Таблица 2.9 – Использование прибыли 2 страница

1.3.2 Будильник

Узел представлен на рисунке 1.15 и преобразует электрический сигнал в звук.

На рисунке 1.15 изображён будильник.

Рисунок 1.15 – Будильник

Узел состоит из зуммера BA1 и резистора R1. Зуммер выполнен со встроенной электронной схемой, и вырабатывает звуковой сигнал при подаче постоянного напряжения с вывода 05 микроконтроллера.

1.3.3 Узел переключения

Узел переключения катодов предназначен для быстрого переключения индикаторов.

Узел переключения построен на четырех транзисторных оптопарах и обеспечивает гальваническую развязку между микроконтроллером и индикаторами.

На рисунке 1.16 изображена оптопара 1.

Рисунок 1.16 – Оптопара 1

На вывод 01 оптопары подаётся сигнал с порта 09 микроконтроллера DD2. При прохождении через диод прямого тока происходит интенсивная рекомбинации носителей заряда, сопровождающаяся выделением кванта света, который воздействуя на фототранзистор, изменяет сопротивление p – n перехода. В результате индикатор подключается к питанию.

Оптопары 2, 3, 4 работают аналогично оптопаре 1.

На рисунках 1.17 – 1.19 изображены оптопары 2, 3, 4.

Рисунок 1.17 – Оптопара 2

Рисунок 1.18 – Оптопара 3

Рисунок 1.19 – Оптопара 4

1.3.4 Узел отображения информации

Узел отображения информации (УОИ) состоит из четырёх индикаторов HG1 – HG4.

На рисунке 1.20 изображён индикатор 1.

Рисунок 1.20 – Индикатор 1

На аноды индикаторов HG1 – HG4 подаётся напряжение с транзисторных оптопар U1 – U4 , а на катоды поступает сигнал с дешифратора DD3. Для отображения цифр используется метод динамической индикации. Дешифратор подключен сразу ко всем индикаторам УОИ, то есть ко всем их цифрам. Работа дешифратора и узла переключения синхронизирована таким образом, что в один момент времени напряжение подаётся только на одну цифру одного индикатора, то есть узел переключения очень быстро переключают индикаторы, а дешифратор зажигает на них цифры. Каждая цифра горит чуть больше 2 миллисекунд, затем сразу включается другая, суммарная частота обновления индикаторов составляет около 60 Гц, а учитывая инертность процесса, глаз никаких мерцаний не замечает.

На рисунках 1.21 – 1.23 изображены индикаторы 2, 3, 4.

Рисунок 1.21 – Индикатор 2

Рисунок 1.22 – Индикатор 3

Рисунок 1.23 – Индикатор 4

1.3.5 Неоновая точка

На рисунке 1.24 изображен неоновый индикатор и предназначен для разделения часов и минут.

Рисунок 1.24 – Неоновая точка

Узел реализован на оптопаре U5 и индикаторе НL5 и обеспечивает гальваническую развязку между микроконтроллером и индикатором.

1.3.6 Дешифратор

На рисунке 1.25 изображён дешифратор.

Рисунок 1.25 – Дешифратор

Узел предназначен для преобразования двоично – десятичного кода в десятичный.

На входы А0 – А3 поступают числа от 0 до 9 в двоичном коде с микроконтроллера DD2. Номер выбранного выхода соответствует десятичному эквиваленту входного кода и идёт на соответствующий вход на индикаторе. Коды, эквивалентные числам от 10 до 15, дешифраторами не отображаются на выходах.

1.3.7 Узел подсветки

На рисунке 1.26 изображён узел подсветки.

Рисунок 1.26 – Узел подсветки

Узел подсветки реализован на четырех светодиодах GNL – 5013UBC и предназначен для декоративной подсветки индикаторов ИН – 12. На анод светодиодов поступает управляющий сигнал с порта 14 микроконтроллера.

1.3.8 Часы реального времени

На рисунке 1.27 изображен узел часов реального времени.

Рисунок 1.27 – Часы реального времени

Узел построен на микросхеме DS3231 и представляет собой часы реального времени с последовательным интерфейсом I2C. Часы реального времени служат для отсчёта времени.

Модуль DS3231 отсчитывает секунды, минуты, часы, день недели, даты месяца, месяцы, годы. Дата по окончании месяца автоматически подстраивается для месяцев, у которых дней меньше 31, включая учет февраля и коррекцию дней для високосного года (до 2100 года). Часы работают либо в 24 – часовом, либо в 12 – часовом формате с индикатором.

