Усилитель мощности звука

Усилитель мощности звука — прибор который усиливает электрические колебания, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот. Значит усилители звука должны соответствовать требованию усиления в диапазоне от 20 до 20 000 Гц по частоте, а по уровню -3 дБ. Наилучшие усилители имеют диапазон 0−20 000 Гц, а у более простых диапазон частот меньше. УНЧ может быть выполнен в виде самостоятельного устройства имеющий одно-двух или четырехканальный сигнал усиления, или использоваться в составе более сложных устройств. Все усилители мощности звуковой частоты повышают уровень поступающих на них электрических сигналов до величины, обеспечивающей нормальную работу динамиков. Источники сигналов для усилителя могут быть разные: компакт-диски, микрофоны, MP3 плееры, компьютер, автомагнитола, видеокамера, в общем любое устройство воспроизводящее звук или музыку. Усилители мощности можно разделить на бытовые и профессиональные. Так как вместо большого количества элементов в наше время применяются микросхемы, благодаря которым размер блоков удалось уменьшить во много раз, автономные усилители мощности в отдельном корпусе (то есть бытовые усилители как отдельные изделия) сейчас случается увидеть весьма нечасто. В каждом музыкальном центре, домашнем кинотеатре и многих других устройствах есть усилители мощности, потому большинство людей не имеют потребности в отдельном их приобретении, но все равно не лишним будет рассмотреть бытовые усилители мощности, их виды и области применения.

1. Литературный обзор

В настоящее время в мире существует много разных типов усилителей мощности. Они могут различаться как по своему назначению, так и по общей своей применимости в целом. В данной дипломной работе будет рассмотрено устройство «Высококачественный усилитель мощности». ,

Основные параметры усилителей мощности мощность. Этот параметр, который характеризует возможности усиления звука усилителей мощности при использовании его в той или иной ситуации.

Чувствительность акустической системы, показывающая, какое звуковое давление в децибелах (дБ) на расстоянии в 1 м будет создавать данная акустическая система при подведении к ней мощности в 1 Вт. Если акустическая система имеет более высокий уровень звукового давления, то она при меньшей подводимой от усилителя мощности сигнала позволит получить большую громкость звука по сравнению с акустической системой, имеющей меньший уровень чувствительности. Чтобы проиллюстрировать этот пункт, можно провести такой эксперимент: подключить к усилителю мощности вначале акустическую систему от обычного музыкального центра, имеющую чувствительность порядка 70−80 Дб, а потом пассивную акустическую систему, мощностью 200−300Вт и с чувствительностью порядка 90−100 Дб. Последняя будет иметь уровень громкости гораздо выше первой при одинаковом положении ручек громкости на усилителе. Следовательно громкость звука зависит не столько от мощности усилителя и акустических систем, а сколько от правильно подобранного комплекта «усилитель + акустические системы». Это даст возможность используя меньше мощности получить большую громкость звука.

1.1 Описание схемы электрической структурной

Устройство содержит входное устройство (ВХУ) для передачи сигнала от источника (Ист. С) ко входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала ко входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной составляющей тока от источника к усилителю, или наоборот.

Предварительный усилитель (Предв. У) состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах. Усилитель мощности (УМ) служит для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления. Выходное устройство (Вых. У) используется для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку (Н). Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно или нецелесообразно. Тогда роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускающие постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согласования сопротивления выхода усилителя и нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе интегральных схем избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритных размеров и технологических трудностей изготовления.

Источник питания обеспечивает питание активных элементов усилителя.

1.2 Анализ схемы электрической принципиальной

Основное усиление по напряжению обеспечивает каскад на быстродействующем ОУ. Предоконечный каскад собран на транзисторах VT1-VT4.

При разработке усилителя особое внимание было уделено предоконечному каскаду. С целью снижения нелинейных искажений был выбран режим АВ с относительно большим током покоя (около 20 мА). Температурная стабильность достигнута включением в коллекторные цепи транзисторов VT3, VT4 резисторов сравнительно большого сопротивления R19, R20. Однако из-за отсутствия в предоконечном каскаде 100%-ной ООС при изменении его температурного режима возможны колебания тока покоя в пределах 15…25 мА, которые вполне допустимы, поскольку не нарушают эксплуатационную надежность усилителя в целом.

Для компенсации возможной нестабильности напряжения база — эмиттер транзисторов VT1, VT2 при изменении температуры в их базовые цепи включены диоды VD3-VD5. Каждое плечо предоконечного каскада охвачено цепью местной ООС глубиной не менее 20 дБ. Напряжение ООС снимается с коллекторных нагрузок транзисторов VT3, VT4 и через делители R11-R14 и R12R15 подается в эмиттерные цепи транзисторов VT1, VT2. Частотная коррекция и устойчивость по цепи ООС обеспечиваются конденсаторами С10, С11. Резисторы R13, R16 и R19, R20 ограничивают максимальные токи предоконечного и оконечного каскадов усилителя при коротком замыкании нагрузки. При любых перегрузках максимальный ток транзисторов VT5, VT6 не превышает 3,5…4 А, причем в этом случае они не перегреваются, поскольку успевают сгореть предохранители и отключить питание усилителя.

