Дипломная работа: Блок питания для компьютера, мощностью 350Вт, форм-фактор АТХ

Дипломная работа.

Киевский политехнический институт (КПИ)

Радиотехнический факультет

Киев 2005

Вступление

Современные рыночные экономические отношения требуют качественную и надежную продукцию, а также быстрое и качественное предоставление услуг. Низкая стоимость обусловливает конкурентоспособность товара и услуг. Реализовать это не возможно без автоматизации всех сфер деятельности общества. Универсальным инструментом для автоматизации в наше время стал персональный компьютер (ПК). Если проанализировать, то можно увидеть что компьютер на современном этапе применяется почти везде: в медицине, для точной диагностики с малым процентом ошибки, в производстве, для быстрого проектирования, анализа, моделирования и непосредственно при изготовлении детали, в сельском хозяйстве, в исследовательских целях, в массовых электронных платежах, в сфере развлечений (игровые автоматы). Стоит отметить, что современный компьютер представляет собой сложное радиоэлектронное средство, в котором реализованные все достижения науки в сфере технологий и инженерии. Попытка увеличить быстродействие этого средства вынуждает разработчиков уменьшать уровни сигналов, применять технологии, которые являются чувствительными к внешнему влиянию, что очень сильно отражается на надежной работе прибора. Это в свою очередь обусловливает жесткое требование к источнику питания и к его стабильности.

В случае нестабильности напряжения питания компьютера, это приводит к таким последствиям как:

- выход из строя главной материнской платы;

- выхода из строя оперативной памяти (ОЗП);

- нарушение целостности информации, которая хранится на жестком диске (накопителе);

- порча диска (брак) при записи CD/CD-RW;

- внезапная перезагрузка операционной системы;

Такое нестабильное функционирование прибора, когда он является ключевым элементом в ПК, приводит к падению общей производительности и надёжности работы системы. И Такие случаи работы персональных компьютеров в Украине являются очень распространенными. Причина - использование некачественных источников питания. Высококачественные источники питания для ПК имеют большую стоимость, поэтому, учитывая потребительский уровень, в Украину ввозятся в ограниченном количестве и для небольшого числа производителей (сборщиков) ПК.

После проведенных мной исследований, было выяснено что в Украине возможно производство высококачественного источника питания для ПК, по цене которая будет доступная среднему потребителю. Поэтому целью дипломной работы является разработка блока питания (далее БП) форм-фактора АТХ который в полной мере отвечает требованиям, которые выдвигает стандарт созданный корпорацией INTEL, имеет высокие показатели надежности и малую себестоимость.

1 Разработка технического задания.

1.1 Наименование и область применения.

1.1.1 Наименование: Блок питания компьютера форм-фактора АТХ (12V).

1.1.2 Область применения: системные модули типа IBM PC-XT/AT.

1.2 Цель и назначение разработки.

1.2.1 Целью разработки является создание компьютерного блока питания форм-фактора АТХ (12V).

1.2.2 Назначение разработки – создание функционально законченного устройства, которое обеспечивает стабильность выходного напряжения при изменении (в определенных границах) входного напряжения, входного тока и рабочей температуры.

1.2.3 Разработка предназначена для крупно серийного производства.

1.3 Источник разработки.

1.3.1 Источником разработки является схема электрическая принципиальная блока питания компьютера, которая совместима с материнской платой изготовленной согласно спецификации ATX версии 2.03.

1.4 Технические требования.

1.4.1 Состав изделия и требования к конструктивному оформлению.

1.4.1.1 Изделие имеет в своем составе следующие части:

- плата фильтрации входного напряжения;

- плата преобразования напряжения.

1.4.1.2 Габаритные размеры БП должны быть, мм:

- длина: 150;

- ширина: 140;

- высота: 86.

1.4.1.3 Масса БП должна быть не более 2 кг.

1.4.1.4 Конструктивное выполнение должно обеспечивать возможность крепления блока в системных модулях типа IBM PC-XT/AT.

1.4.1.5 Конструкция БП должна обеспечивать возможность ремонта.

1.4.1.6 Электрическая прочность изоляции БП между токоведущими цепями, а также между токоведущими цепями и корпусом в нормальных климатических условиях эксплуатации должна обеспечивать отсутствие пробоев.

1.4.1.7 Стойкость к влиянию температуры и влажности окружающей среды: изделие должно отвечать климатическому выполнению категории УХЛ 4.2 ГОСТ15150-69.

1.4.1.8 Для антикоррозийной защиты поверхности деталей применить гальваническое покрытие.

1.4.1.9 Корпус БП должен иметь перфорацию, на деталях, которые формируют корпус не должно быть заусениц и повреждений (царапин, вмятин, коррозии).

1.4.1.10 После ремонтных работ, изделие должно сохранять показатели, которые указанны в этом документе.

1.4.1.11 Изделие должно эксплуатироваться в помещениях 3-й категории (закрытое помещение с циркуляцией воздуха).

1.4.1.12 Изделие по показателям помехоустойчивости и ликвидации помех, которые влияют на работу других изделий должно отвечать ГОСТ 22505-83 и ГОСТ 23511-79.

1.4.2 Показатели применения:

Требования к сети:

Минимальное значение ~В: 180;

Максимальное значение ~В: 265;

Частота, Гц: 47 – 63;

Требования к параметрам выходных напряжений и тока:

Общие требования:

Общая выходная мощность, Вт: 350;

Общий КПД, %: 75;

Скачек тока при включении не больше, А: 80;

Температурный дрейф уровня выходных напряжений для канала +5В, при нагрузке всех каналов на 50%, : 0.02;

Температурный дрейф уровня выходных напряжений для всех других каналов, при нагрузке всех каналов на 50%, : 0.05;

При изменении напряжения сети от 180В до 264 выходные напряжения всех каналов изменяются на ±0.5% при 50% нагрузке всех каналов;

Задержка появления сигнала разрешения PG (Power Goodness) высокого уровня при включении, мл. сек.: 100 – 200

1.4.3 Требования к надежности.

1.4.3.1 Изделие по степени надежности должно удовлетворять требованиям ГОСТ 27.003-90.

1.4.3.2 Средняя наработка на отказ, час.:.............не менее 27000;

1.4.3.3 Вероятность безотказной работы:.................0.75;

1.4.3.4 Среднее время восстановления, час.:............ 0.5;

1.4.3.5 Изделие должно выдерживать влияние внешних механических и климатических факторов согласно с ГОСТ 11478-88.

1.4.4 Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки, производства и эксплуатации.

1.4.4.1 Параметры БП должны контролироваться посредством стандартных измерительных приборов, обслуживающим персоналом среднего уровня квалификации.

1.4.4.2 Требования к технологичности должны отвечать

ГОСТ 14.201-83.

1.4.4.3 Конструкция изделия должна обеспечивать возможность выполнения монтажных работ с соблюдением требований технического задания на установку и пайку комплектующих изделия.

1.4.4.4 Конструкция изделия в целом и отдельных узлов должна удовлетворять сборке без применения специального оборудования.

1.4.4.5 Трудоемкость при изготовлении прибора, час.:.....не более 3.

1.4.4.6 Конструкция блока должна отвечать требованиям ремонтопригодности согласно Р50-84-88.

1.4.5 Требования к уровню унификации и стандартизации.

1.4.5.1 В качестве комплектующих единиц и деталей (коммуникационные изделия электроники, детали крепления, детали установки) должны использоваться серийные изделия.

1.4.5.2 Монтажные платы, панели, узлы крепления и установки должны быть унифицированы.

1.4.5.3 Коэффициент унификации стандартных и заимствуемых деталей должен быть не менее 0.1.

