Разработка электронного звонка

Содержание

Введение

1 Общая часть  5

1.1 Анализ технического задания  5

1.2 Назначение и принцип действия устройства  7

2 Расчетно-конструкторская часть  8

2.1 Выбор и обоснование элементной базы   8

2.1.1 Выбор звукового излучателя  9

2.1.2 Выбор конденсаторов  10

2.1.3 Выбор микросхем  12

2.1.4 Выбор резисторов  16

2.1.5 Выбор транзисторов  19

2.2 Расчет печатной платы   21

2.3 Расчет надежности  29

2.4 Описание конструкции  34

Заключение  35

Список литературы   36

ПРИЛОЖЕНИЕ А Схема электрическая принципиальная

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Плата печатная

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Сборочный чертеж

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Перечень элементов

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Спецификация

Введение

С самых ранних этапов появления электронной техники, многие использовали ее для помощи людям с ограниченными возможностями, как создавая специальные приборы, так и применяя уже готовые. Например, в квартирах слабослышащих людей дверной и телефонный звонки дублируются вспышками обычных ламп, слабовидящим звуковая сигнализация помогает найти потерянный предмет, не дает забыть отключить утюг, отслеживать время (в некоторых конструкциях оповещение происходит через четверть часа). В итоге не только были разработаны устройства оповещения людей с повреждением органов чувств, но и в товары широкого потребления внедрены функции, помогающие людям с ограниченными возможностями. Но у подобного рода устройств есть общий недостаток. Используя одинаковые извещатели, можно не сразу определить источник сигнала. И если с оптическими источниками решить проблему можно, применяя светофильтры, то со звуковыми, только используя разные источники звука. Так же не всегда есть возможность питать такие устройства от сети, например в автомобиле, на улице, на работе, тогда как лампы и звонки питаются чаще всего от сети. А при питании от автономного источника необходимо снизить энергопотребление. Оптические источники позволяют это сделать заменой ламп накаливания на светодиоды, а акустические лишь изменением конструкции и схемотехники[1]. Устройство, использующее для питания батарею должно быть малогабаритным и предоставлять возможность носить его скрытно, чтобы не акцентировать внимание на человеке с проблемами зрения. Как и все специальное оборудование, такие устройства стоят необоснованно дорого, что не позволяет купить их пожилым людям или же людям с ограниченным достатком. Поэтому целью данного курсового проекта является разработка «Электронного звонка» — устройства звукового оповещения людей с ограниченными возможностями с целью установки на нем различных уникальных сигналов.

1 Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Устройство звукового оповещения подразумевает выдачу звукового сигнала при подаче на его вход другого физического сигнала, означающего наступление какого-либо события. В простейшем для разрабатываемого устройства случае, это подача питания через замкнутые внешние контакты. Имеется широкая номенклатура приборов, которые позволяют коммутировать внешние устройства по наступлению каких-либо событий: магнитоконтактные датчики, датчики освещенности, температуры, концевые выключатели.

Поданное питание должно быть преобразовано в колебания. Это можно сделать как с помощью электромеханических устройств, так и электронных. Для продления срока службы и уменьшения потребления энергии, целесообразно выбрать последнее. Не стоит забывать о возможности предварительной установки мелодии сигнала, то есть устройство должно обеспечивать во время производственных операции выбор будущей мелодии из некоторого конечного количества, задаваемого сложностью схемы и возможностями человеческого уха. Следовательно схему необходимо снабдить генератором сигнала, а некоторым устройством воспроизведения заданной последовательности. Очевидно, что использовать звуковоспроизводящую аппаратуру для таких простых операций нецелесообразно, следовательно, можно прибегнуть к помощи цифровой техники. В простейшем варианте, счетчик попеременно включает несколько генераторов или подключает к одному генератору частотозадающие цепи. Это очень громоздкая конструкция, к тому же количество вариантов мелодий у такого устройства будет невелико. Другое дело — использование генератора с плавным изменением характеристик, управляемых какой-либо величиной. Тогда с помощью счетчика можно будет генерировать сигнал с заданной дискретностью, а генератор просто будет «исполнителем». С его выхода можно снять некоторый сигнал. Но он еще слишком мал для того, чтобы его можно было воспроизводить. Поэтому сигнал подается на вход усилителя. Для обеспечения большей мощности лучше использовать двухтактный усилитель в самой простейшей конструкции. Ее будет достаточно для передачи основной характеристики тонального сигнала — частоты. С выхода усилителя сигнал следует подать на воспроизводящий элемент. Преобразовать электрический сигнал в звуковой могут телефонные капсюли, пьезоэлектрические излучатели, динамические головки, электростатические излучатели и пр. Предпочтение следует отдать динамической головке, так как мощность излучения, и рабочее напряжение позволяют использовать низковольтный источник и обойтись малыми габаритами устройства[2]. В данной работе будет рассмотрено устройство для одной мелодии — сирены, частота которой плавно повышается, после чего звук пропадает, а затем процесс повторяется.

