Прецизионный термостабильный источник питания для АСУ ТП

При превышении допустимого тока нагрузки они переходят в состояние разрыва, обесточивая цепь нагрузки, при этом на корпусе резистора не остается следов. В ряде случаев применяют интегральные предохранители, выполненные в корпусе маломощного транзистора аналогично отечественному КТ-26, по с двумя выводами. Находят применение и ограничители напряжения на основе стабилитронов: в случае превышения напряжения питания они пробиваются и замыкают выход источника напряжения на корпус.

Все вышеперечисленные средства защиты очень эффективны, поэтому при ремонте ИП не рекомендуется заменять их перемычками или исключать из схемы, тем более что и разрывные резисторы, и интегральные предохранители, и импортные стабилитроны (а отечественные из-за большого времени срабатывания в данном случае не годятся) в настоящее время недефицитны.

 

2.4 Описание принципа функционирования устройства

 

Принцип функционирования разрабатываемого устройства рассмотрим на основании схемы электрической принципиальной (Приложение Б).

Разрабатываемый источник питания предназначен для питания модулей промышленной автоматики постоянным током, напряжением 5, 12 и 24 В. К нему может подключаться до 4 нагрузок на каждый канал с суммарным током потребления до 2А (5 и 12В), и до1А (24В).

Все три канала источника выполнены по одинаковой схеме состоящей из сетевого трансформатора (один на все каналы), диодного моста с фильтрующим конденсатором и линейного стабилизатора с защитой по току. В качестве защиты в схеме предусмотрены предохранители, рассчитанные на 1А каждый.

С целью снижения количества тепла выделяемого элементами источника стабилизатор выполнен по схеме допускающей низкое падение напряжения вход-выход (0,5В). Защита по току обеспечивает падающую выходную характеристику для избежания перегрева источника в случае длительной перегрузки. Перечень элементов к схеме приведён в приложении Б.

 

2.5 Разработка конструкции устройства

 

Определим габаритные размеры и массы печатной платы. Размеры платы определяются методом аналитической компоновки, сущность которого состоит в том, что, не размещая непосредственно элементы на плате, можно определить необходимую площадь по формуле 2.1

 

,      (2.1)

где – установочная площадь i-го элемента, мм2;

 – коэффициент заполнения площади подложки (выбираем равным 0.5);

n – число элементов.

 

 

В соответствии с этим, выбираем печатную плату прямоугольной формы с размерами сторон 100х95 мм (кратными шагу координатной сетки, равному 2,5 мм).

В качестве материала печатной платы выбираем стеклотекстолит фольгированный марки СФ-1-35-1,5 по ГОСТ 10316-78. Плату изготовляем фотохимическим методом.

Масса модуля определяется суммой масс элементов, входящих в состав узла, и подложки (формула 2.2)

 

.     (2.2)

 

Данные для расчёта массы печатной платы сведены в таблицу 2.2.

 

Таблица 2.2 – Установочные характеристики конструктивных узлов

 

Типы элементов	Число элементов данного типа	Установочная площадь одного элемента, мм2	Установочная площадь всех элементов, мм2	Масса одного элемента, г	Масса всех элементов, г
Конденсаторы EHR-25V ECR-35V чип-0805 EXR-35V	4 1 3 3	64 64 4 12	256 64 12 36	3 3 1 1,5	12 3 3 4,5
Транзисторы 2SA1244 BC848C	3 1	5 4	15 4	2 2	6 2
Микросхемы КР142ЕН14 (uA723)	3	600	1800	3	9
Диод 31DQ06	12	15	180	3	36
Резисторы чип-0805-1k чип-0805-2.4k чип-0805-33k чип-1206-510 чип-1206-100 чип-0805-10k чип-0805-510 чип-1206-680 чип-1206-820 чип-0805-100 чип-0805-120k чип-0805-3.3k чип-1206-2.2k чип-0805-330 чип-0805-51k чип-0805-3k чип-1206-6.8k подстроечный СА6V-100	3 1 1 1 2 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3	4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 9	12 4 4 4 8 4 8 8 4 4 4 4 4 4 4 4 4 27	1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4	3 1 1 1 2 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12
Разъем PWL-6	2	200	400	4	8
Всего	63		4200		87

Массу печатной платы найдём по формуле (2.2)

 

,     (2.2)

 

где a, b, h – габаритные размеры платы, м;

 – удельная плотность материала платы, кг/м3. для стеклотекстолита (СФ-1-50 ГОСТ 10316-78) 1,6∙10-3кг/м выбранного в качестве материала платы с толщиной h=1,5мм

 

.

 

Подставляя в формулу (2.2) численные значения и учитывая массу платы и массу элементов, находящихся вне платы, находим

 

.

 

Для данной платы по ГОСТ 23751-86 выбираем 3-й класс точности. В соответствии с этим:

• минимальное значение ширины печатного проводника:                        t = 0,25 ± 0,1мм;
• минимальное расстояние между соседними проводниками, контактными площадками, контактными площадками и печатными проводниками – 0,25мм;
• допустимое отклонение расположения печатных проводников от размещения их на координатной сетке ± 0,1мм;
• минимальное расстояние от края печатной платы до края печатного проводника 1,5 мм;
• предельные отклонения между осями двух любых отверстий             ± 0,1мм.

Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки по формуле (2.3)

 

,  (2.3)

 

где d – диаметр монтажного отверстия;

 – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;

 – верхнее и нижнее предельные отклонения ширины проводника соответственно;

 – допуск на подтравливание диэлектрика (для многослойных пе-чатных плат);

b – гарантийный поясок;

 – допуски на расположение отверстий, контактных площадок.