1.4.6 Требования к безопасности при обслуживании по охране окружающей среды.

1.4.6.1 Конструкция БП должна обеспечить безопасность персонала при эксплуатации изделия. Общие требования к электрической и механической безопасности согласно ГОСТ 12.2.007.0-75.

1.4.6.2 По мере защиты человека от поражения электрическим током блок должен быть изготовлен соответственно ГОСТ 12.2.007.0-75, класс защиты – 1.

1.4.6.3 Меры защиты от поражения электрическим током должны отвечать ГОСТ 12.2.007.0-75.

1.4.6.4 Общие требования по обеспечению пожарной безопасности в помещениях согласно ГОСТ 12.1.004-85.

1.4.6.5 Конструкция прибора должна исключать возможность неверного присоединения его токоведущих частей.

1.4.6.6 В качестве основного источника питания должна выступать промышленная сеть переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220В, в качестве альтернативного источника питания – источник бесперебойного питания, со временем автономной работы не менее 20 мин.

1.4.6.7 Штекера и разъёмы электрических цепей должны иметь надписи, которые отвечают их назначению.

1.4.6.8 Конструкция прибора должна исключать возможность попадания в корпус посторонних вещей.

1.4.6.9 В документации по эксплуатации и требованиям по технике безопасности должны быть соблюдены правила технической эксплуатации электромонтажа, и правила безопасной эксплуатации.

1.4.7 Эстетические и эргономические требования.

1.4.7.1 Изделие по своим эргономичным показателям должно обеспечивать удобство при монтаже и эксплуатации.

1.4.8 Требования к патентной чистоте.

1.4.8.1 Патентная чистота должна быть обеспечена.

1.4.9 Требования к составным частям изделия: сырья, исходным и эксплуатационным материалам.

1.4.9.1 Покупные изделия и материалы применяются без ограничений.

1.4.10 Условия эксплуатации (использование), требования к техническому обслуживанию и ремонту.

1.4.10.1 Изделие должно быть изготовлено для климатического условия УХЛ4.2. согласно ГОСТ 15150-69.

Значение температуры воздуха при эксплуатации:

Рабочие:

верхнее значение +35;

нижнее значение +10;

среднее значение +20.

Предельные:

верхнее значение +45;

нижнее значение +10.

Относительная влажность:

Среднее значение в наиболее теплый и влажной период, длительность действия.

65% при 20 С° длительность действия 12 месяцев;

Верхнее значение 85% при 25 С°.

Атмосферное давление:

атмосферное давление 84.0.106.7 кПа. (630 – 800 мм рт.ст.)

1.4.11 Требования к маркировке и упаковке.

1.4.11.1 Маркировки изделия должно отвечать требованиям

ГОСТ 21552-84.

1.4.11.2 Маркировку на корпусе выполнить методом теснения. Качество выполненной маркировки должно обеспечивать четкое изображение на весь срок службы изделия.

1.4.11.3 В содержании маркировки изделия должно быть:

наименование предприятия производителя или товарный знак;

полное товарное наименование согласно ГОСТ 21552-84;

порядковый номер изделия и составных частей;

объяснительные и предупреждающие надписи;

дата изготовления.

1.4.11.4 Упаковка должна быть выполнена в виде картонной коробки.

1.4.11.5 На таре должны быть нанесены значки: «Беречь от сырости», «Придерживаться интервала температур».

1.4.11.6 Упаковка должна обеспечить целостность изделия при работах по загрузке – разгрузке, транспортировке, сохранению и защиту при внешних воздействиях.

1.4.11.7 Каждое изделие в упаковке должно фиксироваться в транспортировочной таре.

1.4.11.8 Если изделие будет экспортироваться, все надписи выполняются на договоренном языке, который оговаривается в договоре.

1.4.12 Требования к транспортировке и сохранению.

1.4.12.1 Упакованные изделия транспортируются исключительно в закрытом транспорте.

1.4.12.2 Требования к виду транспорта не предъявляются.

1.4.12.3 Условия сохранения изделия в таре должны отвечать следующим требованиям:

температура окружающей среды ±50С°;

относительная влажность воздуха при +35С° 98%;

среднемесячное значение в наиболее теплый и влажной период, длительность влияния 80% при 27 С° 12 месяцев.

Тип помещения: закрытое или другое помещение с природной вентиляцией без применения искусственной регуляции климатических условий, где колебание температуры и влажности воздуха значительно меньше, чем на открытом воздухе.

1.4.12.4 Размещение и крепление упакованных изделий в транспортных средствах должно обеспечить их стойкое положение, исключить возможность падений и ударов.

1.4.12.5 В помещении для хранения изделия не должно быть агрессивных примесей (пара, щелочи, кислот и т.д.) которые вызывают коррозию.

1.4.12.6 Расстояние между стенами, полом и изделием должно быть не меньше 100мм, а между обогревающими устройствами не менее 0.5м.

1.5 Экономические показатели.

1.5.1 Ожидаемый годовой выпуск штук.

1.6 Стадии и этапы разработки.

1.6.1 Техническое предложение.

1.6.2 Эскизный проект.

1.6.3 Технический проект.

1.7 Порядок контроля и приема.

1.7.1 Изделие должно быть проверено и принято отделом технического контроля предприятия производителя.

1.7.2 Для приема предъявляются следующие документы:

техническое задание;

комплект конструкторской документации;

ведомость покупных изделий;

программа и методика проведения испытаний;

эксплуатационные документы;

методика проверки.

1.7.3 В случае несоответствия основных параметров блока, его отправляют в ремонт. После ремонта проводят перепроверку и настройку.

1.7.4 Все проверки за исключением оговоренных, проводить в климатических условиях которые оговорены в ТЗ.

2. Анализ ТЗ.

Блок питания (БП) системных модулей IBM PC XT/AT предназначен для преобразования входного переменного напряжения сети в выходные постоянные напряжения, которые обеспечивают работу всех других узлов и блоков компьютера.

БП для компьютеров конструируются по безтрансформаторной схеме подключения к сети, и представляет собой импульсные БП, которые характеризуются большим значением КПД (более 70%), незначительным весом и небольшими габаритами.

Имея столько преимуществ, импульсный БП является источником импульсных помех и это предъявляет к его схеме много требований по электромагнитной совместимости с остальными узлами компьютера, а также с другими электронными приборами. Кроме этого в безтрансформаторных ИБП нет гальванической развязки схемы с сетью, что требует специальных мер при его ремонте.

Большая часть элементов ИБП работает с током высокой частоты (~60кГц), это приводит к нагреванию элементов, поэтому является важным обеспечение теплового режима. К элементам, которые нагреваются, относятся: импульсные транзисторы в силовом каскаде, импульсный силовой трансформатор, импульсные (высокочастотные) силовые диоды в исходных цепях, интегральные стабилизаторы напряжения, дроссель групповой стабилизации.

Учитывая выше указанные особенности ИБП компьютера, а также требования ТЗ, нужно принять решение по обеспечению всех норм.

Для обеспечения электромагнитной совместимости электрическая схема ИБП всегда размещается в металлическом корпусе, который служит электромагнитным экраном. Такое оформление БП является одной из мер по снижению уровня образования помех. Другая помеха, которая является опасной как для работы компьютера, так и для других электрических приборов представляет собой кондуктивная помеха. Источником кондуктивной помехи может быть как любой внешний прибор (устройство) так и сам ИБП. Часто внешним источником является аппаратура электрической сварки, электродвигатели, медицинская аппаратура и тк.д. В ИБП источником кондуктивной помехи является режим работы силовых транзисторов - инвертирования, выпрямляющих и коммутирующих диодов. Для борьбы с кондуктивной помехой нужно применить помехоустраняющие фильтры, и другие схемотехнические средства борьбы.

