Измеритель напряжённости и градиента магнитного поля
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Гомельский государственный дорожно-строительный колледж имени Ленинского комсомола Белоруссии»
Специальность: 2400202
Группа: ЭВС-42
Пояснительная записка к дипломному проекту
НА ТЕМУ: «Измеритель напряжённости и градиента магнитного поля»
Разработал учащийся: В.Т. Тихоненко
Руководитель дипломного проекта: Д.С. Минин
Руководитель цикловой комиссии: А.В. Кривицкий
Руководитель экономической части: Л.П.Дворак
Гомель 2010
Содержание
Введение
1 Расчетно-проектировочный раздел
1.1 Назначение и область применения
1.2 Разработка структурной схемы
1.3 Разработка принципиальной схемы
1.3.1 Расчет узлов и блоков
1.3.2 Выбор элементной базы1
1.3.3 Описание принципа действия
1.3.4 Расчет потребляемой мощности
1.4 Разработка блока (системы) электропитания
2 Конструкторско-технологический раздел
2.1 Выбор и обоснование способа изготовления печатной платы
2.2 Компоновка устройства
2.3 Поиск и устранение неисправностей
3 Экономический раздел
4 Энерго- и материалосбережение
5 Охрана труда
6 Охрана окружающей среды
Заключение
Литература
Введение
Написание дипломного проекта и последующая его защита является заключительной стадией обучения в средних специальных учебных заведениях. Дипломный проект является обобщающей проверкой всех знаний накопленных за время учебы в техникуме. Он охватывает такие предметы как: экономика, схемотехника ЭВМ, экология, энергосбережение и некоторые другие предметы, характерные для отделения «Электронные вычислительные средства». Темой дипломного проекта является разработка, какого либо электронного устройства, в данном случае – измерителя напряжённости и градиента магнитного поля. Для разработки устройства требуются знания теории, подкрепленной практическим опытом. Разработка устройства включает в себя:
Выбор и обоснование элементной базы.
Разработка структурной схемы.
Разработка принципиальной схемы.
Расчет узлов и блоков.
Выбор ИМС и радиоэлектронных элементов.
Расчет потребляемой мощности.
Расчет быстродействия.
Для практического исполнения устройства требуются практические навыки, полученные при прохождении практик:
Электромонтажная.
Электроизмерительная.
Производственно-технологическая.
Преддипломная.
Навыки, полученные при прохождении электромонтажной практики (пайка, нанесение печатного монтажа на платы, травление плат) нужны для изготовления печатной платы устройства и припаивания микросхем и радиоэлементов к печатному монтажу.
Навыки, полученные при прохождении электроизмерительной практики нужны для поиска и устранения неисправностей в готовом устройстве.
Навыки, полученные при прохождении производственно-технологической практики, требуются для изготовления и проверки на работоспособность устройства, но с использованием знаний опытных инженеров-электроников, что позволяет сократить затрачиваемое время на изготовление устройства и поиск неисправностей в нем.
Преддипломная практика требуется в основном для сбора и подготовки материалов к дипломному проекту.
После написания и защиты дипломного проекта молодые специалисты могут приступать к трудовой деятельности.
1. Расчетно-проектировочный раздел
1.1 Назначение проектируемого устройства и выбор области его применения
Разрабатываемый мною прибор предназначен для оперативного измерения и контроля величины напряжённости постоянного магнитного поля, а также градиента магнитной индукции, с помощью двух магниторезистивных датчиков типа HMC1022.
Возможные области применения прибора:
1.Прямые измерения напряжённости и градиента магнитной индукции слабых постоянных магнитных полей (сравнимых с магнитным полем Земли).
2.Работа в качестве металлоискателя или металлодетектора при поиске и обнаружении достаточно крупных ферромагнитных объектов (трубопроводов, техники, свалок, кладов, оружия и т. п.).
3.Построение маршрутов прокладки трасс подземных и подводных трубопроводных коммуникаций, приблизительная оценка их состояния.
4.Измерение полей рассеяния постоянных магнитов и магнитных систем при их конструировании, обслуживании и ремонте.
5.Оценка качества размагничивания стальных изделий.