Ниже представлены характеристики устройства:

- диапазон допустимых напряжений  питания, В    4…9;

- потребляемый ток, А 0,2;

- диапазон используемых частот, В   500…2500;

- мощность динамической головки, Вт     0,5;

- уровень чувствительности 90;

- количество сигналов, шт  16;

- длительность одного сигнала, с  0,8.

Как уже было сказано, существуют подобные устройства, но их цена, как на любое медицинское оборудование и приборы для людей с ограниченными возможностями, неоправданно завышена.

Целью разработки является создание индивидуального электронного звукоизлучателя, который должен быть безопасным в эксплуатации, недорогим, небьющимся, удобным в креплении, отвечать эргономическим требованиям. В качестве элементной базы в нем необходимо использовать малогабаритные современные элементы.

1.2 Назначение и принцип действия

Схема электрическая принципиальная электронного звонка представлена в приложении А.

Устройство предназначено для оповещения человека о наступлении какого-либо события звуковым сигналом определенной мелодии.

При включении устройства запускается встроенный в счетчик DD1 генератор, частота которого задается резистором R1 и конденсатором C1, импульсы с него попадают на внутреннюю схему счетчика. На выходах счетчика появляется код, который соответствует количеству импульсов, пришедших со встроенного генератора. К выходам разрядов 4…7 подключены резисторы R2…R5, где каждый последующий имеет сопротивление, в два раза меньшее, чем предыдущий, образуя, таким образом, четырехбитный АЦП. Сигнал с АЦП поступает на вход генератора, управляемого напряжением, основные частотные параметры которого задаются элементами R6, R7 и С2. Частота генератора может меняться в несколько раз в зависимости от поступающего напряжения. С выхода генератора сигнал через подстроечный резистор R8 поступает на вход двухтактного усилителя тока на маломощных транзисторах, а с усилителя тока через конденсатор С3 на динамическую головку BA1, где и преобразуется в звуковые колебания.

2 Конструкторская часть

2.1 Выбор и обоснование элементной базы

Обоснование выбора элементной базы является весьма ответственным этапом в работе конструктора, т.к. выбор элементов определяет важнейшие показатели проектируемого изделия:

- надежность;

- стоимость.

Исходными данными для выбора того или иного элемента являются:

- назначение элемента (назначение цепи, в которой он находится);

- режим цепи, в которую включен элемент (рабочая частота, параметры импульсов, ток, напряжение);

- электрический номинал элемента и основные его параметры (величина сопротивления, номинальная рассеиваемая мощность, величина емкости и т. д.);

- условия эксплуатации проектируемого прибора (температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность окружающего воздуха, параметры механических воздействий);

- требования к массогабаритным показателям.

При обосновании выбора того или иного элемента конструктор должен руководствоваться следующими критериями:

-   электрические параметры выбираемого элемента должны соответствовать   режиму цепи и номиналу, указанному на схеме;

-   технические условия (ТУ) на выбранный элемент должны соответствовать условиям эксплуатации проектируемого изделия, указанным в техническом задании на разработку;

-   конструкция выбираемого элемента должна обеспечивать удобство его установки;

-   коммутационные изделия, установленные на передней панели должны удовлетворять требованиям технической эстетики;

-   при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать более миниатюрным элементам;

-   надежность выбираемого элемента должна быть максимальной;

-   стоимость выбираемого элемента должна быть минимальной.

Следует подчеркнуть, что последние два критерия являются противоречивыми. Как правило, наиболее надежными элементами являются наиболее дорогие. Поэтому при выборе элементов необходимо ориентироваться либо на обеспечение заданной надежности, либо на обеспечение так называемой оптимальной надежности [3].

2.1.1 Выбор звукового излучателя

Звуковые излучатели-устройства, предназначенные для возбуждения звуковых волн в газообразных, жидких и твердых средах.