Для обеспечения теплового режима, элементы, которые сильно нагреваются необходимо оборудовать радиаторами, а к элементам, для которых невозможно применение радиаторов, необходимо применить принудительное охлаждение.

В качестве принудительного охлаждения в системах обеспечения теплового режима (СОТР) в радио- конструировании широко применяются вентиляторы. Наиболее эффективной системой охлаждения при применении вентиляторов является система принудительного охлаждения воздухом путем продува.

Применение вентиляторов имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам можно отнести возможность уменьшить размеры радиаторов, а также искусственно поддерживать температуру в корпусе на заданном уровне. К недостаткам шумовой фон, который создает вентилятор при работе. Поэтому имеет место проблема снижения уровня шума изделия.

Для принудительного охлаждения применение вентиляторов с двигателем коллекторного типа является невозможными, потому что он, во-первых, является источником электромагнитных помех, во-вторых, требует систематического ремонта, связанного с механическим изнашиванием щеточек. Поэтому нужно применять вентиляторы, выполненные в безколекторном варианте.

Важным моментом при конструировании печатной платы БП, с точки зрения обеспечения теплового режима имеется оптимальное размещение элементов исходя из ограничений, которые накладывает схемотехника ИБП. Поэтому при трассировке платы и конструировании корпуса ИБП, элементы, которые отдают большое количество мощности в виде тепла, нужно размещать вдоль потока воздуха.

Для обеспечения конструктивных мер технической безопасности, нужно применить трех-штыревой стандартный вход (вилка) для подачи напряжения сети при помощи трехжильного шнура с трех- контактной розеткой на ИБП и двух штыревую вилку на конце, которую включают в сеть (вилка имеет третий контакт который позволяет осуществить защитное зануление). На отверстия под установку вентилятора установить защитные сетки, которые предотвращают попадание посторонних предметов в середину ИБП. Для защиты проводников от повреждения изоляции нужно применить защитное пластиковое кольцо.

Для обеспечения высокого уровня надежности, качества, минимальной себестоимости и ремонтноспособности нужно применить новую элементную базу и материалы, которые широко распространены на рынке Украины.

3 Описание схемы электрической принципиальной.

Разрабатываемый ИБП построен на микросхеме TL494. Схемотехнические варианты построения ИБП на основе управляющей микросхемы TL494 отличаются незначительно. В таких ИБП неизменными остаются:

- способ построения силового каскада (двухтактная полумостовая схема);

- управляющая микросхема с некоторыми навесными элементами;

- согласующий каскад с развязывающим и управляющим трансформатором;

- способ получения выходных напряжений и их стабилизация.

Важным является и то обстоятельство, что у всех таких ИБП неизменным остается и общая архитектура построения всей схемы ИБП в целом. Этот базовый принцип заключается в том, что на первичной, гальванически не развязанной от сети стороне, размещается только силовой каскад (мощная полумостовая схема инвертирования), а вся другая часть схемы, в том числе и управляющая микросхема TL494, находится на вторичной стороне, которая гальванически развязана от сети. Граница развязки проходит через развязывающие трансформаторы:

- управляющий;

- силовой импульсный.

3.1 Входные цепи.

Эта часть схемы практически не отличается для всех разновидностей ИБП и включает в себя следующие основные элементы:

- входной стандартный трёхштырьковый разъем;

- плавкий предохранитель;

- ограничивающий терморезистор;

- входной помехопоглощающий фильтр;

- схему выпрямления напряжения сети;

- сглаживающий емкостной фильтр.

Переменное напряжение сети подается через выключатель сети, предохранитель (номиналом 5А), терморезистор (TR) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и помехопоглощающий фильтр на мостовую схему выпрямителя. Выпрямленное напряжение сети сглаживается конденсаторами С5, С6. На шине выпрямленного напряжения появляется постоянное напряжение +310В относительно общего провода первичной стороны.

Терморезистор предназначен для ограничения скачка зарядного тока через конденсаторы в момент включения ИБП. В холодном состоянии сопротивление TR составляет несколько Ом, ток сквозь диодный мост ограничивается безопасным уровнем. В результате протекания тока сквозь TR он нагревается и его сопротивление составляет доли Ом, что в дальнейшем не влияет на работу ИБП.

Сетевой плавкий предохранитель предназначен для защиты сети от перегрузок при возможных КЗ в первичной цепи ИБП, и защищает схему самого ИБП от внутренних перегрузок и КЗ.

Входной помехопоглощающий фильтр имеет свойство ликвидации помех в двух направлениях, то есть предотвращает проникание высокочастотных импульсных помех из сети в ИБП, и наоборот – из ИБП в сеть.

Параллельно конденсаторам С5, С6 включены высокоомные сопротивления R2, R3 номиналом 200 кОм, через которые С5, С6 разряжаются при выключении ИБП. Кроме этого эти сопротивления выравнивают напряжение на С5, С6 (для симметрии работы схемы).

3.2 Силовой каскад.

Силовой каскад построен по двухтактной полумостовой схеме. Транзисторы VT1, VT2 – ключевые силовые транзисторы, которые при работе БП отпираются по очереди. Управляющее напряжение, которое подается на базы этих транзисторов построено таким образом, чтобы всегда была “мертвая зона”, когда оба транзисторов закрыты. Этим предупреждаются сквозные токи через транзисторы VT1, VT2.

Электродвижущая сила (ЕДС) на вторичных обмотках управляющего трансформатора в первый момент после включения еще отсутствует. Поэтому, чтобы низкоомное сопротивление обмоток не шунтировало управляющие переходы база-эмиттер силовых ключей, приходится применять в схеме развязывающие диоды VD5, VD6.

Диоды VD7, VD8 предназначены для создания пути протекания тока рекуперации (частичное возвращение энергии, которая была накоплена в индуктивности рассеивания трансформатора источника питания), который протекает по цепи: T1-C7-C6-VD8-T1 для диода VD8 и T1-C7-C5-VD7-T1 для диода VD7.

Цепь из элементов C10, R10 включена параллельно первичной обмотке импульсного силового трансформатора, демпфирует паразитные высокочастотные колебания, которые возникают в паразитном колебательном контуре, который состоит из индуктивности рассеивания первичной обмотки Т1 и межвитковой емкости, в момент закрытия транзисторов VT1, VT2. При этом C10 увеличивает общую емкость паразитной цепи, понижая, таким образом, частоту паразитного колебательного процесса. R9 уменьшает добротность этого контура, что способствует быстрому затуханию колебаний.

Конденсатор C7, предотвращает протекание возможной постоянной составляющей тока через первичную обмотку импульсного высокочастотного трансформатора. Поэтому является элементом, который предотвращает подмагничивание сердечника трансформатора.

Конденсаторы C8, C9 выполняют функцию форсирующих емкостей и убыстряют процесс переключения силового транзистора. Это происходит следующим образом. При появлении отпирающего импульса на обмотке разряженный конденсатор С8 обеспечивает подачу в базу VT1 входного отпирающего тока с крутым фронтом, который превышает его установленное значение. Поэтому начальный импульс через С8, обеспечивает ускоренное отпирание VT1. Когда С8 зарядиться до уровня ЕДС, которая действует на обмотке управляющего трансформатора, ток через него перестанет протекать, и в дальнейшем базовый ток VT1 пойдет через VD5, R4, R8. При исчезновении ЕДС на обмотке управляющего трансформатора напряжение конденсатора С8 прикладывается к эмиттерному переходу транзистора VT1 в запирающей полярности и, форсировано его закрывает, надежно поддерживая его в закрытом состоянии до конца “мертвой зоны”. Аналогично для конденсатора С9.