6.Оценка магнитной обстановки.
7.Составление магнитных карт местности и магнитных образов объектов (магнитная паспортизация).
8.Построение различных измерительных установок и комплексов.
Прибор имеет автономное питание - аккумуляторную батарею, подзарядка которой может осуществляться сетевым зарядным устройством , и ручку для переноски. Штанга с датчиками может крепиться к корпусу прибора в четырех различных положениях.
1.2 Разработка структурной схемы проектируемого устройства
В данном разделе нужно представить структурную схему (Приложение 1) разрабатываемого устройства измерения градиента и напряжённости магнитного поля.
Структурной называется схема, которая определяет основные функциональные части изделия и связи между ними. Структурная схема лишь в общих чертах раскрывает назначение устройства и его функциональных частей. Она определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи, и служит лишь для общего ознакомления с изделием.
Составные части проектируемого устройства изображаются упрощенно в виде прямоугольников произвольной формы, т. е. с применением условно-графических обозначений. Внутри каждого прямоугольника, функционального узла устройства, указаны наименования.
Устройство измерения напряжённости и градиента магнитного поля можно разбить на следующие функциональные узлы:
-блок питания- подаёт напряжение номиналом +5В, +12 В, +2.5 В;
-аккумуляторная батарея- источник питания +12.6 В 7 А-час;
-блок управления- генерирует сигналы сброса/установки;
-левый и правый датчик- магниторезистивные преобразователи;
-вычитатели- сравнивают данные левого и правого датчиков, на выходе образуется напряжение пропорциональное градиенту магнитного поля;
-вольтметр- измерят напряжение на выходах датчиков и вычитателей, пропорциональное напряжённости и градиенту магнитного поля;
1.3 Разработка и обоснование принципиальной схемы проектируемого устройства
Расчет узлов и блоков проектируемого устройства
Главным элементом схемы является магниторезистивный датчик HMC1022.
Магниторезистивные датчики отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля. Они применяются в магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения объекта относительно магнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых колес и др.
Рис.1.3.1.1
Принцип работы магниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления.
Конструкция магниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех пермаллоевых слоев, которые организованы в мостовую схему. Кроме того, на плату датчика добавлены две катушки: SET/RESET и OFFSET. Катушка SET/RESET создает легкую ось, которая необходима для поддержания высокой чувствительности датчика, катушка OFFSET предназначена для компенсации воздействия паразитных магнитных полей (созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом или металлическими предметами).
Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевые сенсоры.
К числу преимуществ
магниторезистивных
датчиков можно
отнести:
•
отсутствие
зависимости
от расстояния
между магнитом
и датчиком;
•
широкий диапазон
рабочих температур
(от –55 до 150°С);
•
датчики зависят
только от направления
поля, а не его
интенсивности;
•
долгий срок
службы, независимость
от магнитного
дрейфа.
Для усиления выходного сигнала с датчиков производителем рекомендовано использовать аналоговые усилители на микросхемах AMP04 (DA1-DA4).
Для формирования сигналов служит генератор на микросхемах К561ЛЕ5.
Рекомендрванная схема включения датчика HMC1022 и аналогового усилителя AMP04 приведена на рисунке 1.3.1.2
рисунок1.3.1.2
Для установки нулевого сигнала в отсутствии магнитного поля на выходах DA1-DA4 используются цепочки R4R5R6, R7R8R9, R10R11R12,R13R14R15.
R4,R6,R7,R9,R10,R12,R13,R15= 100 кОм
R5,R8,R11,R14= 10 кОм
Коэффициент усиления DA1-DA4 усилителей (соответствующий коэффициент потребления 1В/Гс или 10мВ/Тл) задаётся с помощью резисторов R17,R20,R23,R26
R17,R20,R23,R26=470 Ом
Резисторы на выходах усилителей R29,R30,R31,R32 являются токоограничивающими
R29,R30,R31,R32= 100 Ом
Конденсаторы С19-С22 обеспечивают фильтрацию питания. Их величину выбираем из типовой схемы подключения DD3, DD4
Для формирования сигналов сброса-установки (S/R) служит генератор на микросхемах К561ЛЕ5, К561ИЕ16.
