Материалы сайта
Это интересно
Проектирование РЭС
Введение В настоящее время для управления различной аппаратурой очень широко используется дистанционное управление (ДУ) на ИК-лучах. ДУ на ИК лучах вторглось в нашу повседневную жизнь и в достаточной мере экономит наше время. Это очень удобный вид управления радиоаппаратурой, т.к. ИК управление потребляет не много энергии и действует только в направление управляемого устройства, а не во всех как радиоуправление. В мире существует достаточно много не совместимых между собой систем ИК ДУ. Наибольшее распространение получила система RC-5. Эта система используется во многих телевизорах, в том числе и отечественных. Система инфракрасного дистанционного управления RC-5 была разработана фирмой Philips для нужд управления бытовой аппаратурой. 1 Разработка и анализ ТЗ. Разработка и обоснование принципиально конструктивного объекта: приемника ИК излучения с последующей дешифрацией. В данной работе будет произведен расчет только приемника ИК излучения, а точнее предварительного усилителя. Он будет находиться в отдельном корпусе от остальных печатных плат устройства. 1. Назначение данного устройства: 1. Потребительское назначение: управление объектами на расстояние. 2. Радиотехническое назначение: предварительный усилитель, модуль логической дешифрации команд, модуль сопряжения. 1.2. Основные параметры устройства: Напряжение питания :Uпит = 12 В. Потребляемая мощность: Pпот = 150 мВт. Частотное заполнение принимаемых команд: F = 32.768 кГц. 1.2.1. Условия эксплуатации: - Температура: Tmin=233 К, Tmax =328 К; (55° С). - Влажность, 80% (298 К); - Вибрация, 10 ... 30 Гц, - Виброустойчивость: 19.6 м/сек2; - Прочность при транспортировке: t = 5... 10 мс, v-40... 80мин-1, а = 49 .. .245 м/c, N =13 000 ударов. 1.2.2. Конструктивные особенности: внешний источник питания. 1.2.3. Критерии качества: дешевизна и эргономичность. 1.2.4. Схема электрическая принципиальная с перечнем элементов аналога в приложение 1. 1.2.5. Класс объекта установки: наземная РЭА. 1.2.6. Группа объекта установки: Стационарная РЭА, работающая в отапливаемых помещениях (1-я группа). 1.2.7. Цель разработки: создание усилителя ИК сигналов со сниженными массо- габаритными характеристиками, уменьшение его стоимости, повышение надёжности и эффективности, а также удовлетворение требований настоящего технического задания. 2 Анализ аналогов и прототипов. 2.1 Анализ существующих конструкций ИК приемников: В мире существует достаточно много не совместимых между собой систем ИК ДУ. Наибольшее распространение получила система RC-5. Когда мы нажимаем кнопку пульта, микросхема передатчика активизируется и генерирует последовательность импульсов, которые имеют заполнение частотой 32,768 КГц. Светодиоды преобразуют эти сигналы в ИК-излучение. Излученный сигнал принимается фотодиодом, который снова преобразует ИК-излучение в электрические импульсы. Эти импульсы усиливаются и демодулируются микросхемой приемника. Затем они подаются на модуль логической дешифрации команд который связан с блоком сопряжения. Анализ аналогов и прототипа: Таблица 2.1. |Параметр |№1 |№2 |Прототип |Аналог | |Потребляемая |320 мВт.|260 мВт.|280 мВт. |150 мВт. | |мощн. | | | | | |Дальность |6 м. |4 м. |5 м. |8 м. | |действия | | | | | |Габариты |110х90 |85х75 |80x60 |60x40 | |Эргономичность|- |+ |+ |+ | |Стоимость |Высокая |средняя |Средняя |Небольшая | |Индикация | | | | | |дежурного |- |- |+ |+ | |режима | | | | | Ниже приводятся описания приведенных выше аналогов: Схема №1 – ИК приемник, собранный на дискретных элементах, имеющий хорошую чувствительность, но потребляющий энергии, больше всех ниже перечисленных. Приемником сигналов здесь служит фотодиод. Кроме того, он будет обладать большими габаритами.