3.3 Выходные цепи.

Способ получения выходных напряжений одинаковый почти во всех схемах. Основной (общий) способ заключается в выпрямлении и сглаживании импульсных ЕДС с вторичных обмоток импульсного силового трансформатора. При этом выпрямление во всех двухтактных схемах осуществляется по двухполупериодной схеме со средней точкой. Этим обеспечивается симметричный режим перемагничивания сердечника импульсного трансформатора, так как через вторичные обмотки протекает только переменный ток и, соответственно, отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника, что неминуемо в однополупериодных схемах выпрямление, где ток протекает через вторичную обмотку трансформатора только в одном направлении.

Так как все схемы реализованы приблизительно одинаково, будет достаточно рассмотреть и описать работу одной схемы (+12В).

Когда сквозь первичную обмотку 1-2 силового трансформатора Т1 протекает линейно нарастающий ток, на вторичной обмотке 3-4 действует ЕДС постоянного уровня. Полярность ЕДС такая, что на выводе 3 присутствует позитивный потенциал ЕДС относительно корпуса. На выводе 4 этот потенциал будет негативным. Поэтому линейно нарастающий ток протекает по цепи: 3 T1-верхний диод в диодной сборке VD9 – обмотка W1 дроссель групповой стабилизации L5 – дроссель L6 – конденсатор С12 – корпус 7 Т1.

Нижний диод сборки на этом интервале закрыт негативным напряжением на аноде, и ток сквозь него не протекает.

Кроме подзарядки конденсатора С12 происходит передача энергии на выход канала (поддерживается ток нагрузки). На этом же интервале времени в сердечнике дросселей L5 и L6, накапливается магнитная энергия.

Дальше ток через первичную обмотку силового трансформатора прекращается как результат закрытия силового транзистора. ЕДС на вторичных обмотках исчезает. Продолжается “мертвая зона”. На этом интервале энергия, сбереженная в дросселях L5, L6 передается в конденсатор С12 и в нагрузку.

Этот ток - линейно спадающий во времени. Дальше открывается второй силовой транзистор и через первичную обмотку Т1 начинает протекать линейно нарастающий ток обратного направления. Поэтому полярность ЕДС на вторичных обмотках будет обратной: на выводе 4 позитивный, на выводе 3 негативный относительно корпуса. Поэтому на этом интервале проводником будет нижний диод в диодной сборке VD9, а ее верхний диод будет закрытым. Ток через обмотку W1, L5 и L6 опять будет линейно нарастающим и подзарядит конденсатор С12, и также будет поддерживать ток в нагрузке. Резистор R12 предназначен для быстрой разрядки конденсатора C12 и других вспомогательных емкостей после выключения ИБП для приведения всей схемы БП в первичное состояние.

Реализация канала в +3.3В кое-где отличается от реализации других каналов. Для получения напряжения в +3.3В используется обмотка на 5В, напряжение из которой преобразуется на микросхеме TL431C с навесными элементами: R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, VD14, C17, C18, VT3.

3.4 Стабилизация выходных напряжений ИБП.

Схема стабилизации выходных напряжений в ИБП представляет собой замкнутую петлю автоматической регуляции. Эта петля включает в себя:

- схему управления;

- согласующий предусилительный каскад;

- управляющий трансформатор;

- силовой каскад;

- силовой импульсный трансформатор;

- выпрямляющий блок;

- дроссель межканальной связи;

- блок фильтров;

- делитель напряжения обратной связи;

- делитель опорного напряжения.

В составе схемы управления имеются следующие функциональные узлы:

- усилитель сигнала рассогласования с кругом коррекции;

- ШИМ – компаратор;

- генератор пилообразного напряжения;

- источник опорного стабилизированного напряжения.

В процессе работы усилитель сигнала рассогласования сравнивает входной сигнал делителя напряжения с опорным напряжением делителя. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор, который руководит оконечным каскадом усилителя мощности, в который, в свою очередь, подает модулируемый управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя через управляющий трансформатор Т2. Питание силового трансформатора осуществляется по безтрансформаторной схеме. Переменное напряжение сети выпрямляется сетевым выпрямителем и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением и потом осуществляется усиление полученной разницы (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно–импульсный модулятор превращает аналоговый сигнал управления в широтно–модулируемый сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса.

Схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, который поступает из выхода усилителя сигнала рассогласования с пилообразным напряжением, которое получают из специального генератора.

Динамика процесса стабилизации следующая.

Пусть под действием какого-то дестабилизирующего фактора выходное напряжение в канале +5В уменьшилось. Тогда уменьшится уровень сигнала обратной связи на неинвертирующий вход усилителя ошибки. Соответственно, выходное напряжение усилителя уменьшится. Поэтому увеличится ширина выходных импульсов микросхемы на выводах 8 и 11. То есть увеличится время открытого состояния за период силовых ключевых транзисторов инвертирования. Соответственно, больше чем раньше, часть периода в сердечнике трансформатора будет существовать нарастающий магнитный поток, а значит, дольше, чем раньше, на вторичных обмотках этого трансформатору будут действовать приведенные этим потоком ЕДС. Поэтому увеличивается постоянная составляющая, которая выделяется сглаживающим фильтром из импульсной последовательности после выпрямления, то есть исходное напряжение канала +5В увеличится, возвращаясь к номинальному значению.

При увеличении выходного напряжения +5В процессы будут обратными.

Стабилизация выходных напряжений других каналов осуществляется путем групповой стабилизации. Для этого в схему блока включается специальный элемент межканальной связи, в качестве которого обычно используют высокообмоточный дроссель.

При этом изменение любого выходного напряжения приводит, благодаря электромагнитной связи между обмотками дросселя групповой стабилизации, к соответствующему изменению выходного напряжения +5В с последующим включением механизма ШИМ. Дроссель групповой стабилизации представляет собой пять обмоток (по одной обмотке в каждом выходном канале БП), намотанных на один ферритовый сердечник и которые включены синфазно. В этом случае дроссель в схеме выполняет две функции:

функцию приглаживания пульсаций выпрямленного напряжения – при этом каждая обмотка для своего канала представляет сглаживающий дроссель фильтра и работает как обычный дроссель;

функцию межканальной связи при групповой стабилизации – при этом благодаря электромагнитной связи через сердечник дроссель работает как трансформатор, который передает величину изменения токов, которые протекают через обмотки каналов +12В, -12В, -5В, +3.3В в обмотку +5В.

Такое построение гарантирует обеспечение устойчивой работы ИБП, что является необходимым условием его нормального функционирования.

3.5 Схема выработки сигнала PG (Power Good).

Наличие сигнала PG является обязательным для любого блока питания, который отвечает стандарту IBM.

Схема выработки сигнала PG имеет две функции:

первая функция – это задержка появления сигнала PG высокого уровня при включении ИБП, который позволяет запуск;

вторая функция – это функция преждевременного перехода сигнала PG в неактивный низкий уровень, который запрещает работу процессора при выключении ИБП, а также в случаях возникновения разнообразного рода аварийных обстоятельств, прежде чем начнет уменьшаться напряжение которое питает цифровую часть системного модуля.

В качестве базового элемента при построении схемы использована микросхема типа LM393. Микросхема представляет собой компаратор напряжений.

Расчет работоспособности схемы.

Работа импульсного источника питания достаточно весомо зависит от того, на сколько точно выполнен расчет трансформатора. Даже небольшое отклонение его параметров от оптимальных для конкретного источника питания может привести к уменьшению КПД и ухудшению характеристик. Учитывая важность этого элемента схемы, рассчитаем его параметры.

