Конструкторский анализ электрической принципиальной схемы ЭС

Стабилизатор вырабатывает напряжение от 0 до 15 В, которое можно изменять с шагом 1 В. Максимальный ток нагрузки – 0,5 А, при его превышении узел защиты отключает нагрузку. В случае необходимости порог срабатывания узла токовой защиты может быть увеличен до 7 А. Напряжение питания стабилизатора может быть не стабилизированным, его значение с учетом пульсаций должно оставаться в пределах 18...25 В при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения.

Устройство содержит следующие узлы: стабилизатор напряжения питания цифровых микросхем DA1; цифровой формирователь кода выходного напряжения DD1, DD2, VD1, C3, R1 – R4; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на прецизионных резисторах R7 – R10; выходной усилитель DA2.1, VT2, R11, R12 и узел токовой защиты R5, R6, VD2, VT1, R13, R14.

Микросхема DA1 вырабатывает стабильное напряжение 6 В, используемое для питания цифровых микросхем DD1 и DD2. Цифровой код выходного напряжения формирует двоичный реверсивный счетчик импульсов DD2. Импульсы поступают на счетчик с генератора на элементе DD1.4. Направление счета определяет состояние RS-триггера на элементах DD1.2 и DD1.3. Когда на входе U микросхемы DD2 высокий уровень, счетчик работает в режиме сложения, в противном случае – в режиме вычитания.

Элемент DD1.1 управляет генератором импульсов. Если ни одна из кнопок SB1 и SB2 не нажата, низкий уровень на выходе этого элемента через резистор R3 и диод VD1 препятствует зарядке конденсатора С3 до порога переключения триггера Шмитта, в результате чего генерация импульсов невозможна. Состояние счетчика DD2 (число N) не изменяется.

Отношение значений сопротивлений резисторов ЦАП R7:R8:R9:R10 – 8:4:2:1. Поэтому напряжение в точке их соединения и, соответственно, на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 равно N*U₁/15, где U₁ – напряжение питания микросхемы DD2. Отношение R12/R11 в цепи ООС выбрано так, чтобы коэффициент усиления ОУ DA2.1 и транзистора VD2 был равен 2,5. Поэтому выходное напряжение равно N вольт при условии, что U₁ = 6 В.

При нажатии на кнопку SB1 "+" (режим увеличения напряжения) низкий уровень на нижнем по схеме входе элемента DD1.3 устанавливает RS-триггер в единичное состояние (на выходе этого элемента и, соответственно, на входе U микросхемы DD2 – высокий уровень), переключая счетчик в режим сложения. Одновременно низкий уровень на верхнем по схеме входе элемента DD1.1 приводит к установлению на его выходе высокого уровня, закрыванию диода VD1 и возникновению генерации. Каждый импульс увеличивает состояние счетчика на 1 и выходное напряжение на 1 В.

Если нажать кнопку SB2 "-" (режим уменьшения напряжения), низкий уровень на верхнем по схеме входе элемента DD1.2 устанавливает RS-триггер в нулевое состояние (на выходе элемента DD1.3 и, соответственно, на входе U микросхемы DD2 – низкий уровень), переключая счетчик в режим вычитания. Одновременно низкий уровень на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 аналогично приводит к установлению на его выходе высокого уровня, закрыванию диода VD1 и возникновению генерации. Каждый импульс уменьшает состояние счетчика на 1 и выходное напряжение на 1 В. Когда состояние N счетчика достигнет нуля, на выходе Р микросхемы DD2 появится низкий уровень. Поскольку этот выход соединен с нижним по схеме входом элемента DD1.4, то работа генератора будет приостановлена. Поэтому опасный для нагрузки переход от нулевого напряжения к максимальному запрещен. Возобновить работу генратора можно лишь нажатием на кнопку SB1.

Аналогично запрещен бросок от максимального до нуля в режиме увеличения напряжения. После достижения максимального значения 15 В генерация импульсов также приостановлена, ее можно возобновить только нажатием на кнопку SB2.

Работа устройства не предусмотрена в случае, когда нажаты обе кнопки SB1 и SB2. Однако этот случай для устройства не опасен. На выходах элементов DD1.1 и DD1.3 будут те же логические уровни, что и при одной нажатой кнопке SB1. Следовательно, кнопка SB1 приоритетнее: если она нажата, состояние кнопки SB2 не имеет значения.

