застосовуються кільцеві стрічкові магнітопроводи типу ОЛ. Для забезпечення найменшої вартості при достатніх магнітних властивостях магнітопроводу доцільно застосувати сталь 2411 з товщиною листа, що відповідає даній частоті - 0.35мм. Обмотки трансформаторів даних потужностей виконуються з емальованих провідників ПЕВ-1.

В якості міжшарової, міжобмоточної та зовнішньої ізоляції використаємо кабельний папір товщиною 0.1 мм. Конкретний вибір матеріалу та розмірів магнітопровода, провідників, ізоляції наведено в розділі 7.4.

7.4 Конструкційний розрахунок трансформатора

7.4.1 Вихідні дані для розрахунку трансформатора

- напруга вторинної обмотки U₂ = 17В

- струм вторинної обмотки I₂ = 0.2А

- напруга мережі U₁ =220В(-15%…+10%)

- частота мережі f = 48…60Гц

7.4.2 Вибір типу та матеріалу магнітопроводу

Визначимо потужність трансформатора:

де P₂ -потужності вторинної обмотки.

Згідно з рекомендаціями, що наведені в [1,c.35] вибираємо кільцевий стрічковий магніто- провід.

Як матеріал вибираємо сталь 2411 , з товщиною листа, що відповідає заданій частоті, 50Гц - 0.35мм. По знайденому значенню Р з [1, табл 2.4], [1, табл 2.6-7], отримаємо орієнтовні параметри магнітопроводу та сталі:

В_м = 1.4 Тл (магнітна індукція),

j = 8 A/мм² (густина струму),

К_в = 0.25 (коефіцієнт заповнення вікна магнітопроводу міддю),

К_ст = 0.9 (коефіцієнт заповнення магнітопроводу сталлю),

η = 0.6 (ККД),

соsφ = 0.9 (зсув фази).

Визначимо добуток площі перерізу сталі на площу вікна:

Згідно з рекомендаціями, що наведені в [1,c.35] з [1, додаток 6], по величині S_ст S_в , вибираємо магнітопровід ОЛ 25/40-12.5, (рис.7) з наступними характеристиками:

Sст = 0.94см2 (площа перерізу магнітопроводу),

lст = 10.2см (середня довжина магнітної лінії),

Vст = 9.57см3 (об’єм сталі),

Gст = 0.064кг (маса сталі),

d = 25мм, а = 7.5мм, b = 12.5мм, D = 40мм.

рис.7

7.4.3 Розрахунок кількості витків обмоток

, де N₁ – кількість витків первинної обмотки, N₂ - кількість витків вторинної

обмотки, ΔU₁ – відносне падіння напруги у первинній обмотці, ΔU₂ - відносне падіння напруги у вторинній обмотці [1, табл. 2.4], S_стакт = S_м (см)·К_ст .

ΔU₁ = 20В, ΔU₂ = 35В, S_стакт = 0.75·1.25·0.9 = 0.844 см² .

7.4.4 Розрахунок струму холостого ходу

Визначимо повні втрати в сталі, при величині індукції 1.4Тл:

де p_ст – питомі втрати в сталі [1, рис. 2-9], - маса сталі [1, додаток 6].

Визначимо активну складову струму холостого ходу:

Визначимо повну потужність намагнічування, при величині індукції 1.7Тл:

, де q_ст – питома потужність намагнічування [1, рис. 2-11].

Визначимо реактивну складову струму холостого ходу:

Визначимо струм холостого ходу:

= 0.015A

Перевірка правильності вибору магнітопроводу наведена в пункті 7.4.5.

7.4.5 Перевірка правильності вибору магнітопроводу

Визначимо струм первинної обмотки:

Визначимо відносне значення струм холостого ходу:

Згідно з [1, с. 46], для трансформаторів, що працюють на частоті 50Гц = 49 %, є допустимим значенням, бо воно лежить в межах 30-50%, отже орієнтовне значення індукції та розміри магнітопроводу вибрані правильно.