Расчет.

1. Определим мощность, которую использует трансформатор.

,

где - мощность, которую потребляет нагрузка ().

2. Зададимся габаритной мощностью , чтобы подобрать магнитный сердечник для трансформатора. Магнитный сердечник подбираем исходя из условия .

,

где - площадь пересечения магнитного сердечника;

- площадь окна магнитного сердечника;

- минимальная рабочая частота();

- магнитная индукция в магнитном сердечнике ();

- коэффициент заполнения окна проводом ();

Выбираем из справочника сердечник М2000 НН.

3. Определим напряжение на первичной обмотке, которое для схемы с полумостовым инвертором составляет 310В.

4. Определим количество витков первичной обмотки.

5. Найдем максимальный ток первичной обмотки и диаметр провода.

6. Определим количество витков исходной обмотки и диаметр провода.

4. Разработка конструкции прибора.

Для разработки модели возможной конструкции БП нужно объективно проанализировать все исходные данные, выделить среди них наиболее важные, которые имеют наибольшее влияние на надежность и стабильность Работы блока питания и, исходя из этих рассуждений, разработать конструкцию, которая в максимальной мере удовлетворит этим требованиям.

При разработке конструкции БП существуют определенные ограничения в виде стандартов разработанных фирмой IBM:

высота: 86мм;

ширина: 140мм;

длина: 150мм;

место для вывода проводников;

место для сетевых разъемов;

место для выключателя.

Поэтому уменьшение габаритов, или изменение места размещения органов управления, входу/выходу блока является невозможным. Это в свою очередь налагает определенные ограничения на оформление печатной платы (ПП).

Известно, что КПД радиоэлементов небольшой, поэтому часть энергии выделяется в качестве тепла, которое в свою очередь необходимо отводить из корпуса. Также стоит отметить, что БП работает в составе системного блока, и он должен отводить нагретый воздух от центрального процессора и других элементов, которые находятся в середине корпуса системного блока и также выделяют тепловую энергию. Это условие ставит важную задачу по обеспечению надежной работы БП – обеспечению теплового режима.

Учитывая то, что ИБП является источником импульсных помех, необходимо обеспечить электромагнитное экранирование схемы БП.

И самой главной задачей на этапе конструирования, для обеспечения конкурентоспособности изделия, достижение низкой себестоимости разрабатываемой конструкции, при одновременном сохранении всех показателей.

Исходя из вышеуказанных рассуждений можно составить список требований, в порядке уменьшения важности, которых нужно придерживаться при конструировании компьютерного ИБП:

обеспечение электрической безопасности при эксплуатации;

обеспечение теплового режима;

обеспечение электромагнитной совместимости;

обеспечение низкого уровня шума;

обеспечение технологичности;

обеспечение ремонтопригодности;

обеспечение низкой себестоимости.

Разработаем три варианта конструкции.

Конструкция №1 представляет собой блок, в котором применен один вентилятор размером 80мм работающий на выдув воздуха из корпуса блока питания. Корпус блока питания имеет перфорации. Эта конструкция имеет следующие особенности. Во-первых, с целью достаточного охлаждения элементов, в расчете на количество воздуха, которое должен вентилятор прокачать сквозь корпус, необходимо использовать вентилятор с повышенным количеством оборотов, у которого лопасти согнуты под большим углом. Во-вторых, нужно применить перфорированные отверстия.

К положительным характеристикам такой конструкции можно отнести:

- простота выполнения;

- технологичность;

- обеспечение низкой стоимости;

- меньший коэффициент заполнения корпуса.

К отрицательным характеристикам относится:

- меньшая надежность (в случае выхода из строя вентилятора, возможный выход из строя значительной части блока питания);

- хуже обеспечение теплового режима, чем в системах с вдуванием воздуха;

- плохая электромагнитная защита схемы компьютера, который является чувствительным к влиянию электромагнитных полей. Причиной является использование перфорированных отверстий;

- высокий уровень шума (вентилятор на высоких оборотах создает значительный шумы).

Конструкция №2 представляет собой блок, в котором применен один вентилятор размером 120 мм, который работает на вдув воздуха в корпус блока питания. Корпус блока питания имеет перфорацию, на тыльной стороне корпуса.

Эта конструкция имеет следующие особенности. Во-первых, с целью достаточного охлаждения элементов БП, в расчете на объем воздуха, который вентилятор должен прокачать сквозь корпус, применен вентилятор больших габаритов с малым количеством оборотов, у которого лопасти согнуты под маленьким углом. Во-вторых, нужно применить перфорированные отверстия для отвода воздуха.

К положительным качествам такой конструкции можно отнести:

- простота выполнения;

- технологичность;

- очень низкий уровень шума (из-за пониженных оборотов вентилятора);

- обеспечение высокого уровня теплового режима за счет направления потока воздуха на все элементы схемы;

- меньший коэффициент заполнения корпуса.

- хороший уровень электромагнитной защиты;

К негативным качествам такой конструкции можно отнести:

- меньшая надежность (в случае выхода из строя вентилятора, возможный выход из строя значительной части блока питания);

- большая стоимость (вентилятор размером 120мм стоит больше вентилятора размером в 80мм).

Конструкция №3 представляет собой блок, в котором применено два вентилятора размером 80 мм, один из которых работает на вдув, а второй на выдув воздуха из корпуса блока питания. Корпус блока питания не имеет перфорированных отверстий.

Эта конструкция имеет следующие особенности. С целью достаточного охлаждения элементов, которые сильно нагреваются, в расчете на объем воздуха, который необходимо прокачать сквозь корпус, применено два вентилятора размером 80мм с малым количеством оборотов, один из которых направляет холодный воздух на элементы, а второй отводит нагретый воздух. За счет использования двух вентиляторов нет потребности применять перфорированные отверстия для отвода нагретого воздуха.

К позитивным качествам такой конструкции можно отнести:

- очень низкий уровень шума (небольшое количество оборотов двух вентиляторов при одинаковом количестве воздуха которое проводится);

- обеспечение высокого уровня теплового режима за счет направления потока воздуха на элементы схемы, которые нагреваются;

- высокий уровень электромагнитной защиты за счет отсутствия перфорированных отверстий;

- большая надежность (в случае выхода из строя одного вентилятора, второй будет продолжать охлаждение);

- низкая себестоимость (два вентилятора с малым количеством оборотов размером 80мм стоят дешевле одного размером 120мм, или одного высокооборотного размером 80мм);

К негативным качествам такой конструкции можно отнести:

- больший коэффициент заполнения корпуса.

- меньшая технологичность.

Вывод: Учитывая все преимущества и недостатки представленных конструкций, наибольшую оптимальной и надежной имеется конструкция №3, поэтому выбираем именно этот вариант.

5. Обоснование выбора элементной базы и материалов конструкции.

5.1 Обоснование выбора элементной базы.

Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом изложенных в ТЗ условий и требований. Эксплуатационная надежность элементной базы в основном определяется правильным выбором типа элементов при проектировании и при использовании в режимах, которые не превышают предельно допустимые.

Для правильного выбора типа элементов необходимо на основе требований по установке в частности климатических, механических и др. влияний проанализировать условия работы каждого элемента и определить:

эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, атмосферное давление, механические нагрузки и др.);

значения параметров и их разрешенные изменения в процессе эксплуатации (номинальное значение, допуск, сопротивление изоляции, шумы, вид функциональной характеристики и др.);

разрешенные режимы и рабочие электрические нагрузки (мощность, напряжение, частота, параметры импульсного режима и др.);

показатели надежности, долговечности и срока сохранения.