(См. прилжение1). Схема №2– ИК приемник, также собранный на дискретных элементах, имеющий маленькую чувствительность. Приемником сигналов здесь служит фототранзистор. Энергии эта схема будет потреблять меньше чем предыдущая. (См. прилжение2). Прототип – ИК приемник, собранный на дискретных элементах, имеющий среднюю чувствительность и потребляющий энергии, почти как предыдущий. . Приемником сигналов здесь служит фотодиод. Также эта схема имеет индикацию дежурного режима. (См. прилжение2). Разрабатываемое устройство - ИК приемник, собранный на специализированной микросхеме, имеющий высокую чувствительность и потребляющий энергии, почти в два раза меньше чем схема №1.Кроме того, он будет обладать маленькими габаритами и не высокой стоимостью. (См. прилжение1). 2.2. Анализ разрабатываемой конструкции ИК управления. Электрическая принципиальная схема ИК управления представлена в приложении 1. Разрабатываемый ИК усилитель включает в себя: приемник ИК излучения (фотодиод), колебательный контур, выделяющий частотное заполнение сигнала, специализированную микросхему, которая усиливает сигнал и обеспечивает согласование входных и выходных цепей и амплитудный детектор собранный по схеме удвоения. Импульсные микротоки, возникающие в фотодиоде при его облучении, необходимо усилить и привести к нормам цифрового стандарта, т.е. преобразовать каждую ИК вспышку в импульс напряжения, пригодный для непосредственного управления цифровой микросхемой того или иного типа. Высокое входное сопротивление и усиление, значительная широкополосность усилителя, пригодного для решения такой задачи, делают его чувствительным к электрическим наводкам самого разного происхождения. В том числе и к работе электронной «начинки» прибора, в который он входит сам. Поэтому фотодиод и его усилитель обычно тщательно экранируют. При разработке этого прибора особое внимание уделяется низкой себестоимости и эргономичности. Кроме того, в разрабатываемую конструкцию включёна индикация дежурного режима. Если прибор находится в дежурном режиме, то его индикатор светится. Из всего вышесказанного следует, что большинство схем объединено общими недостатками: все они имеют: сравнительно большие габариты, дороговизну изготовления и потребляют значительный ток от источника питания, что вынуждает от них отказаться. Разрабатываемая схема ИК усилителя лишена указанных недостатков и позволяет создать недорогой, малогабаритный прибор. 3.Предварительное конструирование устройства. 3.1 Выбор схемы расположения элементов конструкции и их расположение внутри корпуса блока: Эскиз конструкции представлен в приложение 7. Все элементы схемы смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Плата крепится к основанию блока параллельно с помощью 4-х стоек, которые вкручиваются в основание блока и винтов, которыми притягивается плата. Лицевая панель имеет всего два элемента: отверстия под индикацию и приемник ИК излучения. Чувствительность фотоприемника может быть заметно снижена паразитной подсветкой. Поэтому фотодиод будет прикрыт блендой - зачерненным внутри отрезком металлической или пластмассовой трубы, отгораживающим его от источников света, находящихся в стороне от оптической оси. Также прямая, соосная подсветка фотодиода будет уменьшена фильтром, ослабляющим видимую часть спектра подсветки. Для этого там поставлен специальный инфракрасный фильтр с полосой прозрачности, совпадающей со спектром излучения ИК диода. В качестве ИК фильтра выберем быть окрашенный полистирол. 2. Обоснование и расчет компоновочных характеристик печатного узла: Способ установки ЭРЭ – односторонний. Конструкция печатного узла - бескорпусная. Форму печатных плат выбираем прямоугольную, что облегчает определение их компоновочных характеристик. Компоновочные характеристики печатных плат – ориентировочное определение массогабаритных характеристик. При размещении ЭРЭ-тов на печатных платах, ЭРЭ-ты заменяют установочными моделями. При определении площади печатных плат посадочное место ЭРЭ представляет собой проекцию установочной площади на плату. В сумме установочные площади определяют размеры печатных плат. При этом произведение сторон печатной платы должно соответствовать площади печатной платы. 