Информация передается в микроконтроллер для ее дальнейшей обработки по двухпроводной линии I/O (линия данных) вывод 03 и SCLK (синхронизация последовательной связи) вывод 04. Данные могут передаваться по одному байту или последовательностью байтов до 31.

1.3.9 Панель управления

На рисунке 1.28 изображена панель управления.

Рисунок 1.28 – Панель управления

Панель управления реализована на малогабаритных кнопках SB1 – SB3. Режим настройки времени и даты устанавливается удержанием кнопки SB1. При повторном нажатии кнопки SB1 – возврат к режиму отображения часов.

Кнопки SB2, SB3 в режиме настройки времени предназначены для настройки часов и минут.

В режиме отображения часов удержание кнопки SB2 отключает или включает подсветку; а кнопки SB3 – режим перелистывания цифр.

1.3.10 Преобразователь напряжения

Преобразователь напряжения изображён на рисунке 1.29.

Рисунок 1.29 – Преобразователь напряжения

Узел предназначен для преобразования низкого напряжения 5 В в высоковольтное постоянное напряжение 180 В, которое необходимо для работы узла отображения информации.

На вход схемы постоянно поступает напряжение 5 В. Входное напряжение приложено к индуктивности L1, в которой происходит накопление энергии, при этом конденсатор C4 через диод VD1 заряжается. С микроконтроллера на затвор транзистора VT1 поступает ШИМ сигнал, который постоянно открывает и закрывает транзистор, а на выходе будем получать все возрастающие импульсы повышенного напряжения. Здесь работает принцип: в результате исчезновения магнитного поля в катушке индуктивности возникает

ЭДС самоиндукции, которая, как известно, превышает напряжение, которое подается на саму катушку. На выходе получаем 180 В, которое при помощи резистора R3 можно регулировать.

1.3.11 Блок питания

На рисунке 1.30 изображён блок питания.

Рисунок 1.30 – Блок питания

Блок питания прибора собран по классической схеме: низковольтная часть состоит из сетевого трансформатора, диодного моста, фильтрующих конденсаторов и стабилизатора. Предохранитель FU1 защищает все устройство от коротких замыканий.

К концам вторичной обмотки трансформатора подключен двухполупериодный выпрямитель КЦ405А. На выходе выпрямителя формируется постоянное пульсирующее напряжение.

Стабилизатор построен на интегральном стабилизаторе компенсационного типа и вырабатывает высокостабильное напряжение 5 В. На входе стабилизатора включен электролитический конденсатор С1 для сглаживания низкочастотных пульсаций. На выходе стабилизатора также включен электролитический конденсатор С2, необходимый для сглаживания пульсаций, возникающих в цепях питания, а также обеспечивает стабильность блока питания при резком изменении тока нагрузки. Стабилизированное напряжение 5 В используется для

питания всей логической схемы.

1.3.12 Датчик температуры

На рисунке 1.31 изображён датчик температуры.

Рисунок 1.31 – Датчик температуры

Для измерения температуры помещения используется интегральный датчик температуры DHT22, непосредственно подключаемые к микроконтроллеру через последовательный интерфейс. Информация с датчиков температуры считывается в цифровом коде.

1.4 Расчет элементов схем и надёжности

1.4.1 Расчет элементов узла

Узел подсветки представлен на рисунке 1.32

Рисунок 1.32 – Узел подсветки

На рисунке 1.32 изображен узел подсветка, в котором необходимо рассчитать сопротивления R7 для подключения светодиодов HL1, HL2, HL3, HL4.

Исходные данные для расчёта:

I = 0,003 А;

U_HL = 3,5 В;

U = 5 В.

Согласно II закону Кирхгофа составляем уравнение (1.1):

(1.1)

Из данного уравнения определяем R служащее для ограничения тока через светодиод:

, (1.2)

R = (5 - 3,5) / 0,003 4 = 125 Ом

Для обеспечения надежной работы выбираем номинал резистора равного 150 Ом.

Рассчитываем мощность рассеивания по формуле (1.3):

(1.3)

Для подключения светодиодов HL1, HL2, HL3, HL4 в схеме требуется резистор C2 – 23, сопротивлением 150 Ом ± 1% и мощностью 0,25 Вт.

1.4.2 Расчет надежности

Надёжность – это способность изделия выполнять заданные эксплуатационные показатели в установленных пределах, соответствующим техническим требованиям выходных параметров при заданных условиях эксплуатации, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

К основным показателям надёжности относятся:

– вероятность безотказной работы;

– интенсивность отказов;

– наработка на отказ или среднее время безотказной работы.