Критерием выбора в устройстве электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ, заданных условиями работы и эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ является:

технические параметры:

номинальное значение параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схемы прибора;

допустимые отклонения величины ЭРЭ от их номинального значения;

допустимое рабочее напряжение ЭРЭ;

допустимая мощность рассеивания ЭРЭ;

диапазон рабочих частот ЭРЭ;

коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

эксплуатационные параметры:

диапазон рабочих температур;

относительная влажность воздуха;

атмосферное давление;

вибрационные нагрузки;

другие показатели.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ является:

унификация ЭРЭ;

масса и габариты ЭРЭ;

наименьшая стоимость.

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации ЭРЭ при конструировании изделия позволяет получить следующие преимущества:

значительно уменьшить сроки и стоимость проектирования;

сократить на предприятии номенклатуру примененных деталей и сборочных единиц;

увеличить масштабы производства;

исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта схемы, то есть упростить подготовку производства;

создать специализированное производство стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятия;

улучшить эксплуатационную и производственную технологичность;

снизить себестоимость выпуска проектируемого изделия.

Учитывая сказанное, сделаем выбор элементной базы для разрабатываемого БП.

В устройстве применены:

- микросхемы TL494, LM393N, L7805, TL431;

- резисторы;

- терморезистор NTC;

- конденсаторы;

- транзисторы 2SC4242, 2SA1015, 2SC945, A733, C3457;

- диоды 1N414B, FR155;

- стабилитрон 9V;

- диодные сборки CTX128, D89-004, F10P048;

- трансформаторы;

- дроссели;

- плавкий предохранитель 5A.

Проведем сравнительный анализ, вышеуказанных элементов с их аналогами, диапазон эксплуатационных характеристик которых отвечает требованиям ТЗ. За цель ставим выбор ЭРЭ наиболее дешевых, распространенных, которые поставляются многими организациями – поставщиками электронных компонентов, при условии соблюдения принципа наименьших габаритов и размеров.

5.1.1 Выбор микросхем.

5.1.1.1 Выбор управляющей микросхемы.

В схеме, в качестве управляющей микросхемы, применена микросхема TL494, которую выпускает фирма TEXAS INSTRUMENT (США). Ее полным аналогом, как по электрическим параметрам, так и по эксплуатационным имеются микросхемы:

IR3M02 SHARP (Япония);

uA494 FAIRCHILD (США);

KA7500 SAMSUNG (Корея);

MB3759 FUJITSU (Япония).

Среди представленных микросхем наименьшую стоимость, широкую распространенность имеет KA7500 SAMSUNG (Корея). Поэтому в качестве управляющей микросхемы выбираем KA7500. При ремонте или замене возможно использование любой микросхемы перечисленной выше.

5.1.1.2 Выбор микросхемы - компаратор напряжений.

В схеме компаратором напряжений выбрана микросхема LM393. Ее полным аналогом, как по электрическим параметрам, так и по эксплуатационным являются микросхемы: HA17393, BA10393, C393C, К1401СА1.

Среди указанных микросхем, LM393 производства фирмы PHILIPS, наиболее широко представлена на рынке Украины и имеет самую низкую стоимость.

5.1.1.3 Выбор микросхем стабилизаторов напряжений.

В качестве стабилизатора напряжения на +5В применена микросхема L7805, ее полным аналогом является КР142ЕН5А отечественного производства. Микросхемы имеют приблизительно одинаковую стоимость. Ток стабилизации в КР142ЕН5А больше чем в L7805. По масса-габаритному показателю L7805 меньше чем КР142ЕН5А. Учитывая электрические параметры и габаритные выбираем L7805.

5.1.1.4 Выбор микросхему усилителя ошибки.

В схеме для усиления ошибки применена микросхема TL431C. Ее полным аналогом являются микросхемы AN1431T, TA76431S. Среди аналогов TL431C имеет самую низкую стоимость, поэтому выбираем TL431C.

5.1.2 Выбор резисторов.

При выборе резисторов руководствуемся такими характеристиками как электрическое сопротивление и стоимость.

Для выбора типа постоянных резисторов воспользуемся сравнительной таблицей, в который вынесены несколько основных параметров.

Исходя из выше указанных требований выбираем металлопленочные резисторы типа С2-22. Они имеют параметры, которые нам наиболее подходят.

5.1.3 Выбор конденсаторов.

При выборе электролитических конденсаторов главным образом руководствуемся такими характеристиками как габариты и себестоимость.

Учитывая то, что электролитические конденсаторы в электрической схеме есть одними из самых ответственных элементов, при конструировании будут выбраны конденсаторы фирмы PHILIPS – лидера в производстве высоко надежных конденсаторов, которые имеют самые меньшие габариты и низкую стоимость.

Неполярные конденсаторы в схеме не являются критическими элементами и к ним не предъявляются особенные требования. Поэтому при выборе неполярных конденсаторов руководствуемся критерием низкой стоимости, установочного места и габаритами.

5. 1.4 Выбор транзисторов.

5.1.4.1 Выбор силовых транзисторов.

Среди представленных транзисторов выбираем транзистор с минимальной мощностью рассеивания и максимальным током коллектора. По стоимости, транзисторы имеют одинаковую цену, поэтому оптимальным является выбор 2SC3042.

5.1.4.2 Выбор маломощных транзисторов.

Среди рассмотренных маломощных транзисторов выберем 2SC945 и A733, которые наиболее подходят по параметрам и являются дешевле всех.

5.1.5 Выбор диодов.

В схеме в сигнальных цепях использованы низковольтные диоды 1N4148, аналогом которых являются диоды отечественного производства КД521, КД522. За показателем стоимости и распространенности 1N4148 есть лучшим выбором.

В качестве силовых низкочастотных выпрямляющих диодов использован сетевой диодный мост PBL405, аналогами которого является RS405L, PO4051, 1N5408, FL406, КЦ405. Все диодные мосты являются распространенными и имеют приблизительно одинаковую стоимость, первые три среди них имеют преимущество в критерии посадочного места, поэтому выбираем диодный мост PBL405.

В качестве выходных высокочастотных выпрямляющих диодов вторичной стороны использованы FR153, в канале -12В и -5В. Аналогами являются диоды PXPR1002, RS102R, КД208, КД226. По массогабаритным показателям, показателям стоимости и установочными размерами преимущество отдаем RS102R.

В канале +5В использован полумост из двух диодов Шоттки СТВ-34М (аналог D89-004), в канале +12В и +3.3В использованы полумосты из двух кремниевых диодов CTX128 (аналоги CTL22S, C2504, ESAC25-020). Учитывая показатели мощности рассеивания и время восстановления параметров выбираем диодный полумост для канала +5В - D89-004, а в каналах +12В и +3.3В CTX128.

5.2 Выбор материалов конструкции.

Выбор материалов конструкции проводим согласно требованиям, которые изложены в ТЗ.

Материалы конструкции должны иметь следующие свойства:

иметь малую стоимость;

легко обрабатываться;

иметь малый вес;

владеть достаточной жирностью и легкостью;

сохранять свои физико-химические свойства.

Применение унифицированных материалов конструкции, ограничения номенклатуры деталей, которые применяются, позволяет уменьшить себестоимость разрабатываемого устройства, улучшить производственную и эксплуатационную технологичность.

Сохранение физико-химических свойств материалов в процессе их эксплуатации достигается выбором для них необходимого покрытия. При выборе покрытия для материалов конструкции необходимо руководствоваться рекомендациями и требованиями, которые изложены в ГОСТ9.303‑ 84.