По принципу действия различают: электродинамические излучатели, электромагнитные излучатели и другие нетрадиционные излучатели

Для преобразования электрических колебаний в звуковые применяют динамические головки. Они различаются по мощности, размерам, диапазону воспроизводимых частот, сопротивлению звуковой катушки. В данном устройстве нет необходимости использовать высококачественные головки. Исходя из технического задания достаточно выбрать недорогой но надежный вариант для воспроизведения нескольких частот посередине звукового диапазона, воспринимаемого человеком. Выбираем динамик 0,5ГДШ-2. Его внешний вид представлен на рисунке 1, основные параметры приведены ниже[4].

-  мощность, Вт 0,5;

-  номинальное электрическое сопротивление, Ом 8;

-  уровень чувствительности, Дб    90;

-  диапазон частот 315…5000;

-  габаритные размеры 63×63×22.

Рисунок 1

2.1.2 Выбор конденсаторов

Конденсатор является элементом электрической цепи, предназначенный для использования его емкости.

Исходными данными для выбора конденсаторов являются :

- номинальная величина ёмкости, указанная на схеме и допуск на величину ёмкости;

- назначение цепи, в которой стоит конденсатор;

- режим цепи: постоянный ток, переменный ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов ;

- условия эксплуатации прибора, указанные в техническом задании на разработку прибора ( температура, влажность, давление воздуха, механические нагрузки );

- желательное конструктивное оформление конденсатора [3].

Так как рабочие напряжения небольшие, то целесообразно использовать керамические конденсаторы, поскольку они имеют минимальные габариты.

В качестве керамических конденсаторов можно использовать: К10-7, К10-9, К10-12, К10-17A, К10-29, КМ4, КМ3, КМ5, КМ6 КД-2, К73-17, К10-47, RPER72A, GR, выбираем конденсаторы КМ6 керамический монолитный за его малые габариты [4].

Технические характеристики КМ6:

- тангенс угла потерь, не более        1,5/(150/C+7) •10⁴;

- номинальное значение емкости, пФ       36;

- рабочее напряжение, В 5.

Габаритные размеры конденсатора  приведены на рисунке 2.

Рисунок 2

В качестве конденсаторов с оксидным диэлектриком можно использовать К50-6, К50-29, К50-35, AC, B41828, ECAS. От использования танталовых оксидных конденсаторов для поверхностного монтажа придется отказаться по причине их высокой стоимости и небольшого выигрыша по занимаемому месту на печатной плате. В данном проектируемом устройстве будем использовать отечественные электролитические конденсаторы К50-35, так как они дешевле зарубежных аналогов и при низких значениях напряжения и емкости имеют малые габариты, что уравнивает занимаемую ими площадь на плате с конденсаторами для поверхностного монтажа, пусть и при большем занимаемом объеме (рисунок 3) [4]. Конденсаторы К50 сухие, алюминиевые состоят из внешнего корпуса-катода, волокнистой прокладкой, пропитанной вязким электролитом и алюминиевого анода, на поверхности, которого сформирована оксидная пленка.

Основные параметры конденсаторов:

-   номинальная емкость, мкФ   от 0,1 до 15000;

-   допустимые отклонения емкости от номинала, %    ± 20.

-   номинальное напряжение, В     от 6,3 до 450;

-   диапазон рабочих температур, °C от минус 40 до плюс 85;

Рисунок 3

2.1.3 Выбор микросхем

Интегральные микросхемы-это функционально и конструктивно законченные компоненты РЭС, изготовленные методами интегрально-групповой технологии и предназначенные для обработки цифровых и аналогичных сигналов.

Основными критерием при выборе используемых серий микросхем является их функциональное назначение номенклатура, представленная в данной серии. Кроме того, учитываются параметры назначения: быстродействие; ток потребления; входные и выходные уровни напряжений и токов; коэффициент усиления.

Микросхемы можно разделить на три условные группы – логические, аналоговые и специализированные. Специализированные микросхемы заменить другим типом нельзя, так как при этом потребуется изменять построение схемы.

Цифровой счетчик

Цифровой счетчик представляет собой цифровое устройство, изменяющее свое состояние при поступлении на вход импульсов от какого либо источника, таким образом позволяющее отслеживать количество этих импульсов и при достижении определенной величины генерировать какое-либо событие (смену логического уровня, сброс, импульс и т.д.). В качестве такого счетчика, согласно анализу технического задания был выбран CD4060BCN, который в отличии от отечественной К561ИЕ16  имеет внутреннюю схему для построения генератора импульсов, и позволяет сократить количество деталей.[5]

Расположение выводов указано на рисунке 4.