Все данные берем, исходя из 3 класса точности платы. Подставляя знячения в формулу 2.3, рассчитываем минимальный диаметр контактной площадки.

 

.

 

Таблица 2.3 – Эксплуатационные характеристики платы и паянного соединения

Типы элементов	Количество элементов	Допустимые значения
		Температу-ра, Dt °C	Влажность, %	Механические воздействия				Интенсивность отказов x10-6, ч
				Вибрации		Удары
				Диапазон часто, Гц	Амплитуда ускорения, м/с2	Длительность удара, мс	Амплитуда импульса, Н
Паяное соединение	63	-10…+60	98	10-2000	30	10	10	0,01
Плата	1	-60…+85	98	5-1000	50	20	15	0,1

 

Расчитаем частоту собственных колебаний плоских модулей. Расчётная модель – плата (пластина), закреплённая в четырёх точках, по углам. Материал платы – стеклотекстолит фольгированный СФ-1-35-1,5 ГОСТ 10316-78.

Для расчёта частот собственных колебаний пластин, закреплённых в 4-х точках по её углам, применяют формулу (2.4)

 

,   (2.4)

 

где а – большая сторона платы; a = 0,1 м;

b – меньшая сторона платы; b = 0,95 м;

 – плотность стеклотекстолита, = 1,6 103 кг/м3;

D – цилиндрическая жёсткость;

m, n – произвольные целые числа, m = n = 1.

Цилиндрическая жёсткость пластины находится по формуле (2.5)

 

,     (2.5)

 

где Е – модуль упругости платы Е=2,1 1010 Н/м;

 – коэффициент Пуассона, =0,3.

 

.

 

Подставляя полученное значение цилиндрической жёсткости в формулу (2.4), находим численное значение собственной частоты колебания пластины

 

.

 

Далее произведём расчёт прочности и жёсткости элементов конструкции при действии статических нагрузок.

Статические нагрузки обусловлены непосредственным действием сил тяжести и реакций опор. Система координат, выбираемая при решении задачи выглядит следующим образом: плоскость ОХУ – параллельна основаниям пластины и проходит через середину её толщины (так называемая серединная плоскость). Начало координат выбирается в центре пластины. Ось ОZ – направлена вертикально вниз. Ось ОХ – параллельна большей стороне. Значения напряжений и деформаций зависят от вида закрепления контура. Разрабатываемое изделие закреплено в четырех точках. Для этого случая величина удельной статической нагрузки находится по формуле 2.6

 

,    (2.6)

где mіэ, mпл – соответственно массы всех элементов и узлов, размещённых на шасси, и масса основания шасси (подложки), кг;

S – площадь поверхности шасси, м2.

Подставляя значения величин, получаем

 

.

 

Изгибающий момент вокруг оси ОУ – МХ, приходящийся на единицу длины стороны b определяется формулой (2.7)

 

,    (2.7)

где k1 – коэффициент, зависящий от соотношения сторон платы    (k1 = 0,02)

 

.

 

Изгибающий момент относительно оси ОХ – МУ, приходящийся на единицу длины стороны а определяется формулой (2.8)

 

,    (2.8)

где k2 = 0,022.

Подставляя значения, получим

 

.

 

По максимальным значениям МХ и МУ определяем максимальное нормальное напряжение в сечении, перпендикулярном оси ОХ в начале координат по формуле (2.9)

 

,            (2.9)

 

 

Аналогично, определим максимальное напряжение в сечении, перпендикулярном оси ОУ в начале координат (2.10)

 

,            (2.10)

 

Максимальная деформация – стрела прогиба пластины – рассчитывается по формуле 2.11

 

,            (2.11)

где k3 – коэффициент, зависящий от отношения сторон платы, и способа закрепления её сторон. k3 = 0,02.

Е – модуль упругости 1-го рода материала пластины (платы) (Е = 2,1 )

 

Допустимое напряжение рассчитывается по формуле 2.12

 

,           (2.12)

 

где т – временное сопротивление, Н/м2. Это справочная величина, равная т = 2,0 108 Н/м2;

kПР – коэффициент запаса прочности, его значение принимаем равным 2.5.

Подставляя данные в формулу (2.12), определим [s]

 

.

 

Так как >> и >> , конструкция платы выбрана правильно и имеет значительный запас прочности: выдержит действия силы тяжести и реакции опор.

Допустимую величину деформации устанавливают в зависимости от принятой модели жёсткости пластины, она обычно равняется (2.13)

 

[h] = 0,25× ,           (2.13)

 

[h] = 0,25 0,0015 = 0,375мм.

 

Так как [h]>>h, конструкция платы выбрана правильно и считается жесткой. Чертеж блока питания приведён в приложении Г, платы печатной – в приложении Д.

 

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

3.1 Программа испытаний

 

Объектом исследований является линейный источник питания, преобразующий напряжение сети (220В) в напряжение питания модулей сбора и обработки (соответственно 5В, 24В и 12В) информации автоматизированной системы управления технологическим процессом изготовления деталей электронных аппаратов.

Испытания проводятся с целью определения погрешности измерения (определения влияния числа измерений на точность выходных характеристик, в данном случае – выходного напряжения).

При испытании преобразователя необходимо придерживаться общих требований безопасности по ГОСТ 12.3.019.

Объем и последовательность испытаний приведены в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 – Объем и последовательность испытаний

 

№п/п	Виды испытаний	Методики испытаний
1	Контроль габаритных и присоединительных размеров	3.3.1
2	Контроль массы	3.3.2
3	Проверка сопротивления изоляции	3.3.3
4	Контроль начального значения выходного сигнала	3.3.4
5	Контроль вариаций выходного сигнала по каждому из каналов	3.3.5