Вероятность безотказной работы за заданное время определяется по формуле (1.4):

P (tз) = (1.4)

где tз – заданное время безотказной работы;

То – наработка на отказ.

Наработка на отказ определяется по формуле (1.5):

То = (1.5)

где λƩ– суммарная интенсивность отказов устройства с учётом электрического режима, условий эксплуатации и определяется по формуле (1.6):-

λƩ = к і (1.6)

где λ₀і – среднегрупповое значение интенсивности отказов і группы, найденное с использованием базовых интенсивностей отказов λ₀ групп элементов и компонентов, приведённых в таблице 1.2.

nі – количество элементов і группе;

к – число сформированных групп однотипных элементов.

Таблица 1.2 – Базовые интенсивности отказов групп элементов и компонентов

Элементы	λ₀∙10^-6 1/час

Интегральные микросхемы цифровые	0,091
Интегральные микросхемы аналоговые	0,023
Диоды выпрямительные	0,091
Диоды импульсные	0,025
Диодные мосты	0,035
Стабилитроны	0,0041
Транзисторы	0,044

Продолжение таблицы 1.2


Тиристоры	0,2
Фотодиоды	0,185
Индикаторы буквенно – цифровые светодиодные	0,42
Индикаторы жидко – кристаллические	0,88
Оптопары тиристорные	0,19
Конденсаторы постоянные	0,044
Конденсаторы электролитические	0,173
Резисторы	0,044
Терморезисторы	0,007
Переключатели галетные	0,058
Тумблеры	0,1
Кнопки	0,16
Разъёмы	0,0104
Трансформаторы	0,0035
Реле электромеханические	0,0304
Предохранители	0,0001
Пайка	0,0013

Для каждой группы однотипных элементов подсчитываем λ₀і с учётом эксплуатационных параметров по формуле (1.7):

λ₀і = Кн * Ку * Кt * λ₀ (1.7)

где λ₀ – базовая интенсивность отказов элементов;

Кн – коэффициент нагрузки элементов;

Ку – коэффициент условий эксплуатации;

Кt – коэффициент, зависящий от температуры корпуса.

Значения коэффициентов условий эксплуатации приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Условия эксплуатации

Условия эксплуатации	Значение Ку
Лабораторные условия	1,0
Помещения с регулируемой температурой	1,1
Наземные стационарные условия	2,5
Наземные возимые РЭУ	5,0
Наземные переносные РЭУ	7,0
Морские защищённые условия	7,6
Морские незащищённые условия	10,0

Значение коэффициентов нагрузки Кн элементов берём из справочных данных для номинального режима работы, приведённых в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Коэффициенты нагрузки

Элементы	Номинальные коэффициенты нагрузок Кн – элементов

Интегральные микросхемы цифровые	1,0
Интегральные микросхемы аналоговые	0,8
Диоды выпрямительные	0,6
Диоды импульсные	0,5
Диодные мосты	0,5
Стабилитроны	1,0
Транзисторы	0,5
Тиристоры	0,8
Фотодиоды	1,0
Индикаторы буквенно – цифровые светодиодные	1,0
Индикаторы жидко – кристаллические	1,0
Оптопары тиристорные	0,8
Конденсаторы постоянные	0,8
Конденсаторы электролитические	0,8

Продолжение таблицы 1.4


Резисторы	0,8
Терморезисторы	1,0
Переключатели галетные	0,5
Тумблеры	0,5
Кнопки	0,5
Разъёмы	1,0
Трансформаторы	0,6
Реле электромеханические	1,0
Предохранители	0,8
Пайка	1,0

Значение коэффициентов Кt берём из таблицы 1.5.

Таблица 1.5 – Коэффициенты, зависящие от теплоты корпуса

Элементы	Значение Кt
Микросхемы	0,1
Резисторы	0,5
Конденсаторы	0,2
Диоды	0,5
Мосты выпрямительные	0,5
Транзисторы	0,5
Стабилитроны	0,5
Индикаторы	0,5
Трансформаторы	0,1
Предохранители	0,1

Из перечня элементов ПЭ3 выписываем группы однотипных элементов. Для каждой группы подсчитываемλ₀іпо формуле (1.4), используя данные таблиц 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 и определяем суммарную интенсивность отказов по формуле (1.7). Так как устройство работает в помещении с регулируемой

температурой, то коэффициент условий эксплуатации равен Ку = 1,1 из таблицы 1.2.

Результаты расчётов сводим в таблицу 1.6.