Основные параметры CD4060BCN:

-  число разрядов 14;

-  напряжение питания, В 3..15;

-  температурный диапазон, ⁰С  от минус 55 до +125;

-  корпус DIP16.

-  размеры корпуса, мм    19,94 x 7,62 x 5,08;

-  вес, г 0,217.

Рисунок 4

Генератор, управляемый напряжением

Генератор, управляемый напряжением (ГУН) — электронный генератор для управления частотой колебаний при помощи напряжения. Частота колебаний зависит от подаваемого напряжения, причём ГУН может быть запитан от модулированных сигналов, что позволяет осуществить фазовую или частотную модуляцию; для ГУН с цифровым выходом возможно модулировать частоту следования импульсов или реализовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

ГУНы можно разделить на два типа в зависимости от выходного сигнала:

-  гармонические осцилляторы;

-  релаксационные генераторы.

Гармонические осцилляторы генерируют сигнал синусоидальной формы. В их состав входят усилитель и резонансный контур (контур необходим для того, чтобы отправить сигнал обратно на вход). Колебания происходят на частоте настройки, где положительное усиление возникает вокруг петли.

Релаксационные генераторы могут генерировать сигналы пилообразной или треугольной формы. Они нередко используются в монолитных интегральных схемах (ИС), и могут обеспечить широкий диапазон частот. [5]

Следовательно для устройства стоит выбрать именно релаксационный ГУН, поэтому выбирается микросхема К1561ГГ1, имеющая внутри все узлы, кроме частотозадающих цепей. Отличительной чертой микросхем серии К1561ГГ1 является широкий диапазон питающего напряжения от 3…15 вольт, то есть можно использовать упрощенную схему стабилизации. Эта серия представляет собой комплекс микромощных микросхем третьей степени интеграции на КМОП транзисторах. Предназначенные для применения в аппаратуре цифровой автоматики и вычислительной техники. Имеют прямоугольный пластмассовый корпус с выводами, перпендикулярными установочной плоскости. Расположение выводов показано на рисунке 5.

Основные параметры микросхемы:

-  число генераторов в корпусе   1;

-  напряжение питания, В 3..15;

-  температурный диапазон, ⁰С  от минус 65 до +125;

-  корпус DIP16.

-  размеры корпуса, мм 19,94 x 7,62 x 5,08;

-  вес, г 0,217.

Рисунок 5

2.1.4 Выборрезисторов

Применяется практически во всех видах электронной аппаратуры для регулирования и распределения электронной энергии. Используется в качестве нагрузок, добавочных сопротивлений, шунтов, делителей напряжения и др.

При выборе постоянных резисторов исходными данными являются:

- номинальная величина сопротивления и допуск на величину сопротивления;

- мощность рассеивания:

- назначение цепи, в которой установлен резистор;

- режим цепи: постоянный ток, перемены ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов;

- условия эксплуатации прибора, температура, влажность, давление воздуха, механические нагрузки;

- желательное конструктивное оформление резисторов.

Во всех случаях надо помнить об экономической стороне, то есть при прочих равных условиях предпочтение отдают более дешевому резистору.

Резисторы бывают проволочные и непроволочные [3]. В данном устройстве используются непроволочные резисторы, так как они имеют меньший вес, стоимость, габариты и паразитные параметры. Непроволочные резисторы бывают: углеродистые тонкослойные, металлодиэлектрические тонкослойные, композиционные объёмные. В данной схеме можно использовать резисторы: С1-4, С2-13, С2-14, С2-22, С2-23, C2-31, С2-34,  Р1-12.

В данном устройстве не предъявляется высоких требований к резисторам, поэтому наиболее правильным решением будет использование резисторов С1-4 номинальной мощностью 0,125 Вт, имеющих низкую стоимость и малые габариты.

Внешний вид и габаритные размеры резисторов С1-4 приведены на рисунке 6 [7].

Основные параметры резисторов С1-4

-  номинальная мощность, Вт 0,125;

-  диапазон номинальных сопротивлений, Ом  от 1 до 2,2·10⁶;

-  допустимое отклонение сопротивления от номинального, %   5;

-  диапазон рабочих температур, °С от минус 55 до плюс 125.

Рисунок 6

Подстроечный резистор — переменный резистор, предназначенный для тонкой настройки радиоэлектронного устройства в процессе его монтажа или ремонта. Эти компоненты устанавливаются внутри корпуса устройства и недоступны для пользователя при нормальной эксплуатации[3].

Подстроечные резисторы имеют различную конструкцию и назначение. Они бывают однооборотные и многооборотные, общего назначения и прецизионные, проволочные и непроволочные.