7.4.6 Розрахунок діаметрів провідників

Для зменшення локального перегріву котушки, густину струму в первинній обмотці робимо на 20% менше ніж розрахункове значення, a густину струму у вторинній обмотці на 20% більше, тоді діаметри провідників будуть:

Користуючись [1, додаток 2], вибираємо провід ПЕВ-1ГОСТ 7262-78, Т_max = 120°С.

d₁ = 0.08мм, S_пр1 = 0.005 мм² , g_пр1 = 0.0448кг,

d₂ = 0.16мм, S_пр2 = 0.02 мм² ,g_пр2 = 0.179кг,

,де g_пр – маса 1км проводу.

Уточнюємо значення густини струмів в обмотках:

7.4.7 Розрахунок геометричних розмірів обмоток

Розрахунок геометричних розмірів обмоток будемо проводити згідно з [4, стр.197 - 203,218 - 225].

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри магнітопровода з ізоляцією:

,

де - товщина та кількість витків міжобмоточної ізоляції.

Знайдемо довжину середньої лінії первинної обмотки:

,

де - коефіцієнт укладки, що враховує випучування проводу, залежить від його діаметру ( К_у = 1.3 ).

Визначимо кількість шарів первинної обмотки по зовнішньому діаметру магнітопровода :

Визначимо кількість шарів первинної обмотки по внутрішньому діаметру магнітопровода:

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри трансформатора з намотаною первинною обмоткою не враховуючи міжобмоточну ізоляцію:

,

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри трансформатора з намотаною первинною обмоткою враховуючи міжобмоточну ізоляцію:

Знайдемо середню довжину витка первинної обмотки:

,

де - товщина та висота магнітопроводу; - товщина міжобмоточної ізоляції зовні та всередині магнітопроводу; - товщина витків первинної обмотки зовні та всередині магнітопроводу.

Знайдемо довжину середньої лінії вторинної обмотки:

,

де - коефіцієнт укладки, що враховує випучування проводу, залежить від його діаметру ( К_у = 1.25 ).

Визначимо кількість шарів вторинної обмотки по зовнішньому діаметру магнітопровода :

Визначимо кількість шарів вторинної обмотки по внутрішньому діаметру магнітопровода:

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри трансформатора з намотаною вторинною обмоткою не враховуючи міжобмоточну ізоляцію:

,

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри трансформатора з намотаною вторинною обмоткою враховуючи міжобмоточну ізоляцію:

Знайдемо середню довжину витка вторинної обмотки:

,

де - товщина витків вторинної обмотки зовні та всередині магнітопроводу.

Визначаємо кінцеві габаритні розміри трансформатора:

,,

Визначимо масу міді первинної обмотки:

, де g_пр1 – маса 1м проводу в грамах.

Визначимо масу міді вторинної обмотки:

де g_пр2 – маса 1м проводу в грамах.

Визначимо втрати в міді первинної обмотки:

де ρ – множник, що береться при перегріві Т = 105^о С – 2.7, [3, c. 47].

Визначимо втрати в міді вторинної обмотки:

Визначимо сумарні втрати в міді котушки:

7.4.8 Розрахунок теплового режиму трансформатора

Визначимо поверхню охолодження трансформатора:

Визначимо питому поверхню охолодження первинної обмотки:

Визначимо питому поверхню охолодження вторинної обмотки:

Згідно з графіка залежності температури перегріву від питомої поверхні охолодження

(рис. 8), якщо питома поверхня охолодження більше ніж 20Вт/см² , то перегрів складатиме не більше ніж 25^о С, навіть коли температура навколишнього середовища буде + 40^о С, то температура обмоток складе , що допустимо при встановленні трансформатора на шасі.

рис.8

7.4.9 Розрахунок опорів обмоток трансформатора та падіння напруг

Визначимо опір первинної обмотки за Т=20°С:

Визначимо опір вторинної обмотки за Т=20°С:

Визначимо фактичне падіння напруги первинної обмотки за Т=20°С:

Визначимо фактичне падіння напруги вторинної обмотки за Т=20°С:

Визначимо опір первинної обмотки за Т=65°С:

,

де - ТКО; - різниця температур.

Визначимо опір вторинної обмотки за Т=65°С:

Визначимо фактичне падіння напруги первинної обмотки за Т=65°С:

Визначимо фактичне падіння напруги вторинної обмотки за Т=65°С:

Оскільки фактичне падіння напруг обмоток трансформатора значно відрізняється від взятих при розрахунку скоректуємо число витків обмоток.