Диод VD6, включенный между базами транзисторов VT5, VT6, снижает искажения типа «ступенька». Падающее на нем напряжение (около 0,75 В) сужает интервал напряжений на эмиттерных переходах транзисторов, при которых они закрыты. Тем самым обеспечивается их открывание при меньшей амплитуде сигнала и в то же время надежное закрывание в его отсутствие.

При малых сигналах в нагрузку течет ток предоконечного каскада, поступающий через резистор R21. К выходу оконечного каскада подключен фильтр нижних частот L1C14R23, уменьшающий амплитуду резких всплесков сигнала (длительностью около 1 мкс) в момент переключения транзисторов выходного каскада и устраняющий колебательные процессы в выходном каскаде. Заметного влияния на скорость нарастания выходного сигнала фильтр не оказывает.

Снижение коэффициента гармоник достигнуто введением глубокой (не менее 70 дБ) общей ООС, напряжение которой снимается с выхода усилителя и через делитель C3-C5R3R4 подается на инвертирующий вход ОУ DA1. Конденсатор С5 корректирует АЧХ усилителя по цепи ООС. Жесткая стабилизация постоянного выходного напряжения на уровне не более ±20 мВ достигнута применением в усилителе 100%-ной ООС по постоянному току. Для снижения этого напряжения до ±1 мВ и менее необходимо сбалансировать ОУ. подключив к соответствующему выводу (в зависимости от знака напряжения) резистор R24 или R25 сопротивлением 200… 820 КОм.

Включенная на входе усилителя цепь R1C1 ограничивает его полосу пропускания частотой 160 кГц. Максимально возможная линеаризация АЧХ УМЗЧ в полосе 10…200 Гц достигнута соответствующим выбором емкости конденсаторов С1, С3, С4.

Усилитель может питаться как от стабилизированного, так и от нестабилизированного источника питания, причем работоспособность его сохраняется при снижении питающих напряжений до ±25 В (разумеется, с соответствующим уменьшением выходной мощности). При использовании стабилизированного источника питания следует учитывать возможность появления на выходе стабилизаторов больших (до 10 В) пульсации с частотой усиливаемого УМЗЧ сигнала при мощности, близкой к номинальной.

Усилитель собран на плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм, соединенной с внешними цепями разъемом МРН32−1. Транзисторы VT3, VT4 снабжены теплоотводами (рис.2), согнутыми из листового алюминиевого сплава толщиной 1 мм, и установлены на плате. Транзисторы оконечного каскада VT3, VT4 закреплены вне платы на теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 400 см² каждый. В усилителе использованы резисторы МЛТ, конденсаторы К73−17 (C1),. Катушка L1 намотана проводом ПЭВ-2 0,8 в три слоя на корпусе резистора R22 (МТ-1) и содержит 40 витков.

Вместо указанных на схеме можно использовать ОУ К574УД1А, К574УД1 В и транзисторы тех же типов, но с индексами Г, Д (VT1, VT2) и В (VT3-VT6).

Усилитель, собранный из исправных деталей, почти не требует налаживания. Как указывалось выше, ток покоя транзисторов VT3, VT4 устанавливают при необходимости подбором резистора R6, а минимальное постоянное напряжение на выходе усилителя — резистора R24 или R25.

Коэффициент гармоник измерялся в полосе 20…20 000 Гц компенсационным методом. Первый выброс выходного напряжения (при отключенном конденсаторе С2) не превышал 3%, что говорит о хорошей устойчивости усилителя.

1.3 Анализ условий эксплуатации

При включении:

—Напряжение электросети должно находиться в пределах приблизительно от -15% до +10% от номинального значения, в противном случае CD проигрыватель не включится.

Превышение напряжения во время работы:

—Если во время работы CD проигрывателя всплески напряжения электросети будут превышать 10%, CD проигрыватель перейдет в режим защиты и выключится. Индикатор режима готовности (светодиод) будет мигать, указывая на срабатывание защиты. На сенсорном ЖК-дисплее появится сообщение об ошибке.

Падение напряжения во время работы:

—Если во время работы провалы напряжения электросети будут превышать 15%, CD проигрыватель будет продолжать работать (так как это не представляет для него особой опасности), однако качество воспроизведения при этом может ухудшиться. Индикатор режима готовности (светодиод) будет мигать, указывая на неблагоприятные условия.

Технические характеристики :

—Диапазон частот: 20 Гц — 20 кГц ± 0.1 дБ

—Отношение сигнал/шум: типичное значение 110 дБ

—Разделение каналов: свыше 110 дБ

—Коэффициент искажений: (THD + шум) менее 0.002% (невзвешенный, сигнал 0 дБFS, 10 Гц — 20 кГц) Mакс. выходное напряжение 2 В среднеквадратичное значение (сигнал 0 дБFS) (однополярный выход) 4 В cреднеквадратичное значение (балансный выход)

—Аналоговые выходы: 1 балансный (XLR) 1 однополярный (RCA)

—Цифровой выход: (S/PDIF) 0.5 В, 75 Ом (RCA) Частота дискретизации 352.8 кГц

—Поддерживаемые форматы: CD, CD-R, CD-RW, CD-DA.

—Номинальная потребляемая мощность: 30 Вт

—Потребляемая мощность в режиме молчания: 29 Вт

1.4 Выбор САПР для выполнения дипломного проекта

В процессе конструирования разрабатываемого устройства, для проектирования печатных плат используются компьютерные системы автоматизированного проектирования (САПР), такие как: AutoCAD и P-CAD. САПР — это автоматизированные системы, которые, реализуют информационную технологию выполнения функций проектирования, представляют собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.