Таблица 1.6 – Результаты расчетов

Группы элементов	Кол – во в группе	λ₀*10^-6 1/час	Кн	Ку	Кt	λоƩ*10^-6 1/час
Индикаторы буквенно – цифровые, светодиодные		0,42	1,0	1,1	0,5	2,079
Кнопка		0,16	0,5	1,1	0,1	0,0264
Кварцевый резонатор		0,026	0,6	1,1	0,5	0,00858
Диод выпрямительный		0,091	0,6	1,1	0,5	0,03003
Конденсатор		0,044	0,8	1,1	0,2	0,007744
Конденсатор электролитический		0,173	0,8	1,1	0,2	0,09135
Предохранитель		0,0001	0,8	1,1	0,1	0,0000088
Транзистор		0,044	0,5	1,1	0,5	0,0121
Разъем		0,015	1,0	1,1	0,5	0,02475
Резистор		0,044	0,8	1,1	0,5	0,11616
Микросхема аналоговая		0,023	0,8	1,1	0,1	0,002024
Микросхема цифровая		0,091	1,0	1,1	0,1	0,04004
Трансформатор		0,0035	0,6	1,1	0,1	0,000231
Оптопара транзисторная		0,19	0,5	1,1	0,2	0,1045
Диодный мост		0,035	0,5	1,1	0,5	0,009625
Катушка индуктивности		0,02	0,8	1,1	0,5	0,0088
Пайка		0,0013	1,0	1,1	1,0	0,3146
Количество групп					λƩ=	2,8759428

По формуле (1.5) определяем наработку на отказ То:

То = 20454 час

Для построения графика вероятности безотказной работы за определённый интервал времени используем формулу (1.4), задаваясь временными интервалами: 1000; 2000; 5000; 10000; 15000; 20000 час. Результаты расчётов сводим в таблицу 1.7.

Таблица 1.7 – Распределение вероятности безотказной работы во времени

Временной интервал, час	Р(t)
	0,95
	0,90
	0,78
	0,61
	0,48
	0,37

По полученным данным в таблице 1.6 строим график вероятности безотказной работы устройства от времени Р=f(t).

График вероятности безотказной работы устройства от времени Р=f(t) представлен на рисунке 1.33

Рисунок 1.33 – Зависимость вероятности безотказной работы от времени

1.5 Технология изготовления печатных узлов

1.5.1 Описание промышленной технологии изготовления печатной платы

Характеристики печатного монтажа в значительной степени определяют-

ся свойствами базовых материалов.

Для изготовления печатных плат чаще всего используют фольгированный с одной или дух сторон стеклотекстолит. Толщина материала основания может быть 0,5 0,8, 1,0, 1,5, 2,0 мм. Толщина фольги: 18, 35 мкм.

Фольгированный диэлектрик должен отличаться высоким значением адгезии фольги к подложке, обладать высоким объемным и поверхностным электрическим сопротивлением, высокой температурой стеклования и стабильностью геометрических размеров.

Весь процесс изготовления печатной платы можно условно разделить на тринадцать основных этапов:

1) обработка стеклотекстолита до нужных размеров;

2) сверление отверстий на станках с ЧПУ;

3) осаждение медью, металлизация отверстий;

4) фоторезист;

5) осаждение оловянно – свинцовым слоем;

6) травление;

7) визуальный контроль качества, ручное исправление недочётов;

8) нанесение паяльной маски;

9) шёлкография;

10) поверхностная обработка платы;

11) резка печатных плат;

12) проверка печатных плат;

13) финальный контроль качества.

Промышленное изготовление может изготовить платы любой сложности начиная от простых односторонних, заканчивая сложнейшими многослойными платами для современных вычислительных машин. На производстве использованы сверх высокоточные и скоростные ЧПУ станки последнего поколения, для выполнения как простых, так и сложнейших операций.

1.5.1.1 Обработка стеклотекстолита до нужных размеров

На этом этапе станки режут и обрабатывают стеклотекстолит до нужных размеров, при том размеры могут быть любыми. Фольгированный стеклотекстолит разрезается, затем по конвейеру поступает к другим станкам для обработки краёв, после собирается в пакеты из нескольких штук и отправляется в следующий цех.

1.5.1.2 Сверление отверстий на станках с ЧПУ

В промышленном производстве печатных плат отверстия сверлят до травления. В цехах стоят огромное количество станков с числовым управлением, автоматически меняющих свёрла или фрезы в зависимости от диамерта отверстий. Помимо основных отверстий на плате также сверлятся прецизионные или фиксирующие отверстия, которые в дальнейшем нужны для иных процессов, например для установки фотошаблона для переноса рисунка платы на поверхность фольги. После процесса сверления возможно образование заусенцев, для того чтобы их удалить платы обрабатываются и зачищаются абразивными щётками.