7.4.10 Перерахунок кількості витків

Визначаємо число витків обмоток при яких фактичне падіння напруг обмоток відповідає раніше взятим:

7.4.11 Перерахунок геометричних розмірів обмоток

Розрахунок геометричних розмірів обмоток будемо проводити згідно з [4, стр.197 - 203,218 - 225].

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри магнітопровода з ізоляцією:

,

де - товщина та кількість витків міжобмоточної ізоляції.

Знайдемо довжину середньої лінії первинної обмотки:

,

де - коефіцієнт укладки, що враховує випучування проводу, залежить від його діаметру ( К_у = 1.3 ).

Визначимо кількість шарів первинної обмотки по зовнішньому діаметру магнітопровода :

Визначимо кількість шарів первинної обмотки по внутрішньому діаметру магнітопровода:

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри трансформатора з намотаною первинною обмоткою не враховуючи міжобмоточну ізоляцію:

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри трансформатора з намотаною первинною обмоткою враховуючи міжобмоточну ізоляцію:

Знайдемо середню довжину витка первинної обмотки:

,

де - товщина та висота магнітопроводу; - товщина міжобмоточної ізоляції зовні та

всередині магнітопроводу; - товщина витків первинної обмотки зовні та

всередині магнітопроводу.

Знайдемо довжину середньої лінії вторинної обмотки:

,

де - коефіцієнт укладки, що враховує випучування проводу, залежить від його діаметру ( К_у

= 1.25 ).

Визначимо кількість шарів вторинної обмотки по зовнішньому діаметру магнітопровода :

Визначимо кількість шарів вторинної обмотки по внутрішньому діаметру магнітопровода:

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри трансформатора з намотаною вторинною обмоткою не враховуючи міжобмоточну ізоляцію:

,

Знайдемо зовнішній та внутрішній діаметри трансформатора з намотаною вторинною обмоткою враховуючи міжобмоточну ізоляцію:

Знайдемо середню довжину витка вторинної обмотки:

,

де - товщина витків вторинної обмотки зовні та всередині магнітопроводу.

Визначаємо кінцеві габаритні розміри трансформатора:

,,

Визначимо масу міді первинної обмотки:

де g_пр1 – маса 1м проводу в грамах.

Визначимо масу міді вторинної обмотки:

де g_пр2 – маса 1м проводу в грамах.

Визначимо втрати в міді первинної обмотки:

де ρ – множник, що береться при перегріві Т = 105^о С – 2.7, [3, c. 47].

Визначимо втрати в міді вторинної обмотки:

Визначимо сумарні втрати в міді котушки:

7.4.12 Перерахунок теплового режиму трансформатора

Визначимо поверхню охолодження трансформатора:

Визначимо питому поверхню охолодження первинної обмотки:

Визначимо питому поверхню охолодження вторинної обмотки:

Згідно з графіка залежності температури перегріву від питомої поверхні охолодження

(рис. 4), якщо питома поверхня охолодження більше ніж 20Вт/см² , то перегрів складатиме не більше ніж 20^о С, навіть коли температура навколишнього середовища буде + 40^о С, то температура обмоток складе , що допустимо при встановленні трансформатора на шасі.

7.4.13 Розрахунок опорів обмоток трансформатора та падіння напруг

Визначимо опір первинної обмотки за Т=20°С:

Визначимо опір вторинної обмотки за Т=20°С:

Визначимо фактичне падіння напруги первинної обмотки за Т=20°С:

Визначимо фактичне падіння напруги вторинної обмотки за Т=20°С:

Визначимо опір первинної обмотки за Т=65°С:

,

де - ТКО; - різниця температур.

Визначимо опір вторинної обмотки за Т=65°С:

Визначимо фактичне падіння напруги первинної обмотки за Т=65°С:

Визначимо фактичне падіння напруги вторинної обмотки за Т=65°С:

8 Проектування деталей

8.1 Розрахунок друкованої плати

8.1.1 Визначення розмірів ДП . Розрахунок площі елементів:

Під площею елемента розуміється площа самого елемента плюс площа необхідна для трасування. Площа і-того елемента розраховується за формулою:

,

де a та b – габаритні розміри елемента; m – коефіцієнт, що залежить від складності плати

(0.85…0.9), беремо 0.9; n = 0.2; K – кількість виводів елемента;K_з - кількість задіяних виводів елемента.