В рамках жизненного цикла промышленных изделий САПР решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства. Основная цель САПР — повышение эффективности труда инженеров, включая: сокращение трудоемкости проектирования и планирования, сокращение сроков проектирования, сокращение себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию, повышение качества и технико-экономического уровня результатов проектирования, сокращение затрат на натурное моделирование и испытания.

Использование САПР значительно упрощают процесс проектирования печатных плат и, в сравнении с неавтоматизированным проектированием, имеют ряд значительных преимуществ, позволяющих выполнять некоторые этапы проектирования автоматически (такие как автоматическая трассировка печатной платы). Так-же системы автоматизированного проектирования более гибки в процессе их использования и позволяют легко вносить поправки в проект в процессе его проектирования и многократно корректировать его, что более затруднительно при неавтоматизированном проектировании.

P-CAD — система автоматизированного проектирования электроники. Предназначена для проектирования многослойных печатных плат вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-CAD входят два основных модуля P-CAD Schematic (редактор принципиальных электрических схем), P-CAD PCB (редактор печатных плат), и ряд других вспомогательных программ.

AutoCAD — система автоматизированного проектирования и черчения. В области двухмерного проектирования AutoCAD позволяет использовать элементарные графические примитивы для получения более сложных объектов. Кроме того, программа предоставляет весьма обширные возможности работы со слоями и аннотативными объектами (размерами, текстом, обозначениями). Использование механизма внешних ссылок позволяет разбить чертеж на составные файлы, за которые ответственны различные разработчики, а динамические расширяют возможности автоматизации 2D — проектирования обычным пользователем без использования программирования.

Проект печатной платы из P-CAD можно переносить в AutoCAD для подготовки конструкторской документации.

Использование САПР рассмотренных в данном разделе позволяет ускорить и автоматизировать процесс проектирования печатных плат и облегчить работу по проектированию.

Выбор именно этих САПР обусловлен опытом и приобретенными навыками работы в них, их распространенностью, совместимостью и удобством.

2. Разработка ПП контроллера

2.1 Выбор материала для ПП

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как фольгированный стеклотекстолит и фольгированный гетинакс. Рассмотрим эти материалы и выберем наиболее приемлемый.

Фольгированный гетинакс является менее прочным, чем стеклотекстолит, и достаточно ломким, но имеет лучшие электроизоляционные свойства и в 4 раза дешевле стеклотекстолита, поэтому он находит применение в изготовлении печатных плат для аппаратуры массового производства, при изготовлении которой одной из задач разработчика является минимальная стоимость прибора.

Из-за низкой огнеупорности в настоящее время гетинакс не используется в ответственных электронных устройствах. Вместо него применяются текстолиты (чаще всего — стеклотекстолит), которые превосходят гетинакс по огнеупорности, прочности, сцеплению с фольгой и ряду других параметров, важных для электроники.

Фольгированный стеклотекстолит имеет гораздо лучшие механические свойства по сравнению с гетинаксом (не ломается и с трудом изгибается), поэтому нашёл применение в военной, вычислительной, измерительной и прочей прецезионной аппаратуре, где требуется высокая надёжность прибора, либо стойкость к механическим нагрузкам.

Для изготовления печатной платы необходимо выбрать материалы с учётом эксплуатационных характеристик изделия. Исходя из сравнения этих двух материалов, фольгированный стеклотекстолит будет приемлемым выбором для изготовления ПП устройства, т.к. он имеет лучшие механические свойства.

2.2 Выбор метода изготовления ПП

Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом.

Аддитивный метод имеет высокую надежность, такт как проводники и металлизацию отверстий получат в едином химико-гальваническом процессе, устраняется подтравливание элементов печатного монтажа. Однако применение аддитивного метода в массовом производстве ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, недостаточной адгезией проводников.

Субтрактивный метод — основан на использовании фольгированного диэлектрика, на котором проводники получаются путём удаления фольги с непроводящих участков. Для этого на фольгированный диэлектрик наносится рисунок схемы, а незащищенные участки фольги стравливаются. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий позволяет получить ДПП комбинированными методами. К недостаткам субтрактивного химического метода относятся значительный расход меди и наличие бокового подтравливания элементов печатных проводников, что уменьшает адгезию фольги к основанию.

Т.к. материалом для ПП выбран фольгированный стеклотекстолит, метод изготовления ПП будет субтрактивный.

2.3 Расчет размеров элементов печатного монтажа

При расчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологические особенности производства, допуски на всевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа, установочные характеристики корпусов элементов и ИС, требования по организации связей, вытекающих из схемы функционального узла, а также перспективности выбранной технологической базы.

Исходные данные для расчета элементов печатных плат следующие:

— шаг основной координатной сетки, устанавливаемый ГОСТ 10 317–79, равный 2,5 мм;

— допуски отклонения размеров и координат элементов печатной платы от номинальных значений, зависящие от уровня технологии, материалов и оборудования;

— установочные характеристики навесных ЭРЭ.

Определяем номинальное значение диаметров монтажних отверстий:

d = d_выв + (0,1…0,4) мм, (3.1)

где d_выв — диаметр выводов, мм.

d₁= 0,5 + 0,2 = 0,7 мм Таким образом, получаем монтажне отверстияd= 0,7 мм.