В состав генератора входит RS-тригегер.
RS-тригегеры в общем случае имеют три входа: S-для установки 1, R- для установки нуля и С для приёма тактируемых импульсов. Состояния RS-триггера, соответствующие различным сочетаниям сигналов на его входах R и S, приведены в таблице 1.
Особенности RS- триггеров заключается в том , что при подаче одновременно
На выходы R и S сигнала 1 состояния триггера на выходе становится неопределённым: схема начинает генерировать или вчение воздействия входных сигналов неоднократно переходя из одного состояния в другой. Для нормальной работы триггера необходимо устранить данное сочетание сигналов.
| tn | tn+1 | |||
| R | S | C | Qn +1 | Qn+1 |
|
0 1 0 1 |
0 0 1 1 |
1 1 1 1 |
Qn 0 1 н/о |
1 0 н/о |
Таблица 1
Состояние выходов триггера Qn Qn являющиеся составляющей функции элемента памяти и управляющих входов X1X2…Xm.
Рекомендованная схема включения генератора приведена на рисунке 1.3.1.3
Рисунок 1.3.1.3
Конденсатор С1 выбираем из типовой схемы подключения DD1 обычно имеет емкость 0,022 мкФ.
Рассчитаем времязадающие элементы R, С для генератора DD2. Т.к. требуется импульсы тока длительностью около 1 мксек, то из t=RC получаем следующие номиналы элементов:
R54,R55,R56,R57 = 10 кОм;
С11,C12,C13,C14 = 0,1 мкФ.
резисторы R35-R44,R51,R52
Рекомендованная схема включения вычитателя на базе микросхемы LM324N
Представлена на рисунке 1.3.1.4
Рисунок 1.3.1.4
Из рекомендованной изготовителем схемы подключения аналоговой микросхемы DA5 берём значения резисторов R35-R42,R51,R52.
R35,R38 =1 кОм
R36,R37,R39,R40,R41,R42 = 22 кОм
R51,R52=100 Ом
1.3.2Выбор элементной базы
В настоящее время существует несколько технологий производства интегральных микросхем: транзисторно-транзисторная логика(ТТЛ), транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки(ТТЛШ), МОП(МДП) и КМОП транзисторная логика, эмиттерно-связанная логика(ЭСЛ), интегральная инжекционная логика(И2Л). Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее распространены МДП и ТТЛ микросхемы, опишем их.
Микросхемы МДП транзисторной логики обладают большой помехозащищённостью по сравнения с микросхемами других типов, высокой нагрузочной способностью, высокой степенью интеграции, однако имеют низкое быстродействие. В этих микросхемах используют для питания и управления напряжения одинаковые полярности, что облегчает задачи последовательно соединения элементов. В микросхемах этой логики используется положительный и отрицательный уровни напряжения, что только усложняет работу проектировщиков. Наиболее распространенные серии: К176, К561, КР1561 и КР564.
ТТЛ микросхемы имеют высокое быстродействие, обширную номенклатуру, хорошую помехоустойчивость. Однако они обладают большой потребляемой мощностью. К настоящему времени разработано большое количество модификаций микросхем ТТЛ, связанных с повышением нагрузочной способности, уменьшением задержек распространения сигналов, обеспеченьем возможности объединения выходов микросхем, уменьшением потребляемой мощности, расширением выполняемых функций. Однако самые распространенные серии ТТЛ микросхем: К155, К555, К531, КР1533 и КР1531. Они различаются по многим электрическим параметрам(потребляемая мощность, входные и выходные токи и пр.), однако напряжение питания у них одинаковое(Uи.п.=5В±10%), а входные и выходные логические уровни совместимы. Полная электрическая и конструктивная совместимость однотипных микросхем из разных серий снимает многие проблемы проектирования электрических схем. Микросхемы ТТЛ ещё отличаются тем, что высокому уровню напряжения соответствует питающее напряжение Uи.п., а низкому уровню – нулевой потенциал(потенциал земли, заземленный вход) или отсутствие напряжения(разомкнутая цепь). Микросхемы ТТЛ имеют большой процент выхода, низкую стоимость, обладают широким функциональным набором и удобной для практического использования.