Непроволочные переменные резисторы типов СП, СПО, СП3, ТК, ВК используются для плавной регулировки электрических параметров радиоэлектронной аппаратуры.

В резисторах типа СП3 токопроводящий слой наносят на подковообразную гетинаксовую пластинку. На концах токопроводящего слоя выполнены посеребренные контакты, к которым присоединяются крайние выводы. СП3-19А и Б, СП3-38А и Б, СП3-39А и Б, где А или Б это исполнение и способ монтажа резистора.

В схеме используется подстроечный резистор СП3-38а

Внешний вид и габаритные размеры резистора СП3-38а приведены на рисунке 7[4].

Технические параметры:

-  Тип подстроечный;

-  Тип проводника непроволочный;

-  Номинальное сопротивление, кОм 47;

-  Точность, % 20;

-  Номинальная мощность, Вт 0,125;

-  Рабочая температура, С от минус 60 до 125;

-  Количество оборотов 1;

-  Способ монтажа печатный;

-  Угол поворота движка 300;

Рисунок 7

2.1.5 Выбор транзисторов

Транзисторы – это полупроводниковые приборы, служащие для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя n-p-переходами, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Исходными данными для выбора транзисторов являются

-  назначение цепи, в которой устанавливается транзистор;

-  коэффициент усиления;

-  прямой и обратный токи;

-  коэффициент обратной связи;

-  режим цепи.

В устройстве используется 2 типа транзисторов разной структуры. Крайне желательно, чтобы они имели одинаковые корпуса для увеличения технологичности производства. В качестве транзисторов структуры p-n-p возможно использовать КТ361, КТ209, КТ3102, КТ502. В качестве n-p-n транзисторов — КТ315, КТ3107, КТ503. Были выбраны КТ361 и КТ315, имеющие одинаковые корпуса КТ-13. Размеры корпуса КТ-13 приведены на рисунке 8[6].

Основные параметры КТ361 и КТ315. Все основные параметры одинаковы, однако следует учитывать направление тока в цепях схемы [6].

-  макс. напр. коллектор-база при заданном обратном токе, В 40;

-  максимально допустимый ток коллектора, А 0,075;

-  статический коэффициент передачи тока 75;

-  максимальная рассеиваемая мощность, Вт 0,15.

Рисунок 8

Выбранные элементы сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Наименование и обозначение ЭРЭ	Условия эксплуатации по ТУ							Интенсивность отказов,10-6
	Количество	Температура, ºС	Влажность, %	Атмосферное давление, атм	Частота вибрации, Гц	Ускорение, g	Конструкция выводов
0,5ГДШ-2	1	-50… +75	98	2	1000	10	контактные лепестки	0,6
КМ6	-20… +85	98	4	1700	10	торцевые	0,07
К50-35	-40… +85	98	4	1700	10	торцевые	0,09
CD4060BCN	1	-55… +125	98	3	1650	10	планарные	0,3
К1561ГГ1	1	-65… +125	98	4	1700	10	планарные	0,3
С1-4	-55… +125	98	4	3600	10	осевые	0,06
СП3-38а	-60… +125	98	3	1500	8	торцевые	1,4
КТ315	-40… +65	98	4	2100	6	торцевые	0,35
КТ361	-40… +65	98	4	2100	10	торцевые	0,35

2.2 Расчет печатной платы

В качестве материала для печатной платы проектируемого устройства будем использовать стеклотекстолит, т.к. он имеет следующие преимущества[7]:

-  большую механическую стойкость;

-  хорошую влагостойкость;

-  большую термостойкость;

-  лучшую адгезию фольги с диэлектриком, чем у гетинакса;

-  при сверлении отверстий дает меньшую шероховатость поверхности.

Стеклотекстолит дешевле некоторых прочих фольгированных материалов, таких как лавсан или фторопласт. Поэтому наиболее подходящим для изготовления устройств, работающих на частотах до 300 МГц и напряжениях до 1000 В является именно он.

Выбираем материал марки СФ1-50-1,5. Толщина фольги 35 мкм ток, протекающий по проводникам равен 0,20 А.

При расчете печатной платы учитываем электрические и конструктивные параметры. К электрическим параметрам относятся:

- t – ширина печатного проводника;

- S – расстояние между печатными проводниками;

- C – емкость печатного проводника;

- L – индуктивность печатного проводника.