Если ток, потребляемый нагрузкой, достигнет порога срабатывания узла защиты, падение напряжения на резисторе R14 превысит напряжение открывания транзистора VT1, напряжение на входе R микросхемы DD2 достигнет высокого логического уровня и вызовет обнуление счетчика, соответственно, выходное напряжение упадет до нуля. Стабилитрон VD2 ограничивает напряжение на входе R до уровня, не превышающего напряжение питания счетчика DD2.

Проведём анализ проектируемого устройства и сравним его с аналогами.

Разрабатываемое устройство стабилизатора напряжения не является уникальным, а является улучшенным вариантом разработанных ранее изделий. Был произведен поиск аналогов и прототипов, основные технические и эксплуатационные характеристики которых приведены в таблице .

Таблица 1.

Устройство целесообразно разрабатывать т.к. оно будет состоять из стандартных ИС и ЭРЭ. А также, как показал анализ разрабатываемое устройство превосходит аналог по некоторым показателям, но в то же время является более дорогим.

5. Разработка и расчёт варианта компоновки печатной платы заданной ЭС

От правильного размещения корпусов ИС и ЭРЭ на печатной плате конструктивной иерархии первого уровня зависят их габаритные размеры, масса, помехоустойчивость и т.д. Естественно, чем плотнее будут расположены корпуса ИС на печатной плате, тем жестче будет тепловой режим, помехи при работе, и наоборот, чем больше расстояние между корпусами ИС, тем не эффективней используется объем и длина электрических связей, следовательно, возникают помехи.

Поэтому на установку ИС необходимо обращать серьезное внимание с учётом назначения электрического средства и режимов его работы.

Печатная плата (ПП) является конструктивно законченным элементом и служит для электрического и механического соединения различных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), интегральных микросхем (ИМС) и электрических соединений (разъемы, розетки и т. п.), расположенных на ней.

Размещение ИС проводят с определенными требованиями по помехоустойчивости и в соответствии с шагом установки. Выбор шага установки ИС определяется из условий: назначения и эксплуатации ЭС. Вне зависимости от типа ИС шаг установки применяется равным: 2,5мм, 1,25мм, 0,625мм. Микросхемы на печатной плате располагаются линейно в ряды или в шахматном порядке. Такое расположение ИС и ЭРЭ позволяет автоматизировать процесс сборки и монтажа.

Установка ИС на печатные платы производится в соответствии с ОСТом 4ГО.010.030- 97 "Установка навесных элементов на печатные платы".

Печатная плата содержит две зоны (рис 2.):

1) зону установки ИС и ЭРЭ;

2) технологическую зону, которая в свою очередь делится на две части:

а) технологическая зона для установки (например: соединительного разъема (Х1) и экстрактора (Х2))

б) технологическая зона для направляющих и маркировки (У1,У2)

Установка ИС и ЭРЭ на технологических зонах запрещена.

Рис. 1

ИС располагаются по рядам (линейно) расстояние между ними не менее 1,2 мм. ИС располагаемые в зоне установки должны маркироваться координатным способом, то есть зона установки делится по координатам на области, где устанавливают ЭРЭ и ИС и они обозначаются по Х и У, такое разбиение на зоны позволяет быстро находить нужный ЭРЭ и ИС расположенные на печатной плате (рис 2.).

Рис. 2

Таблица 2

Суммарную площадь S_∑ зоны установки ИС и ЭРЭ на печатную плату, можно определить по формуле:

где S_Σуст – установочная площадь всех элементов,

k_s – коэффициент, учитывающий шаг установки ЭРЭ и ИС на печатную плату. В связи с тем, что ЭС будит работать в нормальных условиях, и при работе будет происходить нагрев ЭРЭ и ИС, то для расчета суммарной площади установки ЭРЭ и ИС примем k_s равный 1,5.

На плате должны быть предусмотрены вспомогательные участки x1, x2, y1, y2 технологической зоны для установки разъемов, маркировки, крепежных отверстий и направляющих (x1 = x2 = 10мм; y1 = y2 = 5 мм). Исходя из ориентировочных размеров зоны установки ИС и ЭРЭ, шага установки элементов, вспомогательных участков, выбираем размеры сторон ПП: l =70 мм, b =40 мм.

Средний коэффициент k_З заполнения печатной платы можно определить по формуле:

Коэффициент заполнения считается удовлетворительным.

Эскиз печатной платы с расположением элементов:

Рис. 3