Точно определить какие микросхемы лучше МДП или ТТЛ нельзя: недостатки одной серии отсутствуют в другой и наоборот. А когда стоит вопрос о применении микросхем, в первую очередь обращают внимание на требуемые параметры. Например, когда не нужно такое высокое быстродействие как у микросхем ТТЛ-серии, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют интегральные микросхемы КМОП-серии.
Магниторезистивные датчики серии HMC1022 отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля. Они применяются в магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения объекта относительно магнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых колес и др.
Принцип работы магниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления.
Конструкция магниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех пермаллоевых слоев, которые организованы в мостовую схему. Кроме того, на плату датчика добавлены две катушки: SET/RESET и OFFSET. Катушка SET/RESET создает легкую ось, которая необходима для поддержания высокой чувствительности датчика, катушка OFFSET предназначена для компенсации воздействия паразитных магнитных полей (созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом или металлическими предметами).
Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевые сенсоры.
К числу преимуществ магниторезистивных датчиков можно отнести:
• отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;
• широкий диапазон рабочих температур (от –55 до 150°С);
• датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;
• долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.
Микросхема К561ИЕ16 содержит два независимых 4-разрядных двоичных счётчиков с параллельным выходом. Для повышения быстродействия в ИС применён параллельный перенос во все разряды. Подача счётных импульсов может производится либо в положительной полярности (высоким уровнем), либо в отрицательной полярности (низким уровнем).
К561ИЕ16 представляет
из себя вычитающий
счетчик - делитель,
который может
быть запрограммирован
чтобы делить
входную частоту
на любое число
от 3 до 15999. Выходной
сигнал является
импульсом с
шириной равной
периоду тактовой
частоты, который
повторяется
с частотой в
"N" раз меньше
входной. Счетчик
предустанавливается
16-ю входными
сигналами.
Три входа Ka, Kb, Kc
определяют
модуль деления
первой и последней
секций счетчика
в соответствии
с таблицей
истинности.
Каждый раз,
когда первая
(самая быстрая)
счетная секция
проходит один
цикл, она уменьшает
на 1 число загруженное
в трехдекадную
промежуточную
ступень и в
последней
счетной секции,
которая состоит
из триггеров
не нуждающихся
в работе первой
секции. Например,
в режиме 2 в первой
счетной секции
нужен только
один триггер.
Поэтому последняя
счетная секция
имеет три триггера,
которые могут
быть предустановлены
в значение до
7-ми в позиции
"тысячи". Если
для первой
секции желательно
установить
значение 10 то
Ka, Kb, Kc устанавливаются
в значения 1,
1, 0 и входы 1-4 используются
чтобы установить
первую счетную
секцию и не
могут быть
использованы
для загрузки
последней
секции. Промежуточная
ступень счетчика
состоит из трех
десятичных
счетчиков,
устанавливаемых
входами 5-16.
Входы выбора режима устанавливают максимальное значение 9999 (когда первая счетная секция делит на 5 или 10) или 15999 (когда первая счетная секция делит на 8, 4 или 2).
Три декады промежуточного счетчика могут быть установлены в двоичное значение 15, а не в десятичное 9 и со своим весом (1, 10, 100) умножается на значение MODE. Например, для MODE=8, числа с которых может начать считать счетчик могут быть следующими:
| 3-я декада | 1500 |
| 2-я декада | 150 |
| 1-я декада | 15 |
| последняя счетная секция | 1000 |
Сумма этих чисел (2665) умножается на MODE (8) и равна 21320. Первая счетная секция может быть установлена в 7. Поэтому в режиме 8 максимальный устанавливаемый коэффициент равен 21327.
Наибольшее возможное число деления показано в колонке "Расширенный диапазон" в таблице.
Управляющие входы Kb и Kc могут быть использованы для перевода счетчика в состояние "Master preset". В этом состоянии триггера счетчика загружаются значениями входов данных, но счет начинается только после изменения режима.
Перед установкой режима 5 сначала должен быть установлен режим "Master preset".
Когда устанавливается режим "Master preset", он должен длиться не менее трех полных тактовых циклов.