Для разрабатываемого устройства, учитывая особенности конструкции и тип выпуска, целесообразно использовать материалы которые поддаются штамповке.

Холодная штамповка относится к наиболее прогрессивным способам изготовления деталей: из листа, выруб, прокалывание, сгибания и др. Целесообразность ее применения определяется рядом условий в первую очередь серийностью выпуска, конфигурацией деталей, механическими свойствами материала, точностью, которая требуется при изготовлении детали.

Так как для получения необходимой объемной формы детали нужно применять операцию сгибания и выруба, то нужно выбирать материал, который поддается пластической деформации, с малой границей текучести и низкой твердостью.

Учитывая специальные требования к прочности прибора, рекомендуется изготовлять кожух и основу прибора из стали толщиной 1.5-2 мм. Исходя из предъявленных требований к материалу корпуса выбираем сталь.

Для изготовления печатных плат в радиотехнике широко применяют такие материалы как гетинакс и стеклотекстолит. Материал для изготовления печатной платы должен иметь следующие показатели:

большую электрическую прочность;

малые диэлектрические потери;

возможность штамповки;

выдерживать кратковременные влияния температуры до +240 С0 в процессе пайки;

иметь высокую влагостойкость;

иметь небольшую стоимость;

иметь стойкость к влиянию химических веществ, которые применяются при изготовлении печатной платы.

Для изготовления плат общего назначения наиболее широко применяется фольгированный стеклотекстолит. Для изготовления печатных плат для ИБП может быть применен фольгированный стеклотекстолит марки СФ-2-50-2.

В таблице сведенные материалы, которые используются при изготовлении ИБП.

6. Расчет конструкции печатной платы.

Исходные данные расчета:

- печатная плата изготовляется химическим методом;

- размер платы 145Х110;

- четвертый класс точности с шагом координатной сетки 1.25;

- печатная плата односторонняя;

- материал печатной платы – СФ-2-50;

- максимальный постоянный ток, что протекает в проводнике ;

Параметры стеклотекстолита:

толщина фольги ;

толщина материала с фольгой ;

допустимая плотность тока ;

удельное сопротивление ;

максимальная длина проводника

Расчет проводится по методике [1].

Минимальная ширина печатного монтажа по постоянному току:

Минимальная ширина проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

Электрорадиоэлементы (ЭРЭ) размещенные на плате имеют три типоразмера диаметров выводов:

;

;

.

Номинальные значения диаметров монтажных отверстий определим по формуле:

,

где - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия

- разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода .

;

;

.

Рассчитаем диаметр контактной площадки.

Минимальный диаметр контактной площадки вокруг монтажного отверстия определим по формуле:

- минимальный эффективный диаметр площадки;

- толщина фольги ;

,

где - расстояние от края высверленного отверстия до края контактной площадки ;

- допуск на расположение отверстий ;

- допуск на расположение контактных площадок ;

- максимальный диаметр пробуравленного отверстия:

;

где - допуск на отверстие ;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Определим максимальный диаметр контактных площадок по формуле:

;

;

.

Определим минимальную ширину проводников:

,

где - минимальная эффективная ширина проводника;

для плат 4-го класса точности

Определим максимальную ширину проводников:

;

.

Определим минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

;

.

;

Определим минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

;

.

Определим минимальное расстояние между двумя проводниками:

;

.

7. Расчет надежности.

За основу расчета надежности взят принцип определения показателя надежности системы по характеристикам надежности комплектующих элементов.

При расчете делается два предположения. Первое, это то, что отказы элементов являются статистически независимыми, что дает относительно реально существующую систему оценки и второе, это то, что систему рассматриваем как последовательную, то есть отказ одного элемента схемы ведет к отказу всей системы.

Расчет надежности выполнен по методике, изложенной в [1].

Исходными данными для расчета служат значения интенсивности отказа всех ЭРЭ и элементов конструкции.

Среднее время наработки на отказ определим по формуле:

,

где,

- количество наименований радиоэлементов и элементов конструкции прибора;

- величина интенсивности отказа j-го радиоэлемента, элемента конструкции с учетом заданных для него условий эксплуатации: коэффициент электрической нагрузки, температуры, влажности, технических нагрузок и т. др.

- количество радиоэлементов, элементов конструкции j-го наименования.

- суммарное значение интенсивности отказов.

№	Тип элемента
1	интегральная микросхема	0.01-2.5	0.35	1.04	1.0	1.2	0.5
2	Полупроводниковые импульсные диоды	0.2-1.0	1.04	1.04	1.0	1.2	0.7
3	Полупроводниковые выпрямительные диоды	0.35-0.9	1.04	1.04	1.0	1.2	0.7
4	Транзисторы средней мощности, высокочастотные	1.3-2.5	0.4	1.04	1.0	1.2	0.5
5	Транзисторы низкой мощности, низкочастотные	0.5-1.2	0.4	1.04	1.0	1.2	0.5
6	Резисторы постоянного сопротивления металлопленочные	0.004-0.4	0.6	1.04	1.0	1.2	0.5
7	Конденсаторы постоянной емкости – керамические	0.04-0.7	1.10	1.04	1.0	1.2	0.7
8	Конденсаторы постоянной емкости металлобумажные	0.003-0.37	1.10	1.04	1.0	1.2	0.7
9	Конденсаторы постоянной емкости металлопленочные	0.003-1.7	1.10	1.04	1.0	1.2	0.7
10	Трансформаторы питания	0.5-7	1.20	1.04	1.0	1.2	0.7
11	Дроссели	0.05-1.0	1.20	1.04	1.0	1.2	0.8
12	Печатная плата	0.1	-	1.04	1.0	1.2	-
13	Монтажные элементы	0.02-0.4	-	1.04	1.0	1.2	-
14	Пайка соединяющая	0.0002-0.04	-	1.04	1.0	1.2	-
15	Провода соединяющие	0.01-0.12	1.04	1.0	1.2	-
16	Предохранитель	0.3-0.8	-	1.04	1.0	1.2	-
17	Корпус	0.03-2.0	-	1.04	1.0	1.2	-
18	Мотор постоянного тока	8-10	-	1.07	1.0	1.2	-

С учетом поправочных коэффициентов определим среднее время наработки на отказ

Определим вероятность безотказной работы по формуле:

.

Полученное значение наработки на отказ больше времени, которое было задано (27000 часов), что гарантирует надежную работу разрабатываемого устройства.

8. Расчет виброустойчивости платы.

Все радиоэлектронные средства (РЭС) поддаются воздействию внешних механических нагрузок, которые передаются к каждой детали, которая входит в конструкцию. Механическое влияние на разрабатываемое устройство имеет место при его транспортировке в нерабочем состоянии. Поэтому важным является определить или достаточна ли прочность разрабатываемого устройства и может ли конструкция выдержать механические нагрузки при транспортировке.

Так как разрабатываемое устройство относится к наземной РЭС, то при транспортировке, случайных падениях и т. и др. он может поддаваться динамическим воздействиям. Смена общих параметров механических воздействий которым поддается наземная РЭС являются следующие:

вибрации: (10…70)Гц.;

виброперегрузки: ;

удары, тряска:, длительность ;

линейные перегрузки .

Розрахунок на виброустойчиовсть несущей конструкции сводится к определению наибольшего напряжения исходя из вида деформации, которая вызвана действием вибрации в определенном диапазоне частот, и сравнением полученного значение с допустимым.

Расчет частоты колебаний сделаем по методу, изложенному в [2].

Собственная частота колебаний равномерно нагруженной пластины (печатной платы) определяется по формуле:

, где

- поправочный коэффициент для материала;

- поправочный коэффициент для ЭРЭ, равномерно распределенных на печатной плате;

- длинна печатной платы.