Определяем наименьший номинальный диаметр контактной площадки:

D= (d + Дd_в.о) + 2b + Дt_в.о + 2Дd_тр +, (3.2)

где Дd_в.о — верхнее предельное отклонение диаметра отверстия — 0,05 мм;

Дt_в.о -верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки — 0,14 мм;

Дd_тр — значение подтравливания диэлектрика в отверстии равно 0,04 мм для МПП, для ОПП, ДПП и ГПК — нулю;

T_d — значение позиционного допуска расположения центра отверстия

относительно узла координатной сетки — 0,15 мм;

T_D — значение позиционного допуска расположения контактной площадки относительно номинального положения — 0,2 мм;

Дt_н.о — нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки — 0,1 мм;

D= (0,7+0,05) + 2 0,1+ 0,14 + (0,15² + 0,2² + 0,1²)^½? 1,36 мм Определяем наименьшее номинальное расстояние для прокладки n-го количества проводников:

(3.3)

где D₁, D₂ — диаметры контактных площадок;

n — количество проводников, число;

Т₁ — значение допуска печатного проводника;

S — расстояние между печатними проводниками, мм

t — ширина печатного проводника, мм.

l₁ = (1,36+1,36)/2 + 0,15 1 + 0,15 (1 + 1) + 0,005 = 1,815 мм

2.4 Расчет паразитной емкости

Определим ёмкость между двумя параллельными печатными проводниками одинаковой ширины, расположенными на одной стороне печатной платы по формуле 3.4:

(3.4)

где _r — диэлектрическая проницаемость среды;

l_n — длина участка на котором проводники параллельны друг другу, мм.;

a — расстояние между проводниками, мм.;

b — ширина проводника, мм.;

t_n — толщина проводника, мм.

Собственная индуктивность (мкГн) печатного проводника шириной b (мм.), толщиной t_n(мм.) и длиной l_n(мм.) определяется по формуле 5.3.7:

(3.5)

Определим индуктивность двух параллельных проводников, расположенных с одной стороны печатной платы с противоположным направлением тока по формуле 5.3.8:

(3.6)

Где l_n — длина двух параллельных проводников с противоположным направлением тока;

a — расстояние между проводниками, мм.;

b — ширина проводника;

t_n — толщина проводника.

Тогда:

Из приведённых расчётов следует, что паразитная ёмкость и индуктивность имеют ничтожно малые размеры. Вследствие этого можно пренебречь мерами защиты платы от их влияния.

2.5 Описание сборки печатного узла устройства

Технологическим процессом сборки называют совокупность операций, в результате которых детали соединяются в сборочные единицы, блоки, стойки, системы и изделия. Совокупность операций, в результате которых осуществляют электрическое соединение элементов, входящих в состав изделия в соответствии с схемой электрической принципиальной или электромонтажными схемами, называют электрическим монтажом.

Простейшим сборочно-монтажным элементом является деталь, которая согласно ГОСТ 2101–68 характеризуется отсутствием разъёмных и неразъёмных соединений.

Сборочная единица является более сложным сборочно-монтажным элементом, состоящим из двух и более деталей, соединяемых разъёмными и неразъёмными соединениями.

Задачей данного раздела является выбор вида схемы сборки, формирование отдельных технологических операций, составление наиболее рациональных их последовательностей в ТП.

Технологическая схема сборки изделия является одним из основных документов, составляемых при разработке технологического процесса сборки. Разработка технологических схем сборки способствует дифференциации процессов сборки, что значительно сокращает длительность производственного цикла.

Наиболее широко применяются схемы сборки «веерного» типа и схемы с базовой деталью. В курсовом проекте использована схема сборки с базовой деталью, т.к. она в отличие от схемы «веерного» типа указывает временную последовательность сборочного процесса. Базовым элементом является плата, на которую электрическим монтажом крепятся ЭРЭ и ИС.

При переходе от схемы сборочного состава к технологической схеме сборки и расположении операций во времени необходимо учитывать:

— сначала выполняются те операции ТП, которые требуют больших механических усилий и неразъемных соединений;

— активные ЭРЭ устанавливают после пассивных;

— при наличии малогабаритных и крупногабаритных ЭРЭ в первую очередь собираются малогабаритные ЭРЭ;

— заканчивается сборочный процесс установкой деталей подвижных соединений и ЭРЭ, которые используются в дальнейшем для регулировки;

— контрольные операции вводят в ТП после наиболее сложных сборочных операций и при наличии законченного сборочного элемента;

— в маршрутный технологический процесс вводят также те операции, которые непосредственно не вытекают из схемы сборочного состава, но их необходимость определяется техническими требованиями к сборочным единицам, например, влагозащита и т. д.

усилитель мощность акустический схема

2.6 Расчет технологичности печатного узла

В данном разделе определяется пригодность изделия к промышленному производству. Критерием пригодности в данном случае выступает технологичность изделия.

Под технологичностью конструкции (ГОСТ 18 831−73) понимают совокупность её свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями конструкций изделий того же назначения при обеспечении заданных показателей качества.

Обработка конструкции на технологичность должна обеспечить решение следующих задач:

— снижение трудоемкости и себестоимости изготовления изделия;

— снижение трудоемкости и стоимости работ при эксплуатации и при обслуживании.