После режима "Master preset" когда входы изменились в один из режимов, следующий положительный фронт тактового импульса изменяет внутреннее состояние микросхемы так, что декремент счетчиков начнется по следующему положительному фронту тактового импульса. Таким образом, после режима "Master preset" должен пройти один лишний тактовый импульс прежде чем выход перейдет в состояние H. Высокий потенциал на входе El заставит счетчик сохранять состояние H с того момента, когда появится выходной импульс, до тех пор, пока на вход El не будет подан потенциал L. Если El=L, выход будет оставаться в состоянии H только один тактовый цикл.
Чтобы разделить частоту на какое-либо число, его значение можно определить по формуле:
N= [MODE] * [1000*Decade 5 Preset + 100*Decade 4 Preset +
10*Decade 3 Preset + 1*Decade 2 Preset] + Decade 1 Preset
Здесь MODE- коэффициент деления первой счетной секции.
Чтобы вычислить значения Preset для каждой декады нужно исходное N разделить на избранный режим.
Пример: N=8479, MODE=5
N/MODE= 8479/5 = 1695 + Остаток (4).
Входы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Значения: 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0
Проверка:
N= 5(1000*1 + 100*6 + 10*9 + 1*5) + 4 = 8479
Микросхема серии LM324N(КР1401УД2А) представляет собой операционный усилитель, на основе которого можно создать различные по назначению радиотехнические устройства. Операционный усилитель – это усилитель с большим коэффициентом усиления и непосредственными связями, применимый а основном в качестве активного элемента в схемах с обратными связями. При достаточном коэффициенте усиления ОУ по напряжению передаточная характеристика устройства вместе c цепями обратной связи может являться функцией только параметров цепей обратной связи, не зависящих от усиления. Помимо выполнения с помощью ОУ традиционных математических операций, таких как суммирование, вычитание, интегрирование и дифференцирование, на ОУ реализуют различные УПТ, усилители переменного напряжения, логарифмические усилители, видео усилители, усилители ограничители, активные фильтры, модуляторы и демодуляторы, функциональные преобразователи, генераторы гармонических колебаний, стабилизаторы напряжение и тока
Рис. 1.3.2.1 Схема операционного усилителя LM324N(КР1401УД2А)
1.3.3 Описание принципа действия устройства
Прибор состоит из двух идентичных двухкоординатных магнитометров, построенных на основе взаимноортогональных двухосных магниторезистивных преобразователей HMC1022 фирмы Honeywell. Магнитометры расположены на некотором расстоянии друг от друга (измерительная база 1 метр) на концах немагнитной штанги (алюминиевый профиль Г-образного сечения) таким образом, чтобы магниторезистивные преобразователи находились в одной плоскости и их измерительные оси были параллельны и одинаково ориентированы. Поворотом штанги (вручную) можно задавать различную ориентацию плоскости преобразователей относительно поверхности Земли. Магнитометры соединены с блоком питания, управления и вычитателей. Для индикации показаний используется аналоговый вольтметр. Блок питания, управления и вычитателей и вольтметр расположены посередине штанги. Снизу к штанге крепится аккумуляторная батарея. Сверху установлена ручка для переноски.
В качестве датчика магнитного поля использован двухкоординатный магниторезистивный преобразователь на микросхеме TD1 HMC1022 фирмы Honeywell. Для работы этого датчика необходимы сигналы сброса/установки (импульсы тока амплитудой до 0.5 А длительностью около 1 мксек). На вход S/R магнитометра подаются прямоугольные импульсы с блока питания, управления и вычитателей. Микросхема DD3 предназначена для формирования фронтов и спадов импульсов. С выхода микросхемы DD3 прямоугольные импульсы через дифференцирующие цепочки R55C10, R56C9 подаются на транзисторы VT4, VT5. Через конденсаторы C13, C14 импульсы сброса/установки подаются на соответствующие входы микросхемы TD1.