К конструктивным параметрам относятся:

- размеры печатной платы;

- диаметр и количество монтажных отверстий;

- диаметр контактных площадок;

- минимальное расстояние между центрами двух отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Рассчитываем ширину печатного проводника по формуле (1):

 ,  (1)

где I – протекающий ток, А;

j – допустимая плотность тока, А/мм²;

h – толщина фольги, мм.

Исходные данные для расчета:

- ток, протекающий по проводнику I складывается из токов всех видов активных элементов схемы, А    0,20;

- толщина фольги h, мм   0,05;

- плотность тока j выбирается по справочнику,
исходя из того что изделие относится к бытовой РА, А/мм²     30.

Исходя из расчётов, печатная плата соответствует 3 классу точности. Изготовление печатных плат 3 класса не   требует применения уникального высокоточного оборудования. Принимаем t = 0,25 мм.

Т.к. рабочее напряжение не более 8,2 В, то по ГОСТ 23.751-86, выбираем расстояние между двумя проводниками 0,1…0,2. Для 3 класса изготовления печатной платы S = 0,25 мм.

Плата односторонняя, изготавливается химическим методом.

Определяем диаметры монтажных отверстий по формуле (2):

   (2)

Если d_в 0,8 то = 0,2, если d_в > 0,8 то = 0,3 Рекомендуется на плате иметь не более трех различных диаметров монтажных отверстий, поэтому некоторые диаметры увеличиваем в сторону большего.

Таблица 2

Для устройства выбираем диаметры монтажных отверстий 0,8 и 1,2 мм.

Для выбора размеров печатной платы определяется ее площадь (формула 3):

(3)

где F_эрэ – площадь, занимаемая электрорадиоэлементами (ЭРЭ);

F_то – площадь технологических или крепежных отверстий;

F_св – площадь, которая не должна заниматься ЭРЭ, по конструктивным соображениям;

F_м.о. – площадь монтажных отверстий;

К_з – коэффициент заполнения.

F_эрэопределяется по установочным размерам, в случаях если выводы элементов за пределами корпуса, или по площади корпуса, если выводы под корпусом.

Определяем площадь под технологические (крепежные) и монтажные отверстия по формуле 4:

 , (4)

где d – диаметр отверстия;

n – количество отверстий.

Удобнее рассчитать площадь, занимаемую одним отверстием, а затем произвести общий расчет площади вместе с электрорадиоэлементами. Для этого исключим из формулы 4 n:

      (5)

Вычислим площадь каждого отверстия:

Таким образом, вычислив площадь отверстий вместе с площадью электрорадиоэлементов, получим .

Исходные данные для расчета площади, занимаемой электрорадиоэлементами и отверстиями, приводятся в таблице 3.

Таблица 3

Наименование	Количество	Площадь одного элемента, мм2	∑F, мм2
1	2	3	4
Резисторы:
С2-23	7	13,20	92,40
СП3-38А	1	29,05	29,05
Конденсаторы:
КМ6	2	29,25	58,50
К50-35	2	19,63	39,26
Микросхемы
CD4060BCN	1	151,94	151,94
КР1561ГГ1	1	151,94	151,94
Транзисторы:
КТ315	1	19,60	19,60
КТ361	1	19,60	19,60
Отверстия диаметром, мм
0,8	58	0,50	29,14
1,2	9	1,13	10,17
ИТОГО			601,61

Выбираем коэффициент заполнения печатной платы, который обычно выражается в пределах от 0,3 до 0,8. Так как устройство работает автономно, необходимо уменьшить его габариты. Элементы, работающие от батарей, пропускают небольшие токи и поэтому не греются. Поэтому, принимаем К_з = 0,55. Отсюда площадь печатной платы, подставляя значение из таблицы, получившееся для суммы :

Длина стороны печатной платы по ГОСТ 10317-79 должна заканчиваться 0 или 5. Далее подбираем размеры платы из неравенства (6):

 .   (6)

Из реальных размеров разведенной платы длина сторон 45 и 25 мм, т.е.
А = 45 мм, В = 25 мм:

1125 ³ 1093.

Рассчитываем реальный коэффициент заполнения по формуле (7):

    (7)

Отсюда следует:

.

Рассчитаем диаметр контактных площадок по формуле (8):

  (8)

где b –   радиальная ширина гарантийного пояска контактной площадки;

?d – точность получения отверстия;

T_d –  значение позиционного допуска расположения монтажных отверстий;

T_D – значение позиционного допуска расположения контактных площадок.

Для плат, изготавливаемых по 3 классу точности b = 0,1 мм, T_d = 0,08 мм,
T_D = 0,15 мм.