Розрахунок площі плати:

,

де - площа і-того елемента; K_щ – коефіцієнт щільності розташування, що залежить від складності плати (0.8…1), беремо 1.

Вибираємо плату типорозміром 90х90мм.

8.1.2 Розрахунок кількості шарів плати

Визначимо коефіцієнт завантаженості комутаційного поля за формулою:

де - величина дискрета (1.25мм); S – кількість шарів плати; AxB – розміри плати; m –

кількість ланок в схемі; - кількість контактів в і-й ланці; r - коефіцієнт, що залежить від складності плати (2…3), беремо 2.5; K – загальна кількість контактів в схемі (у тому числі і незадіяних); p – середня площа контактної площинки p = (1…1.2)·d;

Плата може бути реалізована при = 0.2…0.4.

Отже, кількість шарів плати дорівнює двом.

8.1.2.1. Визначення технологічних параметрів

Визначення ширини провідників :

Розрахунок ширини провідників будемо проводити згідно критеріїв технологічності та максимально допустимої густини струму в провіднику.

Ширина провідника кола N52 – Корпус (див. PLATA.alt, додаток 1), для зменшення опору вибираємо шириною 1мм.

Ширина провідника кіл N1,N18, N20 – Живлення +9В (див. PLATA.alt, додаток 1), для зменшення опору вибираємо шириною 1мм.

Ширина провідників всіх інших кіл (див. PLATA.alt, додаток 1):

мм

Визначення ширини зазорів між провідниками :

Величину зазорів вибираємо з точки зору технології 0.3мм, оскільки великих напруг на платі між провідниками нема.

Визначення типу і розмірів контактних площинок :

Згідно з рекомендаціями наведеними в [5, табл. 12.10], всі компоненти розбиваємо на три групи по розміру виводу: 0.4...0.6мм, 0.6...0.8мм, 0.8...1.3мм.

Контактні площинки (КП) для неполярних компонентів будуть мати вигляд восьмикутника, а КП для виводу АНОД(напівпровідникові елементи), ЕМІТЕР(транзистори), ПЛЮС(полярні компоненти) та перші за номером виводи мікросхеми будуть мати вигляд прямокутника.

Розрахунок контактних площинок для елементів діаметр виводу яких знаходиться в межах 0.4...0.6мм:

Для даної групи КП діаметр монтажного отвору становить 0.8мм [5, табл. 12.10], отже розрахуємо мінімальний діаметр КП навколо монтажного отвору:

де - діаметр монтажного отвору; - верхнє крайове відхилення діаметру отвору; - величина гарантійного пояску в зовнішньому шар; та - верхнє та нижнє крайове відхилення ширини провідника; - допуск на розташування отворів; - допуск на розташування КП.

Для даної групи компонентів діаметр восьмикутної КП буде 1.4мм, а розміри прямокутної – 1.4х1.4мм (рис.9).

рис.9

Розрахунок контактних площинок для елементів діаметр виводу яких знаходиться в межах 0.6...0.8мм:

Для даної групи КП діаметр монтажного отвору становить 1.0мм [5, табл. 12.10], отже розрахуємо мінімальний діаметр КП навколо монтажного отвору:

де - діаметр монтажного отвору; - верхнє крайове відхилення діаметру отвору; - величина гарантійного папку в зовнішньому шар; та - верхнє та нижнє крайове відхилення ширини провідника; - допуск на розташування отворів; - допуск на розташування КП.

Для даної групи компонентів діаметр восьмикутної КП буде 1.7мм, а розміри прямокутної – 1.7х1.7мм.(рис.10)

рис.10

Розрахунок контактних площинок для елементів діаметр виводу яких знаходиться в межах 0.8...1.3мм:

Для даної групи КП діаметр монтажного отвору становить 1.5мм [5, табл. 12.10], отже розрахуємо

мінімальний діаметр КП навколо монтажного отвору:

де - діаметр монтажного отвору; - верхнє крайове відхилення діаметру отвору; - величина гарантійного папку в зовнішньому шар; та - верхнє та нижнє крайове відхилення ширини провідника; - допуск на розташування отворів; - допуск на розташування КП.