Номенклатура показателей технологичности сборочных единиц и блоков РЭА установлена отраслевым стандартом ОСТ4ГО.091.219−81. В соответствии с ним все блоки РЭА условно разбиты на 4 класса:

1) радиотехнические;

2) электронные;

3) электромеханические;

4) коммутационные.

Для каждого класса установлены свои показатели технологичности в количестве не более 7, их ранжированная последовательность по значимости, коэффициенты веса _i, показывающие влияние частных показателей на комплексный. Расчёт показателей технологичности рассмотрим ниже. Расчёт комплексного показателя технологичности ведут по формуле:

(3.7)

где, n — число показателей,

_I — коэффициент веса i-го показателя.

Плата относится к классу радиотехнических блоков. Определим 7 показателей технологичности блока. Состав показателей технологичности в ранжированной последовательности для радиотехнических блоков приведён в табл. 3.1

1)Коэффициент автоматизации и механизации монтажа рассчитывается по формуле :

К_АМ===1

Где Нам — количество монтажных соединений ИЭТ, которые предусматривается осуществить автоматизированным или механизированным способом. Для блоков на печатных платах (ПП) к механизации относится и установка ИЭТ, и последующая пайка волной припоя;

Н_М — общее количество монтажных соединений. Для разъемов, реле, микросхем и ЭРЭ определяется по количеству выводов.

2)Коэффициент автоматизации и механизации подготовки к монтажу рассчитывается по формуле :

К_МП.ИЭТ===0,8

где Н_МП.ИЭТ — количество ИЭТ в штуках, подготовка выводов которых осуществляется с помощью полуавтоматов и автоматов, в число их включаются ИЭТ, не требующие специальной подготовки (патроны, реле, разъемы и т. д.);

H_{П. ИЭТ} — общее число ИЭТ, которые должны подготавливаться к монтажу в соответствии с требованиями конструкторской документации.

3)Коэффициент освоенности ДСЕ рассчитывается по формуле :

К_ОСВ===1

где Д_ТЗ — количество типоразмеров заимствованных ДСЕ, ранее освоенных на предприятии;

Д_Т — общее количество типоразмеров ДСЕ.

Коэффициент применения микросхем и микросборок рассчитывается по формуле:

4)Коэффициент применения микросхем и микросборок рассчитывается по формуле:

К_МС==

где Н_{Э. МС} — общее число дискретных элементов, замененных микросхемами и микросборками;

Н_ИЭТ — общее число ИЭТ, не вошедших в микросхемы.

5)Коэффициент повторяемости ПП рассчитывается по формуле:

К_ПОВ.ПП=1;

Где Д_ТПП — число типоразмеров ЭРЭ в изделии;

Д_ПП — общее число ПП.

6)Коэффициент применения типовых ТП рассчитывается по формуле

К_ТП==

Где Д_ТП и Е_ТП — число деталей и сборочных единиц (ДСЕ), изготавливаемых с применением типовых и групповых технологических процессов (ТП);

Д и Е — общее число деталей и сборочных единиц, кроме крепежа.

7)Коэффициент автоматизации и механизации регулировки и контроля рассчитывается по формуле :

К_АРК===0,5

Где Н_АРК— число операций контроля и настройки, выполняемых на полуавтоматических и автоматических стендах;

Н_РК — общее количество операций контроля и настройки.

Рассчитаем комплексный показатель технологичности:

Далее рассчитаем уровень технологичности по сравнению с нормативным показателем. Уровень технологичности разрабатываемого изделия при известном нормативе комплексного показателя Кп (Кп=0,6) согласно ГОСТ 14.201−73 выражается отношением величины достигнутого показателя К к нормативному Кн:

Таким образом наш результат удовлетворяет условию К/Кн> 1. Следовательно делаем вывод о достаточной технологичности конструкции и можно разрабатывать технологический процесс изготовления.

Если требуется увеличение технологичности конструкции, то это может быть достигнуто:

— расширением использования интегральных схем и микросборок;

— уменьшением числа оригинальных деталей;

— применением автоматизированных средств диагностики и контроля

3. Защита устройства от дестабилизирующих факторов

В зависимости от места размещения РЭА и условий эксплуатации на устройство будут воздействовать различные дестабилизирующие факторы. Нормальными климатическими условиями являются:

— температура, t, °C…25…10;

— относительная влажность %…45…80;

— атмосферное давление, Н, кПа…836…106.

Кроме климатических факторов на РЭА воздействуют механические нагрузки, электромагнитные помехи и паразитные наводки.

На этапе проектирования необходимо решить основные вопросы, связанные с защитой от дестабилизирующих факторов:

— необходимость герметизации корпуса;

— защита РЭА от ионизирующего излучения (если оно существует);

— выбор способа защиты от механических воздействий;

— выбор способа защиты от электромагнитных помех и паразитных наводок;

— выбор способа обеспечения нормального теплового режима.

Герметизация — это наиболее радикальный способ защиты элементов РЭА от влаги, пыли, песка, плесневых грибков. Различают индивидуальную, общую, частичную и полную герметизацию.

Для частичной герметизации РЭА применяют пропитку, обволакивание, заливку лаками, пластмассами или компаундами на органической основе. Полная герметизация достигается при использовании корпуса специальной конструкции из металлов, стекла и керамики с высокой степенью непроницаемости. Герметичный корпус заполняется сухим воздухом или инертным газом при атмосферном или повышенном давлении не более 120 кПа. Полная герметизация может осуществляться с помощью разъемного соединения через вакуумную резинку.