Отсюда следует:

Определяем минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников по формуле (9):

   (9)

где n – количество прокладываемых проводников;

?t – предельное отклонение ширины печатного проводника;

T_l – значение позиционного допуска расположения печатного проводника.

Определим минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки одного проводника:

Для прокладки двух проводников:

Для прокладки трех проводников:

Рассчитываем сопротивление проводника по формуле (10):

(10)

где ρ – удельное сопротивление медной фольги, 0,02 Ом·мм²/м;

l – длина проводника, 0,045 м (измеряем самый длинный проводник на печатной плате).

Паразитные параметры платы C – емкость печатного проводника и L – индуктивность печатного проводника оказывают влияние на частотах выше 50 МГц, поэтому их расчет не производится.

2.3 Расчет надежности

Надежность – это свойство изделия сохранять работоспособность в течение заданного времени в заданных условиях эксплуатации [8].

Расчет надежности необходим для определения гарантийного срока службы изделия, на основе которого выдают гарантийные обязательства [8].

Расчет надежности проводится практически на всех этапах проектирования, начиная с технического задания. Различают три метода расчета надежности:

– прикидочный расчет – проводится в тех случаях, когда происходит проверка требований по надежности, выдвинутых заказчиком в техническом задании;

– ориентировочный расчет – проводится на этапе эскизного проектирования после разработки принципиальной электрической схемы и выбора элементной базы;

– окончательный расчет – проводится на этапе технического проектирования, когда просчитана электрическая схема, т.е. известны режимы работы элементов.

В данном случае проводится окончательный расчет. Он дает наибольшую точность, т.к. учитывает все выбранные элементы, их режимы работы, температуру внутри блока и условия эксплуатации.

Для упрощения расчета применяем два допущения:

– элементы имеют основное соединение элементов, т.е. отказ изделия наступает тогда, когда откажет хотя бы один элемент;

– отказы носят случайный и независимый характер.

В этом случае интенсивность отказов рассчитывается по формуле:

, (11)

где  –   коэффициент, учитывающий условия эксплуатации изделия;

 –    поправочный коэффициент, учитывающий режим работы элементов и температуру внутри блока;

 –    интенсивность отказа элемента, работающего в номинальном режиме при нормальных условиях эксплуатации;

 –     количество однотипных элементов, работающих в одном режиме при одинаковых температурах.

Исходные данные для расчета интенсивности отказов устройства сведены в таблицу 4.

Для расчета надежности в качестве элементов взяты российские аналоги.

Таблица 4

Тип элемента	Коли-чество	, 1/ч	Режим работы			, 1/ч	, 1/ч
			Кн	t,oС
1	2	3	4	5	6	7	8
0,5ГДШ-2	1	0,6	1	40	1	0,6	0,6
КМ6	2	0,07	0,7	40	0,2	0,049	0,0196
К50-35	2	0,09	0,7	40	0,2	0,063	0,0252
CD4060BCN	1	0,3	1	40	1	0,3	0,3
К1561ГГ1	1	0,3	1	40	1	0,3	0,3
С2-23	7	0,06	0,6	40	1	0,036	0,252
СП3-38а	1	1,4	0,6	40	1	0,84	0,84
КТ315	1	0,35	0,6	40	1,1	0,21	0,231
КТ361	1	0,35	1	40	1,1	0,35	0,385
Пайка	67	0,01	1	40	1	0,01	0,67
Итого							3,6228

Так как изделие эксплуатируется в стационарных и полевых (ношение) условиях, то поправочный коэффициент  будет равен 2,7. Таким образом, интенсивность отказа равна:

=2,7·3,6228?10^-6=9,78156?10^-6 (1/ч).

Средняя наработка на отказ Т_ср определяется по формуле:

     ; (12)

Таким образом, средняя наработка на отказ равна 102223 ч.

Вероятность безотказной работы рассчитывается по формуле 13.

,  (2)

где t - время работы.

Результаты расчета вероятности безотказной работы от времени сведены в таблицу 5.

Таблица 5

По результатам расчета строится график, представленный на рисунке 9.

       P(t)

Рисунок 9

Гарантийный срок службы определяется на уровне 0,7.

При этом .

Отсюда гарантийный срок службы равен 36464 ч. Исходя из шестнадцатичасовой работы устройства круглый год(работа во время бодрствования человека), на электронный звонок дается 6,2 года гарантии.

По результатам расчета можно определить, какой элемент является самым ненадежным. В данном случае это головка динамическая и подстроечный резистор, как элементы, подвергающиеся наибольшим механическим воздействиям.