Выходные сигналы (пропорциональные составляющей индукции магнитного поля по соответствующей координате) с датчика TD1 подаются на дифференциальные входы усилителей DA1, DA2 (AMP04 фирмы Analog Devices). Для установки нулевого выходного сигнала в отсутствие магнитного поля используются цепочки R4R5R6, R7R8R9. Коэффициент усиления усилителей DA1, DA2 (соответствующий коэффициенту преобразования 1 В/Гс или 10 мВ/мкТл) задается с помощью резисторов R18 и R21. Через токоограничивающие резисторы R30, R31 сигналы поступают на выход преобразователя (OUTA, OUTB). Для питания магнитометра используются напряжения +12, +5 и +2.5 В (Vref), поступающие от блока питания, управления и вычитателей. Напряжение +12.6 В с аккумуляторной батареи через защитный диод VD2 подается на контакт +12 В (для питания узлов измерителя) и на стабилизатор напряжения +5 В (DA7). Для работы усилителей магнитометра от источника однополярного напряжения служит источник опорного напряжения Vref (+2.5 вольт) на элементах R54 и DA6 (TL431C).
Для формирования сигналов сброса-установки (S/R) служит генератор на микросхемах DD1, DD2. На выходе генератора могут присутствовать четыре разновидности сигнала S/R (режим работы выбирается переключателями S1,S2,S3): прямоугольные импульсы частотой 20 Гц и скважностью, равной 0.5; прямоугольные импульсы частотой 0.2 Гц и скважностью, равной 0.5; прямоугольные импульсы частотой 0.2 Гц и скважностью, равной примерно 0.05; нулевой уровень.
Вход вольтметра подключается к выходам магнитометров, а также к выходам вычитателей. Вольтметр может работать с открытым или закрытым входом, в зависимости от положения переключателя S1. Закрытый вход позволяет отделить переменную составляющую сигнала от постоянной, что в сочетании с разнообразием форм сигнала S/R существенно расширяет возможности устройства. Вольтметр построен по схеме преобразователя напряжение-ток (DA1.2). Для индикации полярности входного напряжения использован узел на микросхеме DA1.3, транзисторах VT1, VT2 и светодиодных индикаторах HL1, HL2.
1.3.4 Расчет потребляемой мощности
Теперь необходимо выполнить расчет потребляемой мощности. Это делается для того, чтобы подобрать правильный блок питания.
Интегральная микросхема DD2 (К561ИЕ16) потребляют мощность
РK561ИЕ16 =0,7*12=8,4 мВт;
Аналоговые микросхемы DA1- DA4 (AMP04) потребляют мощность:
РAMP04 = 4*0,5*5=10 мВт;
Аналоговая микросхема DA5 (LM324N) потребляет мощность:
РLM324N =5*3 =15 мВт;
Интегральные микросхемы DD1- DD3 (К561ЛЕ5) потребляют мощность:
РК561ЛЕ5 = 3*0,005*12=0,18 мВт;
Магниторезистивные датчики TD1, TD2 (HMC1022) потребляют мощность:
РHMC1022 = 2*1*12= 24 мВт;
Резисторы потребляют мощность:
Р резисторов =57*0.25= 14.25мВт;
Транзисторы потребляют мощность:
Р транзисторов = 30 +2*12+2*50+2*45 = 222мВт
Резисторы вольтметра потребляют мощность:
Р резисторов В=20*0.25+0.5= 5.5мВт
Транзисторы вольтметра потребляют мощность:
Ртранзисторов В=12+30= 42мВт
Светодиоды вольтметра потребляют мощность:
Р светодиоды В= 3.6+3.6= 7.2 мВт
Стабилитроны вольтметра потребляют мощность:
Р стабилитронов В=300*2= 600мВт
Аналоговая микросхема DA5 в вольтметре (LM324N) потребляет мощность:
РLM324N =5*3 =15 мВт;
Диодный мост вольтметра потребляет мощность:
Р диод.мост В=4мВт
Теперь, рассчитав мощность, потребляемую отдельными элементами устройства, можно рассчитать мощность, потребляемую всем устройством.
Р= ∑Рэл = 15+ 7.2+ 42+ 5.5+222+ 14.25+ 24+ 0.18+ 15+ 10+ 8.4+ 600= 963.53 мВт.