В условиях воздействия ионизирующего излучения на РЭА функцию защиты от радиации выполняет корпус. Наиболее устойчивыми к воздействию радиации являются металлы. У большинства металлов при этом возрастает предел текучести в 2 — 3 раза, снижается ударная вязкость на 10 — 30%, повышается удельное сопротивление. Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и магнитные материалы, у которых изменяется магнитная проницаемость. Защитный экран может быть выполнен из металлов с высоким кулоновским барьером, например свинца. При этом значительно возрастают масса и габариты изделия.

В процессе эксплуатации РЭА подвергается воздействию внешних механических нагрузок: вибраций, ударов и линейных ускорений. По степени защищенности РЭА от этих воздействий различают два понятия «устойчивость» и «прочность».

Устойчивость — свойство объекта при механическом воздействии выполнять заданные функции и сохранять значения параметров в пределах нормы.

Прочность — свойство объекта выполнять заданные функции после прекращения механических воздействий.

Все способы защиты от механических воздействий можно разделить на три группы:

— смещение спектра частот собственных колебаний в более высокочастотную область. Как следует из соотношения

(3.8)

увеличить значение частоты собственных колебаний f₀ можно, уменьшив массу блока m или увеличив жесткость конструкции k. Масса блока определяется главным образом элементной базой, которая косвенным образом дает габариты и массу несущих конструкций. Достичь существенного снижения массы достаточно сложно. Наиболее часто используются методы повышения жесткости конструкций за счет изменения способов крепления и площади печатных плат, а также применения ребер жесткости. Эти методы эффективны в том случае, если диапазон частот вибраций не превышает 400…500 Гц;

— повышение демпфирующих свойств конструкции, т. е. увеличение рассеяния энергии колебаний вследствие трения элементов конструкции и «внутреннего трения» в материалах.

Улучшение демпфирующих свойств конструкции достигается включением в конструкцию плат специальных демпфирующих покрытий из вибропоглощающих материалов (см. Таблицу 4.1).

— смещение частоты собственных колебаний конструкции в область ниже частоты вынужденных колебаний с помощью виброизоляции.

Основным способом виброизоляции РЭА является установка ее на амортизаторы. Амортизаторы подразделяются на низко-, среднеи высокочастотные. Низкочастотные амортизаторы виброизолируют частоты в диапазоне 5…600 Гц, среднечастотные — в диапазоне 15…600 Гц и высокочастотные — в диапазоне 35…2000 Гц.

Таблица 4.1 — Параметры вибропоглощающих материалов

На этапе предварительной компоновки в случае необходимости следует произвести выбор типа амортизатора и схемы их размещения и выполнить расчет виброустойчивости конструкции, который приведен в пункте «Оценка устойчивости конструкций к механическим воздействиям».

В процессе конструирования РЭА необходимо решать вопросы защиты от электромагнитных, электрических и магнитных помех. Источники помех могут находиться внутри и вне РЭА. Внешние помехи возникают из-за нестабильности напряжения сети электропитания, работы радиопередающих устройств и т. д. Внутренние помехи появляются из-за наличия паразитных связей, не предусмотренных конструкцией, и помех рассогласования параметров линии передачи сигнала с входными-выходными цепями электронных схем.

Источниками электрических помех являются блоки питания, шины питания. Источниками механических помех являются трансформаторы и дроссели.

Для защиты РЭА от воздействия помех необходимо:

— размещая элементы схемы, тщательно продумывать расположение монтажных проводов (уменьшать петли связи, увеличивать расстояние между проводниками, уменьшать длины совместного прохождения проводников и т. д.);

— устранять помехи по линиям электропитания с помощью радиочастотных фильтров;

— экранировать элементы РЭА.

Экраны локализируют электрическое поле в замкнутом объеме и обычно выполняются в виде параллелепипеда, цилиндра или сферы. Конструктивная форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие характеристики. Решающее значение имеют:

— материал, из которого изготовлен экран;

— толщина стенки экрана;

— размер экрана.

Методика расчета эффективности экранирования изложена в пункте «Расчет электромагнитной совместимости».

В конструкциях экранов необходимо предусматривать отверстия, например: для доступа к регулируемым элементам экранируемых устройств, для введения проводов, для обеспечения теплового режима и т. д. Для всех видов электрических экранов очень важно хорошее заземление, характеризующееся малым сопротивлением заземляющего провода.

Важнейшим фактором, определяющим эксплуатационную надежность РЭА, является тепловой режим.

Основная задача обеспечения нормального теплового режима заключается в создании таких условий, при которых количество тепла, рассеянного в окружающую среду, будет зависеть от мощности тепловыделения блока. Наиболее простым и дешевым способом является естественное воздушное охлаждение. Различают две системы естественного охлаждения: первая — для блоков в герметичных корпусах, вторая — для блоков в перфорированных корпусах.

При разработке систем охлаждения необходимо:

— обеспечивать эффективную циркуляцию воздуха между нагревающимися элементами;

— сильно нагревающиеся элементы снабжать ребрами охлаждения;

— элементы, наиболее чувствительные к перегреву, изолировать экранами от непосредственного воздействия теплового потока;

— обеспечивать надежный тепловой контакт между источниками теплоты и поверхностями охлаждения.

