Устройство автоматического контроля и индикации источника напряжения питания постоянного тока

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-

 

Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

 

Факультет среднего профессионального образования (колледж)

 

 

Допустить к защите

 

Зав. Отделением                                                                                                             А.В.Коркина

 

 

 

 

 

Устройство автоматического контроля и индикации источника напряжения питания постоянного тока

 

 

 

Пояснительная записка

 

 

ФСПО.220301.1116ПЗ

 

 

 

 

 

Выполнил

 

студент группы 716                                                                                               А. Х. Назаров

                                                                                             

Руководитель дипломного проекта                                                                     Н. П. Алимов

 

Руководитель по эконом. части                                                                           И. А. Петерсон

 

Рецензент                                                                                                                   В. Я. Соколов

 

 

Дипломный проект выполнен и защищен

с оценкой     «                               » 

 

 

Санкт-Петербург    2011

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение 8

1 Расчетно-теоретическая часть 10

1.1 Применение УК ИНПТ в системе фокусировки объектива микроскопа 10

1.2 Варианты схемного решения 10

1.3 Выбор элементной базы 11

1.4 Описание структурной схемы 13

1.5 Описание схемы электрической принципиальной 14

1.6 Описание работы и принципа действия 15

1.7 Электрический расчет схемы устройства 17

1.7.1 Расчет компараторов D₁, D₂ 18

1.7.2 Расчет компараторов D₃, D₄ 19

1.7.3 Расчет компараторов D₅, D₆ 20

1.7.4 Расчет источника опорного напряжения 22

1.7.5 Расчет логической части устройства 23

1.8 Расчет надежности 24

2 Конструкторско-технологический раздел 27

2.1 Технические требования на проектирование печатной платы 27

2.2 Разводка печатных плат 27

2.3 Технологический процесс сборки печатной платы 28

3 Экономическая часть 30

3.1 Расчет трудоемкости изготовления УК ИНПТ 32

 

 

 

 

 

3.2 Расчет стоимости материальных затрат 32

3.3 Расчет суммарной сдельной расценки 33

3.4 Составление калькуляции изделия 34

4 Мероприятия по обеспечению безопасности условий труда, экобиозащите и противопожарной безопасности 37

4.1  Общие положения 37

4.2 Одежда на производстве 38

4.3 Экобиозащита. Экология производства. Отходы. Утилизация 38

4.4 Пожарная безопасность 39

Заключение 40

Список использованных источников 41

Приложение 1. ФСПО.220301.1116 Маршрутные карты технологического процесса сборки печатной платы.

Приложение 2. ФСПО.220301.1116.000Э1 Схема электрическая структурная.

Приложение 3. ФСПО.220301.1116.100Э1 Схема электрическая структурная.

Приложение 4. ФСПО.220301.1116.000Э3 Схема электрическая принципиальная.

Приложение 5. ФСПО.220301.1116.101 Плата.

Приложение 6. ФСПО.220301.1116.100СБ Сборочный чертеж.

Приложение 7. ФСПО.220301.1116.000 Калькуляция себестоимости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Высокая точность РЭА обеспечивается стабильностью передаточных характеристик  всех звеньев аппаратуры, которые  в первую очередь зависят от стабильности питающих напряжений. Любая электрическая  схема, реализованная на транзисторах, операционных усилителях, сложных цифровых микросхемах, микропроцессорных системах требует для своей работы одного или нескольких источников питания  постоянного тока.¹

Простые нерегулируемые источники  питания типа трансформатор –  мостовой выпрямитель – конденсатор, вообще говоря, не годятся, поскольку  их выходное напряжение зависит от тока нагрузки и напряжения сети, кроме  того, велика пульсация с частотой 100Гц.

Для питания РЭА и работы в автоматических измерительных  системах используются источники питания  постоянного тока, в которых применяется  отрицательная обратная связь и  выходное постоянное напряжение сравнивается с некоторым постоянным эталонным  напряжением. Такие стабилизированные  источники универсальны и построены  с помощью интегральных схем стабилизаторов напряжения, подключаемых к выходу источника питания типа трансформатор - мостовой выпрямитель – конденсатор. Как правило, стабилизированные  источники имеют схему защиты от перегрузок и коротких замыканий  на выходе прибора путем автоматического  перехода из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока и наоборот.

В служебных системах автоматической фокусировки объектива микроскопа применяются три источника питания 15В, -15В, 5В. Для защиты электронных  узлов системы путем отключения от нагрузки выходов источников питания  постоянного тока при аварийном  отключении одного из каналов 15В, -15В, 5В  или при изменении номинального значения напряжения по любому из каналов  на величину более ± 30%  используется устройство автоматического контроля и индикации источника напряжения питания постоянного тока (УК ИНПТ), рассматриваемый в данном дипломном проекте.

УК ИНПТ формирует команду  внешнего отключения источников питания 15В,  -15В, 5В в виде логического нуля, которая поступает на вход управления

выключением источника питания. Одновременно осуществляется визуальный

контроль соответствия сигнала  «НОРМА» с помощью свечения светодиода зеленого

цвета, а шесть светодиодов  красного цвета служат для индикации  отклонения и его знака (< - меньше или > - больше) напряжений источников питания 15В, -15В, 5В на ± 30%.