Для даної групи компонентів діаметр восьмикутної КП буде 2.2мм, а розміри прямокутної – 2.2х2.2мм (рис.11)

рис.11

9 Розрахунки, що підтверджують працездатність

9.1 Електромагнітна сумісність

9.1.1 Визначення паразитної ємності

Паразитна ємність між двома паралельними провідниками визначається за формулою:

,

де = K_п ·ε^| - погонна ємність між провідниками, пФ/см; - довжина взаємного перекриття

провідників, см; K_п – коефіцієнт пропорційності [5, рис.12.6];

,

де - діелектрична проникність повітря; - діелектрична проникність плати.

Паразитна ємність між двома паралельними буде:

,

9.1.2 Визначення паразитної індуктивності

Взаємоіндукція між двома паралельними найдовшими та найтоншими провідниками визначається за формулою:

де - довжина взаємного перекриття провідників, см; - відстань між провідниками, см;

та - ширина провідників, см.

Паразитна індуктивність найдовшого та найтоншого провідника визначається за формулою:

,

де - погонна індуктивність провідника, мкГн/см, визначається з [5, рис.12.8]; - довжина

провідника, см.

9.2 Тепловий режим

Конструкція блоку, що розробляється, представляє собою пластмасовий корпус з природним охолодженням. Оскільки вимикач має впорядковане розташуванням елементів, плата з радіо компонентами має щільну компоновку і займає велику частину апарату, тому розрахунок будемо проводити по відповідній методиці для герметичного РЕЗ з природним охолодженням [5, с. 203]. Плата в цьому випадку представляється у вигляді однорідного анізотропного тіла з ефективною теплопровідністю уздовж відповідних осей ,, і теплоємністю С.

Для ілюстрації теплового моделювання і розрахунку теплової схеми приведемо нашу конструкцію до простої з геометричними розмірами (рис.12). Враховуючи особливості теплообміну в даній конструкції, представимо теплову модель у вигляді корпусу і умовно нагрітої зони.

рис.12

Визначимо питому потужність розсіювання приладу:

,

де - потужність, що розсіюється приладом, Вт; - площа поверхні корпусу, м² .

Визначимо питому потужність розсіювання нагрітої зони:

,

де - потужність, що розсіюється приладом, Вт; - площа поверхні корпусу, м² .

,

де - коефіцієнт заповнення об’єму, у нашому випадку = 0.9.

Визначимо перегрів корпусу:

Визначимо перегрів нагрітої зони:

Визначимо перегрів нагрітої зони з урахуванням тиску повітря зовні корпусу:

де - перегрів корпусу; та - коефіцієнти, що визначаються тиском повітря зовні та всередині приладу відповідно.

де та - атмосферний тиск повітря зовні та всередині приладу відповідно, МПа.

Визначимо перегрів нагрітої зони з урахуванням тиску повітря зовні корпусу:

Визначимо перегрів повітря в блоці:

Визначимо середню температуру повітря в блоці:

Визначимо середню температуру повітря корпусу:

Визначимо температуру повітря нагрітої зони:

Отже, максимальна температура вибраних раніше ЕРЕ не буде перевищувати максимальних температур експлуатації.

9.3 Механічні впливи

9.3.1 Розрахунок вібраційної та ударної міцності плати

Визначимо сумарну масу ЕРЕ розташованих на платі:

Згідно з рекомендаціями наведеними в [6, с. 44] для розрахунку вібраційної та ударної міцності плати використаємо програму Plata2ver21.

Файл вхідних даних має такий вигляд:

Файл PLATA2.TXT - исходные данные

Размеры платы:

90.0 - длина, мм

90.0 - ширина, мм

1.5 - толщина, мм

Механические характеристики материала:

9.8 - модуль упругости E, ГПа

0.28 - коэффициент Пуассона

1.85 - плотность, г/см^3

0.032 - коэффициент механических потерь

245.0 - предел прочности при изгибе, МПа

55.0 - предел выносливости при изгибе, МПа

Параметры ЭРЭ, установленных на плате:

с условно сосредоточенной массой -

1 - число ЭРЭ (не более 10)

0.025 - массы, кг

23.75 - координаты по оси x, мм:

66.25 - координаты по оси y, мм:

0.095 - масса равномерно распределенных по плате ЭРЭ, кг

1 Код способа закрепления сторон:

1 - четыре вершины свободно оперты

2 - опирание на шесть точек вдоль длинных сторон

3 - все четыре стороны свободно опёрты

4 - две вертикальные опёрты, две горизонтальные защемлены

5 - две вертикальные и нижняя горизонтальная защемлены,

верхняя свободна

6 - все четыре стороны защемлены

7 - две горизонтальные и левая вертикальная оперты,

правая вертикальная защемлена

8 - две вертикальные оперты, нижняя горизонтальная защемлена,

верхняя свободна

9 - две горизонтальные и левая вертикальная оперты,

правая свободна

10 - левая вертикальная и нижняя горизонтальная защемлены,

остальные свободны

11 - левая вертикальная защемлена, нижняя горизонтальная

оперта, остальные свободны

12 - левая вертикальная и нижняя горизонтальная оперты,

остальные свободны

Вводимо розрахункові точки рис. 13

рис. 13

Умовне зображення плати зображено на рис.14

рис.14

Отримані результати показано на рис.15

рис.15

9.4 Надійність за раптовими

Раптові експлуатаційні відмови є раптовими відмовами повноцінної по надійності радіоелектронної апаратури, що виникають в період нормальної експлуатації, коли прироблення пристрою вже закінчилося, а знос і природне старіння ще не настали. Раптові експлуатаційні відмови обумовлені чисто випадковими чинниками, такими як приховані внутрішні дефекти, які не можуть бути виявлені встановленою системою технологічного контролю; маловірогідні і тому не передбачені схемою і конструкцією відхилення режимів роботи, поєднання параметрів, концентрації зовнішніх навантажень і внутрішніх напружень, помилки операторів в період експлуатації.

Розрахунок ведеться по методиці, приведеній в [5, с. 96]. Початковими даними є схема електрична принципова з переліком елементів.

При визначенні надійності системи через відомі показники надійності її елементів вводять два припущення:

- відмови елементів системи статичноне залежні

- відмова будь-якого елементу приводить до відмови системи, по аналогії з електричними ланками таку систему в теорії надійності називають послідовною.

Прийняті припущення дозволяють використовувати теорему множення вірогідності, яка після групування рівнонадійних елементів виглядає таким чином:

Розбиваємо елементи на рівнонадійні групи.

Розрахунок значень надійності для всіх рівнонадійних груп, що входять до складу ДВ

приведений в таблиці 8.

Таблиця 8

Розрахунок значень надійності рівнонадійних груп ЕРЕ

В табл. 8 використані наступні скорочення:

- λ_0і - інтенсивність відмов елементів i - ої рівнонадійної групи в номінальному режимі

роботи;

- Кн – коефіцієнт навантаження;

- аі – поправочний коефіцієнт, що враховує вплив температури навколишнього середовища

та електричного навантаження елемента. Для знаходження значень коефіцієнтів приведених в табл. 8використано [5, с. 96], Т = 60°С.

Інтенсивність потоку відмов всього блоку визначається по формулі :

,

де - поправочний коефіцієнт, що враховує умови експлуатації;

,

де = 1.07; = 2; = 1, [5, табл. 4.3, 4.4, 4.5].

Інтенсивність потоку відмов всього блоку буде:

Тоді, середнє напрацювання на відмову буде визначається по формулі:

Отже, середнє напрацювання на відмову задовольняє умови ТЗ.

Середній час відмовлення виробу складатиме:

,

де - коефіцієнт одночасної заміни елементів, = 2.5, - середній час відновлення елементу, год.

Визначимо коефіцієнт готовності:

10 Висновки

У курсовому проекті був розроблений сенсорний вимикач з пультом дистанційного керування. У ході розробки були проведені розрахунки внутрішньої електромагнітної сумісності, теплового режиму, механічних впливів, надійності за раптовими відмовами. Також була розроблена конструкція корпусу та друкованого вузла, зроблено вибір та аналіз матеріалів для друкованої плати, корпусу пристрою, проведено вибір елементної бази.

В якості оригінального вузла розраховано конструкцію трансформатора живлення.

Результатом курсового проекту стало створення комплекту конструкторської документації на розробку сенсорного вимикача з ПДК.

Блок сенсорного вимикача з пультом дистанційного керування повністю відповідає умовам технічного завдання.