Принудительное воздушное охлаждение применяется при удельной мощности рассеивания до 1 Вт/см².

Различают три основные схемы принудительного воздушного охлаждения:

— внутреннее перемешивание;

— наружный обдув;

— продувку.

3.1 Расчет теплового режима устройства

В связи с широким использованием в РЭА транзисторов, тиристоров, больших ИС на этапе проектирования должна решаться проблема отвода тепла. Для отвода тепла могут применяться следующие методы:

— естественное охлаждение (воздушное, жидкостное);

— принудительное воздушное охлаждение;

— принудительное жидкостное;

— охлаждение, основанное на изменении агрегатного состояния вещества;

— термоэлектрическое охлаждение.

Основным критерием выбора метода охлаждения является значение плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена. Вторым критерием выбора метода охлаждения является допустимый перегрев элемента, равный разности между допустимой температурой корпуса элемента и температурой окружающей среды. Такое аналитическое описание температурных полей внутри блока невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности источников тепла, теплофизических свойств материала и т. д. Поэтому при расчете теплового режима используются приближенные методы анализа и расчета.

Исходные данные для расчёта следующие:

1. Суммарная мощность рассеивания Р — 6,3 Вт;

2. Коэффициент заполнения по объёму — 0,43;

3. Размеры блока:

— Длина l — 0,130 м.

— Ширина b — 0,075 м.

— Высота h — 0,04 м.

4. Давление окружающей среды Н₁ — 101 325 Па;

5. Давление внутри блока Н₂ — 101 325 Па;

6. Температура окружающей среды t°С- 25° С;

Расчёт проводится по следующей методике:

Рассчитывается поверхность корпуса блока:

) (4.1)

где L1 и L2 — горизонтальные размеры блока, м.;

L3 — вертикальный размер, м.

м²

Определяется условная поверхность нагретой зоны:

) (4.2)

где К_З — коэффициент заполнения корпуса блока по объёму.

м²

Определяется удельная мощность корпуса блока:

(4.3)

где Р — мощность, рассеиваемая в блоке.

Вт/м²

Определяется удельная мощность нагретой зоны:

(4.4)

Вт/м²

Находим коэффициент и₁ в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

(4.5)

⁰С Находим коэффициент и₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

(4.6)

⁰С Находим коэффициент К_Н1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока Н₁:

(4.7)

Находим коэффициент К_Н2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока Н₂:

(4.8)

Определяем перегрев корпуса блока:

(4.9)

⁰С Рассчитываем перегрев нагретой зоны:

(4.10)

⁰С Определяем средний перегрев воздуха в блоке:

(4.11)

⁰С Определяется удельная мощность нагруженного элемента:

(4.12)

где Р_ЭЛ — мощность, рассеиваемая элементом;

S_ЭЛ — площадь поверхности элемента омываемая воздухом.

Вт/м²

Рассчитывается перегрев поверхности элементов:

(4.13)

⁰С Рассчитывается перегрев среды, окружающей элемент:

(4.14)

⁰С Определяем температуру корпуса блока:

(4.15)

⁰С Определяется температура нагретой зоны:

(4.16)

⁰С Находим температуру поверхности элемента:

(4.17)

⁰С Находим среднюю температуру воздуха в блоке:

(4.18)

⁰С Находим температуру среды, окружающей элементы:

(4.19)

⁰С Вывод: как видно из приведенного расчета, температурный режим радиоприемного устройства не выходит за рамки нормы. Отсюда следует, что дополнительных средств охлаждения не требуется.

3.2 Расчет собственной частоты ПП устройства

Собственную частоту печатной платы можно рассчитать по формуле:

(4.20)

где k_m — коэффициент зависимости от материала печатной платы, число;

k_b — коэффициент, зависящий от массы элементов, закрепленных на плате, число;

B — коэффициент, зависящий от соотношения длин сторон и способа

закрепления платы;

h — толщина платы, см;

а — длина платы, см.

Так как в проектируемом устройстве в качестве материала печатной платы используется фольгированный стеклотекстолит, то коэффициенты k_{m и} k_b принимаем равными 0,74 и 0,6 соответственно. Коэффициент В принимаем равным 12,34 согласно размерам платы и ее креплению.

Гц

Так как речь идет о бытовой аппаратуре, то требование механической прочности должно удовлетворять условию:

> (4.21)

где ѓ₀ — собственная частота печатной платы, Гц;

ѓ_зад — заданная частота, Гц.

448,24 Гц> 50 Гц

Следовательно, требование прочности удовлетворяет заданному условию.

3.3 Расчет надежности

Существующие методы расчета показателей надежности РЭУ различаются степенью точности учета электрического режима и условий эксплуатации элементов.

При ориентировочном расчете этот учет выполняется приближенно, с помощью обобщенных эксплуатационных коэффициентов. Значения этих коэффициентов зависят от вида РЭУ и условий их эксплуатации.

Ориентировочный расчет выполняется на начальных стадиях проектирования РЭУ, когда еще не выбраны типы и эксплуатационные характеристики элементов, не спроектирована конструкция и, естественно, отсутствуют результаты конструкторских расчетов (теплового режима, виброзащищенности и т. п.).

Исходными данными при ориентировочном расчете надежности являются: электрическая схема РЭУ (принципиальная, а для цифровых РЭУ в ряде случаев функциональная), заданное время работы tз, условия эксплуатации или вид РЭУ.