3.3. Определение массо-габаритных размеров ячейки: Определение установочной площади Sуст элементов. Установочная площадь каждого отдельно взятого элемента выбирается из Приложения 5, из таблицы «Перечень элементов схемы и их характеристики». Определение суммарной установочной площади элементов, расположенных на каждой плате: Sуст( = 1,3[pic]Sустi (1) Sуст( = 1,3[pic]600,08 = 780,104 мм2; 1) Определение площадей печатных плат: S n.n. = [pic], (2) где Ks – коэффициент заполнения площади печатной платы, Ks = 0,8 Sn.n = [pic] = 975,13 мм2; 2) Определение габаритных размеров печатных плат. Из нескольких вариантов соотношений сторон ПП выбрали плату со следующими размерами: 60х40; 3) Определение габаритных размеров ячеек. На горизонтально расположенной плате длина и ширина платы будут соответственно равны длине и ширине ячейки: L = 60 мм; В = 40 мм, Высота ячейки равна: Н = max Hэ + hn.n , (3) где max Hэ – высота самого высокого элемента на плате, H – толщина печатной платы. В1 = 20 + 1,5 = 21,5 мм, 4) Определение массы ячеек. Масса каждой ячейки состоит из массы печатной платы и массы элементов, расположенных на ней. Масса каждого элемента mi представлена в приложении 3 в таблице 1. mяч = mnn + (mi , (4) где mnn = ?хV – масса печатной платы, кг, ? – плотность материала платы, кг/м3 V – объем ячейки, м3 V = (60мм*40мм*2мм) = 4,8*10-6 м. mnn = 2,4х103[pic]4,8х10-6 = 0,01152 кг., mяч = 0,0694 + 0,01152 = 0,08092 кг., Вывод: найдены массо-габаритные размеры ячеек. 3.3.1 Выбор способов крепления плат. Плата крепится к основанию блока параллельно с помощью 4-х стоек (Lстоек =15мм.), которые вкручиваются в основание блока и винтов, которыми притягивается плата. 3.3.2. Разработка крепления корпуса: Корпус состоит из: - основание, которое представляет из себя лист металла, крестообразной формы с загнутыми концами. Эти концы имеют разную высоту. Которые длиннее - 7,5мм. + 5мм. кромки, которые в 2 раза тоньше, чем само основание (в кромках, в местах крепления будет нарезана резьба под винты диаметром 3,5 мм.). А которые короче, будут иметь высоту корпуса и будут найдены ниже. - П-образная крышка. Загнутые концы будут также иметь кромки, которые в 2 раза тоньше, чем сама крышка. В кромках в местах крепления будут просверлены отверстия диаметром 4 мм. В основание и в крышке кромки сделаны с разных сторон. Соединяются они с помощью винтов диаметром 3,5 мм . Корпус сделан из алюминия. 3.3.3. Определение компановочных характеристик корпуса ИК приемника включает в себя 2 этапа: 1) Определение габаритных размеров корпуса блока, 2) Определение общей массы конструкции блока. Габаритные размеры корпуса блока определяются исходя из конструкторских соображений. Определяем ориентировочный объем проектируемой конструкции: V( = [pic][pic]Vустi, где Кv – обобщенный коэффициент заполнения объема, Vустi – установочный объем i-го элемента. В качестве установочного объема i-го элемента выбираем объем ячейки. Тогда формула примет вид: V( = [pic] [pic]Vяч i (5) Vяч1 = Hi[pic]Li[pic]Bi (6) Vяч1 = 60[pic]40[pic]21,5=52800 мм3 = 52,8[pic]10-6м3, V( = [pic][pic]52,8[pic]10-6 = 66[pic]10-6м3. Высота корпуса блока определяется по формуле: H = Hяч +Х1+Х2, (7) где Hяч – высота ячейки, Hяч=21,5 мм, Х1, Х2 – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячейки в блок, Х1 = 2,5 мм, Х2 = 15 мм. H = 21,5 + 2,5 + 15 = 39 мм. Ширина корпуса блока определяется по формуле: B = Bяч + Y1 + Y2, (8) где Bяч – размер ячейки, Bяч = 40 мм, Y1,Y2 – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячейки в блок, Y1 = 2,5 Y2 = 2,5 мм B = 40 + 5 = 45 мм. Длина корпуса блока определяется по формуле: L = Lяч + Z1 + Z2, (9) где Lяч – размер ячейки, Lяч = 60 мм Z1, Z2 – припуски размеров для обеспечения свободной входимости ячеек в блок, Z1=2,5 мм, Z2 = 3 мм L = 60 + 2,5 + 3 = 65,5 мм. Масса корпуса определяется по формуле: m = mяч + mк + mдоп, (10) где mяч– масса ячейки, кг, mк – масса корпуса блока, кг, mдоп – масса дополнительных элементов, кг. mк = mосн + mкрышки + mкрепления – mотверстий (11) Т.