Питание УК ИНПТ производится от напряжения питания постоянного тока   (27±3)В, подаваемого на входы двух модулей питания. Один из модулей вырабатывает двухполярное напряжение питания ±6В, предназначенное для питания компараторов и источника опорного напряжения, другой модуль вырабатывает напряжение 5В, служащее для питания цифровых схем и индикаторов на светоизлучающих диодах (СИД).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Расчетно-теоретическая часть

1.1 Применение УК ИНПТ в системе фокусировки объектива микроскопа

Система автоматической фокусировки (САФ) устраняет нарушение фокусировки  в современном электронном микроскопе. САФ включает в себя излучатель (светодиод  или лазерный диод), приемник излучения  на основе фоточувствительного прибора  с переносом заряда (ФППЗ) и оптико-электронный  преобразователь, выходной сигнал которого несет информацию о величине расфокусировки объектива микроскопа. Работа САФ  во многом зависит от стабильности источников питания, контроля и индикации  их исправности².

УК ИНПТ улучшает точность системы автоматической фокусировки  и индицирует неисправность в  конкретном канале питания, предупреждая оператора о необходимости устранения неисправности.

1.2 Варианты схемного решения

При разработке УК ИНПТ рассматривались  различные варианты реализации, включая  полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды), аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, транзисторные матрицы.

Реализация УК на полупроводниковых  приборах характеризуется большой  номенклатурой комплектующих изделий, большим числом электрорадиоэлементов (ЭРИ), что приводит к громоздкой конструкции, большим габаритам  и весу, большой потребляемой мощности и большому объему монтажных работ, удорожанию изделия и снижению надежности из за большого числа ЭРИ и числа  паек. Кроме того, параметры транзисторных  каскадов зависят от окружающей температуры  и подвержены временному дрейфу.

Указанные недостатки устранены  в предлагаемом варианте реализации УК ИНПТ на основе аналоговых и цифровых интегральных микросхем (АИС и ЦИС). Этот вариант является наиболее рентабельным, так как уменьшает габариты, вес, потребляемую мощность, стоимость изготовления, монтажа, настройки, эксплуатации при  одновременном повышении надежности и снижении стоимости.

1.3 Выбор элементной базы

Среди АИС наибольшее распространение  получили стабилизаторы напряжения, операционные усилители, аналоговые перемножатели  сигналов, компараторы,

ключи и АЦП.

Для преобразования пороговых  сигналов в цифровую форму применяются  компараторы, являющиеся специализированными  операционными усилителями (ОУ) с  дифференциальным входом и одиночным  или парафазным выходом. На выходе компаратора  формируются сигналы «1», если разность входных сигналов меньше напряжения срабатывания компаратора или сигналы  «0», если разность входных сигналов превышает напряжение срабатывания компаратора.³

На один вход компаратора подается контролируемый сигнал, на другой вход – опорный сигнал.

Таблица 1. Параметры  ОУ.

Наименование параметра	КР140УД17А	КР140УД601А	К544УД2	К1409УД1	AD843AQ
Коэффициент усиления, Кu,	200	70	20	20	150
Напряжение смещения нуля, Uсм, мВ	0,07	5	50	15	4
Дрейф напряжения смещения, ,	1,20	20	50	-	12
Разность входных токов, Iвх, нА	3,5	10	0,1	1,2	30
Дрейф разности входных токов, ,	0,3	0,1	-	0,02	-
Максимальное выходное напряжение, Uвых, В	±12	±11	±10	±10	±10
Максимальный выходной ток, Iвых, мА	10	25	20	8	50
Напряжение источника питания, Uип, В	±15	±3…±15	±6…±17	±15	±4,5…±18
Ток потребления, Iп, мА	5	4,0	7	6	13
Наличие внутренней коррекции	есть	есть	есть	есть	есть
Наличие защиты выхода в режиме короткого  замыкания	есть	нет	нет	есть	есть

 

В качестве компаратора нередко  используют ОУ. В таблице 1 приведены  параметры ОУ общего применения.

На основании сравнения  параметров ОУ общего применения в  УК ИНПТ применим ОУ КР140УД601А, который  хотя и уступает по параметру смещения U_см усилителям КР140УД17А и AD843AQ, но дешевле примерно в два раза.

Для оценки различных серий  ЦИС используется энергия переключения […],

равная 

Э = t_зд.р · Р_пот ,

т.е. произведение задержки распространения t_зд.р (в наносекундах) на рассматриваемую мощность Р_пот (в милливаттах).

Таблица 2. Параметры  ЦИС.

Серия ТТЛ		Параметры		Энергия переключения	Нагрузка
отечествен-ная	зарубеж- ная	tзд.р, нс	Рпот, мВт	Э=tзд.р · Рпот, пДж	Сн, пФ	Rн, кОм	Нагрузочная способность
К155 (133) К134 К531 К555 КР1531 1533	SN74 SN74L SN74S SN74LS SN74F SN74ALS	10 33 3 10 3 4	10 1 20 2 4 2	100 33 60 20 12 8	15 50 15 15 15 15	0,4 4 0,28 2 0,28 2	10 10 10 20 10 20

Из данных таблицы 2 следует, что по энергии переключения ЦИС  серии 1533 имеют преимущество, поэтому, для цифрового узла УК ИНПТ применим ЦИС серии 1533.

Параметры ИС серии 1533: = -0,4мА, = 0,02мА, U_вых ≤ 0,4В, ≥ 2,5В,    = 0,85мА, = 3мА, ≤ 14нс, < 14нс, = 4мА.

Для обеспечения тока через  светодиоды I_пр=10мА используются ЦИС серии 133, для которой параметры таковы: = -1,6мА, = 0,04мА, ≤ 0,4В, ≥ 2,4В, К_рад = 10, = 15нс, = 22нс, Р_пот=22мВт.