Требуемая надежность задается в технических требованиях на разрабатываемое изделие. Обеспечивается она рациональной схемой и конструкцией, оптимальным выбором элементной базы с учетом условий эксплуатации, выбором оптимального технологического процесса, а также соблюдением инструкции по эксплуатации.

Методы повышения надежности условно подразделяются на:

- общие;

- специальные.

Общие методы повышения надежности могут рассматриваться как на этапе проектирования, так и на этапе производства [8].

На этапе проектирования общие методы заключаются в:

- максимальном упрощении принципиальной схемы сокращением числа элементов, но c сохранением заданного функционирования и выходных параметров устройства;

- применением комплектующих изделий с более высокой надежностью;

- широком использовании унифицированных узлов, проверенных и отработанных в условиях массового производства;

- обеспечением высокой ремонтопригодности изделия.

- на этапе производства общие методы повышения надежности:

- точное соблюдение требований технологии чертежей и технической документации;

- тщательный контроль материалов и комплектующих изделий, применяемых в устройстве;

- внедрение технологии, обеспечивающей высокое качество производственных процессов;

- автоматизации и механизации производственных процессов;

- повышении общей культуры производства.

К специальным методом повышения надежности можно отнести:

- использование элементов в облегченном режиме;

- тренировка элементов перед установкой в изделие;

- резервирование.

Тренировка обычно состоит в установке элементов в номинальный режим и выдержке их определенное время в номинальном режиме. Это сокращает время приработки готового изделия.

2.4 Описание конструкции

Плата проектируемого устройства имеет размеры 45×30×1,5 мм, изготавливается по 3 классу точности с применением стеклотекстолита марки СФ1-50-1,5 химическим методом. Плата в корпус устанавливается на выступы основания и прижимается по краям стойками на крышке, что обеспечивает ее надежную фиксацию.

Корпус устройства имеет габаритные размеры 65×65×45 мм и изготавливается из белого полистирола. Он состоит из основания, крышки и крышки батарейного отсека, скрепляемых с помощью четырех винтов. Выступы корпуса не должны мешать установке динамика. В батарейный отсек корпуса выводится панель для батареи «Крона». Сверху батарейный отсек закрывается крышкой. На корпусе предусмотрены отверстия для закрепления выводов внешнего замыкателя и внешнего питания. В месте для установки динамика сверлятся семь отверстий диаметром 5 мм. Корпус имеет выступы с нижней стороны, выполняющие функцию ножек.

Заключение

Курсовой проект выполнен в полном объеме в соответствии с техническим заданием, календарным планом и оформлен в надлежащем порядке.

В результате проведенной работы проанализированы существующие конструкции, и определены параметры разрабатываемого устройства, решено использовать зарубежный функциональный аналог отечественной микросхемы с целью уменьшить количество элементов, выбрана и обоснована элементная база.

Рассчитаны параметры печатной платы. Плата двухсторонняя, класс точности платы 3. Линейные размеры платы 45 ´ 25 мм, коэффициент заполнения 0,53. Сопротивление печатного проводника 0,103 Ом.

Произведен расчет надежности. Средняя наработка на отказ составила 102223 часа. Исходя из круглосуточной и круглогодичной работы, гарантийный срок эксплуатации составляет 6,2 года.

Список литературы

1 Шленциг К. Самодельные электронные устройства в быту: Пер. с нем. / К. Шленциг, В. Штаммлер — М. ДОСААФ 1984. – 144 с.

2 Боровский В.П. Справочник по схемотехнике радиолюбителя/ В.П. Боровский, В.И. Костенко,  В.М. Михайленко и др. – К.: Технiка, 1987. – 432 с.

3 Масленников М.Ю. Справочник разработчика и конструктора РА. Элементная база. Книга 1 / М.Ю. Масленников, Е.А. Соболев, Г.В. Соколов и др. – М.: типография ИТАР-ТАСС, 1993. - 156 с.

4 Электронные компоненты, радиодетали. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.platan.ru/

5 Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник / В.Л. Шило — М. Радио и связь 1987. – 352 с.

6 Овсянников Н. И. Кремниевые биполярные транзисторы: Справ. пособие. / Н. И. Овсянников — М.: Высшая школа, 1989. – 302 с.

7 Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств/ А.П. Ненашев – М.: Высшая школа, 1990. – 432 с.

8 Фрумкин Г.Д. «Расчет и конструирование РЭА» -М:. высшая школа , 1989.-523 с