к. корпус сделан из алюминия, то его плотность ( = 2700 кг/м3 Расчитаем обьемы, а затем и массу составных частей корпуса (для удобства рачетов, найдем обьемы частей без учета отверстий под фотоприемник, светодиод и разъем). Vосн (без учета кромки) = (((0,065+0,039*2)*0,045)+0,0125*2*0,065)*0,002 = 16,86[pic]10-6 м3 Vосн = 16,86[pic]10-6 – 0,065*0,005*0,001*2 =16,21[pic]10-6 м3 mосн = (Vосн = 2700*16,21[pic]10-6 [pic]10-6 = 43,76 г, Vкрышки(без учета кромки) = 0,065*(0,045+(0,039-0,0125)*2) *0,002 = 12,87*10-6м3 Vкрышки = 12,87*10-6– 0,065*0,005*0,001*2 =12,22*10-6м3 mкрышки= (Vкрышки = 2700*12,22[pic]10-6 = 33 г. Учтем отверстия под фотоприемник, светодиод, разъем и найдем обьем который они занимают. Vотверст = (0,0042*3,14+0,0062*3,14+0,0065*0,0195)*0,002=0,58*10-6м3 Mотверст = 0,58*10-6 *2700 = 1,55 г. mк = 43,76 + 33 + 2,5*4 –1,55 = 85,21 г. mблока= 0,08092 + 0,08521+ 0,0075 = 0,2471 кг. Вывод: Определены габариты блока L * B *H: 0,0655*0,045[pic]0,039, и масса m = 0,2486 кг. 3.3.4. Расчет теплового режима блока. Расчет теплового режима блока производят в 2 этапа: 1) определение температуры корпуса блока tк; 2) определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны tн.з. Для выполнение расчета теплового режима необходимы следующие исходные данные: - размеры корпуса: - ширина B = 0,045 м; - длина L = 0,0655 м; - высота H = 0,039 м; - размеры нагретой зоны l[pic]b[pic]h, 0,0655[pic]0,045[pic]0,039; - величина воздушных зазоров между нагретой зоной и нижней поверхностью корпуса hн = 0,015 м, нагретой зоной и верхней поверхностью корпуса hв = 0,0025 м; - мощность, рассеиваемая блоком в виде теплоты Ро ( 60 мВт (т.к. потребляемая мощность составляет 150 мВт, то предположив что к.п.д. этой схемы не более 70%, мощность, рассеиваемая блоком в виде теплоты Ро ( 40 мВт); - мощность радиоэлементов, расположенная непосредственно на корпусе блока Рк = 0 Вт; - диапазон рабочей температуры самого нетермостойкого элемента сост. (- 40(70)оС. - температура окружающей среды tо = 55оС Этап 1. Определение температуры корпуса. 1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока: qк = Po/Sк , где Sк – площадь внешней поверхности корпуса блока, Sк = 2[pic](H[pic]B+B[pic]L+H[pic]L) Sк = 2[pic](0,039[pic]0,045+0,045[pic]0,065+0,039[pic]0,065) = 0,01454 м2 qк = 60*10-3/0,01454 = 4,12 Вт/м. Т.к. удельная поверхностная мощность корпуса блока составляет qк = 4,12 Вт/м , то дальнейший расчет теплового режима для Тmax = 55(C – не целесообразен. 3.3.5. Расчёт системы на механические воздействия Для выполнения расчета механических воздействий необходимы следующие исходные данные: - геометрические размеры платы, l[pic]b[pic]h, м: 0,0655*0,045[pic]0,039; - диапазон частот вибрации, [pic]fвиб = 10…..30 Гц; - длительность удара, ? = 10 мс; - амплитуда ускорения при ударе, Ну = 245м/с2 = 25g ; - предельное ускорение, выдерживаемое элементами блока без разрушения: при вибрации 25 g при ударах 35 g при линейных ускорениях 40 g 1) Расчет на действие вибрации. Расчет собственных колебаний конструкции является трудоемкой задачей. Поэтому заменим конструкцию эквивалентной расчетной схемой. Определяем частоту собственных колебаний отдельных конструкционных элементов. Частота собственных колебаний равномерно нагруженной пластины вычисляется по формуле: fo = [pic][pic][pic][pic][pic] (12) K(= [pic]=[pic]30.78 где a и b – длина и ширина пластины, м; D – цилиндрическая жесткость пластины, Н[pic]м; D = ? [pic]h3/12 ( 1-[pic]) , (13) ? – модуль упругости, Н/м2; h – толщина пластины, м; m – масса пластины, с элементами, кг. D = [pic] = 10,06 Н[pic]м; fo = [pic][pic][pic][pic][pic] = 675 Гц Для печатного узла должно выполняться условие fo > fв. Так как fo >> fв, то обеспечивается защищенность конструкции ИК усилителя от вибрационных воздействий, за счет отстройки собственной частоты печатного узла от максимальной частоты внешних вибрационных воздействий. 