Ориентировочный расчет выполняют для периода нормальной эксплуатации РЭУ, т. е. для периода, когда общая интенсивность отказа устройства примерно постоянна во времени. В этом случае для определения интенсивности отказов РЭУ пользуются значениями интенсивностей отказов элементов. Общая интенсивность отказов РЭУ определяется путем простого суммирования последних.

При ориентировочном расчете пользуются следующими допущениями (предпосылками):

— отказы элементов случайны и независимы;

— для элементов РЭУ справедлив экспоненциальный закон надежности;

— принимаются во внимание только внезапные отказы, т. е., вероятность с точки зрения отсутствия отказов равна единице;

— учитываются не только элементы электрической схемы, а также монтажные соединения, если вид соединений заранее определен;

— учет электрического режима и условий эксплуатации элементов выполняется приближенно.

Таблица 4.2 — Расчет надежности

Суммарная интенсивность отказов элементов РЭУ:

1ч 1ч

Наработка на отказ:

ч

Вероятность безотказной работы:

4. Экономический раздел

4.1 Технико-экономическая характеристика проекта

В экономическом разделе дипломного проекта производится технико-экономическое обоснование разработки контроллера CD-дисков, с помощью которого можно прослушивать музыку на CD-DA дисках. Функции проигрывателя: поддержка форматов CD-DA, MP3; CD-привод на 1 диск с защитой от вибраций; USB порт для подключения к ПК или USB-flash карты; регулировка скорости воспроизведения ;аналоговые симметричные линейные моно и стерео выходы; управление с помощью ИК пульта.

4.2 Расчет стоимостной оценки результата производства

Себестоимость продукции — это затраты предприятия на производство и реализацию продукции. Себестоимость является важнейшим показателем продукции, в ее снижении находят отражения почти все слагаемые повышения эффективности :

— рост производительности труда;

— экономия материально-сырьевых и топливо энергетических ресурсов;

— улучшение использования основных фондов.

В зависимости от объема затрат различают себестоимости:

— цеховая — включает затраты цеха на изготовлении продукции;

— производственные — охватывает расход предприятия в целом;

— полные — содержит затраты предприятия на выпуск и затраты продукции.

В зависимости от способа отношения затрат себестоимость на продукцию различают два вида расходов:

1. Прямые — непосредственно связанные с изготовлением конкретного вида продукции по установленным нормам (материалы, комплектующие, заработная плата основных производственных рабочих).

2. Косвенные — связанные с изготовлением различного вида продукции и включается в себестоимость пропорционально базе установленной отраслевой инструкции по планированию себестоимости.

Калькуляция — это расчет себестоимости к единицы продукции.

4.2.1 Расчет затрат по статье «Сырье и основные материалы»

Затраты на сырьё и материалы рассчитываются в разработанной таблице (Таблица 5.1) по формуле

n

Рм =? (H_mi * Y_mi * K_mp) руб., (5.1)

i=1

где iколичество видов материала (i = 1, …, n);

m — номенклатура, применяемых комплектующих изделий или полуфабрикатов;

H_mi — норма расхода материала i-го вида на одно изделие в принятых единицах измерения;

Y_mi — оптовая цена единицы i-го вида материала, руб.;

К_mp — коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы приобретенных материалов (для изделий радиоэлектронной промышленности коэффициент К_mр можно принять равным 1…5% от прейскурантной стоимости материалов).

Определим затраты на сырье и материалы, по формуле:

(5.2)

где i — количество видов материала

H_mi — норма расхода материала i-го вида на одно изделие в принятых единицах измерения

Y_mi — оптовая цена единицы i-го вида материала, руб.

К_тр — коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы приобретенных материалов

m — номенклатура применяемых комплектующих изделий или полуфабрикатов Таблица 5.1 -Расчет затрат на сырье и основные материалы

4.2.2 Расчет затрат по статье «Покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты»

Планируемый объем производства 10 000 изделий.

Затраты на «покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты» рассчитываются в табличной форме (Таблица 2) следующим образом:

(5.3)

где Д _kj — количество покупных комплектующих изделий или полуфабрикатов j-го вида на единицу продукции, шт.;

Ц_j — отпускная цена j-ro вида покупных комплектующих изделий или полуфабрикатов, руб.;

m — номенклатура применяемых комплектующих изделий или полуфабрикатов;

К _тр _ коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы.

Таблица 5.2 -Расчет затрат на покупные комплектующие изделия

4.2.3 Расчет заработной платы производственных рабочих

Основная заработная плата рабочих рассчитывается по формуле:

(5.2)

где t_штi — трудоемкость выполнения операции і-го разряда, нормо-ч.;

T_rі — часовая тарифная ставка рабочего і-го разряда;

n — количество технологических операций.

Расчет часовой тарифной ставки соответствующей і-му разряду работ осуществляется по формуле:

(5.3)

где, T_r1 — часовая тарифная ставка первого разряда, которая определяется делением месячной ставки первого разряда.

К_тi — тарифный коэффициент соответствующий і-му разряду.

Таблица 5.3 — Расчет заработной платы основных производственных рабочих

4.2.4 Расчет себестоимости и отпускной цены

Расчет себестоимости и отпускной цены представлен в таблице 5.4

Таблица 5.4 — Расчет отпускной цены