1.5.1.3 Осаждение медью, металлизация отверстий

Осаждение – это химический процесс в ходе которого на плату осаждают дополнительный слой меди. Именно на этом этапе образуется первичная металлизация отверстий. Металлизация очень важный этап при создание двухсторонних или многослойных печатных плат. Позволяет передать электрический сигнал в последующие слои платы. После этого процесса платы тщательно моют и сушат.

1.5.1.4 Фоторезист

На этом этапе плату целиком покрывают светочувствительной плёнкой, фоторезистом. Далее заранее изготовленной фотошаблон или фотомаска, совмещается с платой, именно поэтому в начальном этапе сверлят прецизионные отверстия. После совмещения происходит экспонирование, под воздействием ультрафиолета происходит полимеризация тех участков фоторезиста которые небыли защищены фотошаблоном. Сами фотошаблоны представляют из себя прозрачную плёнку на которой распечатан рисунок печатной платы. Далее происходит проявка, а после лишний фоторезист смывают. В самом конце этого процесса платы запекают в мучных печах для увеличении механической прочности фоторезиста.

1.5.1.5 Осаждение оловянно – свинцовым слоем

На этапе металлизации отверстий в отверстиях образовался ни чем не защищённый, тонкий слой меди. На этом этапе на указанный слой меди химическим образом осаждают оловянно – свинцовый слой, таким образом получая надёжную металлизацию всех отверстий. Но дело в том что олово осаждаются и на оголённые медные дорожки и именно эти дорожки в итоге и останутся, а всё что было под фоторезистом растворится в ходе травления. Процесс осаждения довольно сложный, платы переносятся из одной химической ванны в другую, и так около десяти раз. В конце этого процесса, оставшийся фоторезист полностью удаляется.

1.5.1.6 Травление

Травление – это процесс химического удаления незащищённых участков меди. Сама ванна для травления представляет собой огромный конвейер, в ней плата многократно обрабатывается струями травильного раствора, на выходи получается почти идеально вытравленную плату. В самом конце этого процесса тем же химическим способом удаляется свинцовое покрытие. На данном этапе могут образоваться мелкие недотравлённые участки меди, но позже всё исправят на этапе контроля качества.

1.5.1.7 Визуальный контроль качества, ручное исправление недочётов

На данном этапе мощные сканирующие системы с оптическим датчиком очень быстро сканируют плату. При обнаружении проблемы работники под мощными микроскопами, вручную исправляют недочёты, например недотравлённые участки меди. В случае более крупных проблем, например перетравления, плату бракуют и в дальнейших процессах она уже участвовать не будет.

1.5.1.8 Нанесение паяльной маски

Маска предназначена для защиты медных дорожек от коррозии и механических повреждений и в целом маска предаёт плате промышленный внешний вид. Маска может быть любого цвета, но в основном это традиционный зелёный. В этом цеху работники ходят в специальной обуви и масках. Состав из которого делают паяльную маску, эпоксидный, и может нанести вред здоровью. Дальше через сеточные трафареты на плату наносят эпоксидную краску, принцип не отличается от трафаретной печати. В конце процесса, платы нагреваются затем остужаются для быстрого и качественного затвердевания эпоксидной краски.

1.5.1.9 Шелкография

Этот процесс почти не отличается от процесса нанесения паяльной маски, только теперь тем же способом наносятся маркировки и контура компонентов,

привилегии, логотипы и даже инициалы клиентов, всё что попросит заказчик. По завершению процесса, платы по конвейеру поступают в печь, где опять происходит нагрев затем охлаждение, всё это делают для получения качественного и долговечного рисунка. Если шелкография нужна с обеих сторон, то плату просто переворачивают, наносят рисунок и всё.

1.5.1.10 Поверхностная обработка платы

В ходе данного этапа, оголённые участки меди, как правило пяточки куда

запаиваются компоненты, покрываются либо техническим золотом либо просто лудятся, именно так появляется позолота на некоторых полигонах платы или характерная блестящая поверхность. Это делается с целью защиты оголённых участков меди. Золото вообще не окисляется, а оловянный состав на протяжении десятилетий защищает плату и не теряет первоначального блеска.

⇐ Предыдущая 123 4 5 Следующая ⇒