1.4 Разработка блока электропитания
Для работы устройства источник питания должен обеспечивать три напряжения питания: +12В,+5В,+2,5В.
Суммарная мощность проектируемого устройства составила 963.53 мВт.
Исходя из расчётов потребляемой мощности устройства и требуемых номиналов питания, выбираем стабилизатор КР142ЕН5А, со следующими параметрами:
Uвх. мин = 8.5 В;
Uвх. мах = 15 A;
Uвых. мах = 5 В;
Uвых. мах = 6.1 В;
Iвых. мах = 8 A;
P мах = 10Вт;
Мною была выбрана схема электропитания, представленная на рисунке:
Рисунок 1.4.1
DA1- TL431C
DA2- КР142ЕН5А
R1 100 Ом
С1- 200 мкФ +10 В
С2- 200 мкФ +10 В
С3- 500 мкФ +16В
VD1- Д226
TL431 - регулируемый стабилизатор параллельного типа (интегральный аналог стабилитрона).
Предназначена для использования в качестве источника опорного напряжения (ИОН) и регулируемого стабилитрона. Позволяет поддерживать высокоточное управляемое выходное напряжение для таких низковольтных применений как: материнские платы компьютеров и компьютерные приставки, измерительные приборы, зарядные устройства, импульсные источники электропитания и устройства с батарейным питанием.
Опорное напряжение 2495 мВ ± 1%;
Типовое значение изменения опорного напряжения 5 мВ в рабочем диапазоне температур;
Типовое значение динамического импеданса 0,2 Ом;
Напряжение на катоде до 36В;
Рабочий ток до 100 мА;
Рабочий диапазон температур -40…+85°С;
Микросхема изготавливается в корпусах как для обычного, так и поверхностного монтажа.
Таким образом, выбранный блок питания полностью удовлетворяет всем требования и является наиболее оптимальным решением в контексте данного устройства.
2. Конструкторско-технологический раздел
2.1 Выбор и обоснование способа изготовления печатной платы
Печатные платы представляют собой диэлектрическую пластину с нанесенным на нее токопроводящим рисунком (печатным монтажом) и отверстиями для монтажа элементов.
Печатный монтаж – это нанесение на изоляционное основание тонких электропроводящих покрытий (печатных проводников), выполняющих функции монтажных проводов для соединения элементов схемы.
Печатные платы служат для размещения и закрепления элементов устройства одном основании, а печатный монтаж обеспечивает связь между этими элементами в соответствии с принципиальной схемой устройства.
Наряду с традиционным проводным монтажом печатные платы являются основным этапом в подготовке устройства к производству и имеют ряд преимуществ, т. е. они позволяют:
1. Увеличить плотность монтажных соединений и возможность миниатюризации компоновки радиоэлементов и блоков внутри устройства;
2. Организовать изготовление печатных проводников и электрорадиоэлементов в одном технологическом цикле;
3. Гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик;
4. Повышенная стойкость устройства к климатическим и механическим воздействиям;
5. Провести унификацию конструкторских и технологических решений;
6. Увеличить надежность;
7. Организовать комплексную автоматизацию работ по изготовлению устройства;
По конструктивному исполнению все печатные платы можно подразделить на односторонние, двухсторонние, однослойные и многослойные.
Односторонние печатные платы представляют собой диэлектрическое основание, на одной стороне которого выполнен печатный монтаж, а на другой стороне размещаются элементы устройства.
У двухсторонних печатных плат печатный монтаж выполнен на двух сторонах, а переход токопроводящих линий осуществляется металлизированными контактными отверстиями. Такое исполнение печатной платы позволяет обеспечить большую плотность размещения печатных проводников.
Многослойные печатные платы состоят из чередующихся слоев материала с проводящим рисунком, соединенных клеевыми прокладками в монолитное основание путем прессования. Такое исполнение печатной платы позволяет обеспечить наибольшую плотность и надежность печатного монтажа, что в свою очередь позволяет уменьшить габаритные размеры печатной платы.
Теперь рассмотрим более подробно методику нанесения токопроводящего рисунка на подложку печатной платы. Существует несколько способов:
1. Химическое травление;
2. Электрохимическое осаждение;
3. Комбинированный.