2) Расчет на действие удара Движение системы, вызываемое ударной силой, в течение времени действия этой силы определяется законом вынужденных колебаний. После прекращения действия ударной силы, движение системы подчиняется закону свободных колебаний. Начальными условиями при этом являются смещение и скорость движения в момент прекращения действия удара. a) Определяем условную частоту ударного импульса: [pic], (14) где [pic]- длительность ударного импульса, с. [pic] b) Определяем коэффициент передачи при ударе: Ку = 2 sin [pic], (15) где [pic] - коэффициент расстройки, [pic] = [pic] [pic] = 314,16 /2? [pic] 675 = 0,0741 Ку = 2 sin[pic] = 0,722 ; c) Рассчитываем ударное ускорение: [pic]= Hу[pic]Ку , (16) где Ну – амплитуда ускорения ударного импульса [pic]= 25 [pic] 0,722 = 18,08 g d) Определяем максимальное относительное перемещение: Zmax = [pic] sin [pic], (17) Zmax = [pic] sin [pic] = 0,00255 м e) Проверяется выполнение условий ударопрочности по следующим критериям: ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е. [pic]< [pic], где [pic] определяется из анализа элементной базы, [pic] = 35 g. Zmax < 0,003 b, где b- размер максимальной стороны ПП. Zmax < 0,00326 Так как условия ударопрочности выполняются для ЭРЭ и печатной платы, считаем что ИК усилитель защищен от воздействий удара. Расчёт линейных ускорений в данном случае не целесообразен, т.к. перемещение ИК усилителя на больших скоростях не предусматривается техническим заданием. Заключение: В результате конструирования устройства ИК усилителя, были произведены расчеты устройства по тепловым характеристикам, устойчивость к механическим воздействиям, найдены массогабаритные параметры корпуса и устройства в целом. Были получены следующие данные: - определены габариты блока L * B *H: 0,0655*0,045[pic]0,039, и масса m = 0,2486 кг. - удельная поверхностная мощность корпуса блока составляет qк = 4,12 Вт/м. - частота собственных колебаний пластины f0 =675Гц. - ударное ускорение [pic]= 18,08 g ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ПРИЛОЖЕНИЕ 5. |Элемен|Марка |Масса|Диапазон |Габарит|Вибрация в|Ударные |Линейное| |т | |, г. |рабочих |ы |диапазоне |перегруз|ускорени| | | | |температур, |l[pic]b|частот, |ки |е, g | | | | |(С |[pic]h,|Гц, с |, g | | | | | | | |ускорением| | | | | | | |мм. | | | | |D1 |K1056УП|3 |-40(70 |6*20*1,|1…800 |75 |80 | | |1 | | |5 |до 40g | | | |V1 |ФД320 |5 |-60(120 |10*10*6|1500 |35 |45 | | | | | |,5 |до 30g | | | |V2 |КС156А |0,5 |-60(125 |6*2 |1…800 |45 |55 | | | | | |(l*() |до 35g | | | |V3 |Д9Б |0,5 |-60(125 |6*1,5 |1…800 |45 |55 | | | | | |(l*() |до30g | | | |V4 |Д9Б |0,5 |-60(125 |6*1,5 |1…800 |40 |50 | | | | | |(l*() |до 40g | | | |V5 |АЛ107А |2,5 |-60(125 |18*4 |1…800 |45 |50 | | | | | |(l*() |до 30g | | | |C1 |К10-17 |1,4 |-60(125 |4*5*3,3|1…5000 |150 |500 | | | | | | |до 60g | | | |C2 |К10-23 |1,8 |-60(125 |5*5*4 |1…5000 |150 |500 | | | | | | |до 45g | | | |C3 |К50-3 |4 |-60(85 |8*4 |1…3000 |350 |200 | | | | | |(l*() |до 30g | | | |C4 |К10-17 |1,4 |-60(125 |4*5*3,3|1…5000 |150 |500 | | | | | | |до 60g | | | |C5 |К50-3 |6 |-60(85 |13*6 |1…3000 |350 |200 | | | | | |(l*() |до 30g | | | |C6 |К10-17 |1,4 |-60(125 |4*5*3,3|1…5000 |150 |500 | | | | | | |до 60g | | | |C7 |К10-17 |1,4 |-60(125 |4*5*3,3|1…5000 |150 |500 | | | | | | |до 60g | | | |R1 |С2-13 |1,2 |-60(120 |9*2 |1…2000 |35 |45 | | | | | |(l*() |до 30g | | | |R2 |С2-13 |1,2 |-60(300 |9*2 |1…2000 |35 |45 | | | | | |(l*() |до 30g | | | |L1 |ДПК-320|25 |-60(300 |20*8*8 |1…3000 |1000 |100 | | | | | | |до 30g | | | |Разъем|ХS-1 |20 |-60(125 |19*6*7 |1…5000 |350 |70 | | | | | | |до 60g | | |