Наиболее распространенным из этих методов является метод химического травления.
Организация процесса химического травления фольгированного материала осуществляется при помощи специально изготавливаемых для этих целей химических составов. Существует широкая номенклатура таких реактивов, большинство из которых довольно легко можно изготовить даже в домашних условиях. Наиболее простыми способами травления фольгированного материала в процессе изготовления печатной платы является:
1. В стакане холодной воды растворяют 4 – 6 таблеток пероксида водорода и осторожно добавляют 15 – 25 мл концентрированной серной кислоты. Для нанесения рисунка печатных проводников на фольгированный материал можно пользоваться клеем БФ – 2. Время травления в данном растворе примерно 1 час.
2. Раствор хлорного железа в воде: в 200 мл воды растворяют 150 г хлорного железа в порошке. Для приготовления хлорного железа берут 9 % -ную соляную кислоту и мелкие железные опилки. На 25 объемных частей кислоты берут одну часть железных опилок. Опилки засыпают в открытый сосуд с кислотой и оставляют на несколько дней. Через 5 – 6 дней раствор окрасится в желто-бурый цвет, что означает готовность раствора к применению.
3. Травление платы в концентрированном растворе азотной кислоты занимает 1 –5 минут, но требует осторожности. После травления плату тщательно промывают водой с мылом.
Однако существует возможность изготовления печатной платы даже без применения химикатов. Данный процесс осуществляется следующим образом: требуемых размеров плату вырезают из фольгированного материала, сверлят все необходимые отверстия и наносят на нее рисунок печатного монтажа. Контуры обводят острым шилом. Для изготовления платы средней сложности приведенным способом затрачивается 1,5 – 2 часа.
Что касается информационно-сигнальной системы оледенения в автомобиле, то для изготовления печатной платы для неё целесообразней всего изготовить
Как и для любого устройства, для изготовления печатной платы также существует своя методика:
- Сначала на клетчатой бумаге вычерчивается плата в натуральную величину.
- Следующим действием изготавливается копия этого чертежа, на котором отмечены только места, где необходимо просверлить отверстия для установки в них радиоэлементов и цифровых интегральных
микросхем. Для этого необходимо знать размеры корпусов радиоэлементов и ИМС, а также расстояния между их выводами.
- Эта копия наклеивается на пластину фольгированного стеклотекстолита со стороны фольги. Применять для изготовления печатной платы гетенакс или текстолит не рекомендуется, т. к. существует высокая вероятность, что при повторной пайке печатные проводники отклеятся.
- При определении площади платы суммарная площадь устанавливаемых на нее элементов умножается на коэффициент 3. К этой площади прибавляется площадь вспомогательных зон, предназначенных для крепежа платы. Отношение размеров сторон платы не должно превышать 1 к 3.
- Следующим этапом является проделывание отверстий для установки радиоэлементов и микросхем. Сверлятся отверстия обычно сверлами с диаметром от 0,5 до 0,7 мм.
- После вся плата со стороны фольги покрывается слоем нитрокраски и высушивается не менее 20 мин.
- Затем производится тщательное обследование печатной платы и в местах где краска попала мимо печатных проводников производится ее удаление при помощи скальпеля.
- Готовая плата травится обычным способом в растворе хлорного железа. Однако и здесь существует одна небольшая хитрость, для ускорения процесса травления печатную плату нужно травить в вертикальном положении. При этом продукты реакции не будут оседать на печатную плату, и не будут препятствовать процессу травления.
2.2 Компоновка проектируемого устройства
Процесс компоновки элементов проектируемой нами информационно-сигнальной системы оледенения в автомобиле можно подразделить на несколько этапов:
Функциональная компоновка - размещение и установка функциональных элементов на печатных платах с учетом функциональных и энергетических требований, а также плотности компоновки и установки элементов, плотности топологии печатных проводников. Функциональная компоновка проводится для определения основных размеров печатной платы, выбора способов ее проектирования и изготовления. Прежде чем приступить к изготовлению печатной платы, нужно сделать её рисунок, т.е. скомпоновать все радиоэлементы и микросхемы. Компоновка устройства подразумевает под