, где

- вес элементов равномерно распределенных на печатной плате;

- вес печатной платы.

Определим вес печатной платы:

, где

- плотность стеклотекстолита,

- длинна печатной платы;

- ширина печатной платы;

- высота печатной платы.

Рассчитаем поправочный коэффициент :

, де

- модуль мощности и плотности материала, который применяется;

- модуль упругости и плотности стали.

;

.

Из расчета можно сделать вывод, что плата ИБП не требует использования демпферов и частотной настройки, и она должна выдерживать внешнее механическое воздействие при транспортировке.

9 Расчет теплового режима ИБП.

Расчет теплового режима прибора с принудительным охлаждением воздухом, выполнен по методике изложенной в [3].

Исходные данные:

Мощность рассеиваний в блоке ;

Размеры корпуса блока перпендикулярные к направлению продува ;

Размеры корпуса блока в направлении продува ;

Коэффициент заполнения блока ;

Температура охлаждающего воздуха на входе ;()

Массо-расходы воздуха ;

1. Определим средний перегрев воздуха в блоке за формулой:

;

2. Определим площадь поперечного в направлении продува пересечения корпуса блока по формуле:

;

3. Определим коэффициент по графику [3; рис.4.15; стр. 174];

4. Определим коэффициент по графику [3 ; рис.4.16; стр. 174];

5. Определим коэффициент по графику [3 ; рис.4.17; стр. 174];

6. Определим коэффициент по графику [3 ; рис.4.18; стр. 175];

7. Рассчитаем перегрев нагретой зоны за формулой:

;

8. Рассчитаем условную поверхность нагретой зоны по формуле:

;

9. Рассчитаем удельную мощность нагретой зоны по формуле:

;

10. Определим температуру нагретой зоны по формуле:

;()

11. Определим среднюю температуру в блоке:

;()

12. Определим температуру воздуха на выходе из блока:

()

Проанализировав полученные результаты, делаем вывод, что при заданных условиях эксплуатации разрабатываемого устройства обеспечивается нормальный тепловой режим радиоэлементов, которые мы применили, то есть рабочие температуры не превышают предельно допустимые нормы.

Таким образом, конструкция корпуса с принудительным охлаждением воздухом не нуждается в изменении конструкции.

10 Охрана труда и окружающей среды.

Целью этого раздела дипломной работы является определение вредных и опасных производственных факторов при разработке, наладке и эксплуатации устройства, а также разработка мероприятий, которые направлены на создание условий труда, которые отвечают требованиям норм и стандартов по охране труда и технике безопасности.

Особенное внимание будет направленно на факторы, которые могут подействовать на работоспособность и безопасность монтажника и наладчика отдельных блоков и всего аппарата вместе. Это связано с тем, что при выполнении этих работ необходимо выполнять пайку, измерение режима работы схемы, наладку, контроль и т.д.

10.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов.

К основным вредным и опасным факторам, что влияют на работников, которые задействованы на производстве РЭС, относят:

Повышенные уровни электромагнитного поля (уровни излучений должны отвечать ГОСТ 12.1.006-84);

Недостаточная освещенность рабочей зоны (условия освещенности производственных помещений должны удовлетворять нормам, отмеченным в СНиП ИИ-4-79/85);

Опасность поражения электрическим током;

Неудовлетворительные параметры микроклимата рабочей зоны (величины показателей микроклимата в производственных помещениях должны удовлетворять нормам, отмеченным в ГОСТ 12.1.005-88 и ДСН 3.3.6.042-99);

Содержание (в воздухе рабочей зоны) вредных веществ разного характера в опасных концентрациях, что превышают предельно допустимые (ГДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны должна удовлетворять нормам, отмеченным в ГОСТ 12.1.005-88 и ГОСТ 12.1.007-80, для аэрозоля свинца см. п. 1.1.2);

Повышенный уровень шума на рабочем месте (допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах стоит принимать соответственно санитарным нормам допустимых уровней шума на рабочих местах ДСН 3.3.6.037-99);

Повышенная напряженность электрического поля промышленной частоты на рабочем месте (напряженность электрических полей промышленной частоты на рабочих местах должна удовлетворять нормам, отмеченным в ГОСТ 12.1.002-88).

10.2 Условия труда на рабочем месте.

Помещение, в котором происходят технологические операции по изготовлению и наладке изделия находится в панельном доме. Вибрации и вредные вещества отсутствуют. Покрытие пола керамическая плитка.

Геометрические размеры помещения:

длина а = 10.0 м;

ширина b = 5 м;

высота h = 3.4 м;

Количество лиц, работающих в помещении, – 6 человек.

Определим значение площади и объема помещения:

S1=a×b=5×10=50 м2 – площадь помещения;

SП=8,5 м2 – общая площадь столов и шкафа;

S= S1 -Sп=41,5 м2;

V=S×h=141,1 м3;

Рассчитаем значение площади и объема помещения на одно лицо, результаты внесем в таблицу №10.1.

Таблица №10.1.

Объем помещения, что приходится на одного человека и полезная площадь больше нормативного значения в соответствии с СН245-82 и ОНТП-24-86.

10.3 Микроклимат.

Воспользуемся ГОСТ 12.1.005-88 и ДСН 3.3.6.042-99, что устанавливают такие параметры микроклимата как температура, влажность и подвижность воздуха в зависимости от вида выполняемых работ, периода года.

Работу, которая выполняется в рассмотренном помещении можно отнести к категории 1а, потому что она выполняется сидя и не требует физических усилий. Энергозатраты организма человека при таком виде работ составляют до 120 ккал/год.

Источником теплового излучения является радиатор центрального отопления, что состоит из семи секций.

Нормируемые значения параметров микроклимата соответственно ДСН 3.3.6.042-99 представлены в табл.2.

Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений приведены в таблице №10.2:

Таблица №10.2.

Параметры микроклимата поддерживаются системами кондиционирования и обогрева.

10.4 Оценка санитарных норм условий труда при пайке элементов.

При сборке используется ручная пайка, выполняемая электрическим паяльником мощностью 20...40 Вт. Удельное образование аэрозоля свинца при этом составляет 0,02...0,04мг/100 паек.

Согласно сборочному чертежу, в качестве припоя используется оловянно-свинцовый припой марки ПОС-61 ГОСТ 21931-76, а флюс используется безкислотный КЕ ГОСТ 1797-64. Для удаления остатков флюса применяется этиловый спирт или ацетон. В состав припоя входит олово Sn в количестве 60-62% и свинец Pb в количестве 38-40%.

Флюс состоит из сосновой канифоли в количестве 15-28%, и этилового спирта в количестве 72-85%.

Свинец является чрезвычайно опасным веществом (класс 1), ГДК в воздухе рабочей зоны 0,01мг/м. Олово является веществом умеренно опасным (класс 3) ГДК 10мг/м. Спирт этиловый является безопасным веществом (класс 4) ГДК в воздухе рабочей зоны 1000мг/м.

Определим концентрацию аэрозоля свинца:

Сфакт.=0,6×в×n×N×t/V = 0,6×0,03×2×4×8/141=0,00817 мг/м, где

в - удельное образование аэрозолю свинца (y=0,03мг/100 паек);

n - количество паек в минуту (n=2);

N - количество рабочих мест (N=4);

V - объем помещения, м ( V=141 м);

t - длительность сборки изделия, час. (t=8 часов);

Следовательно, при заданных условиях технологического процесса концентрация аэрозоля свинца в воздухе рабочей зоны не будет превышать предельно допустимую концентрацию 0,01 мг/м. Так, как пары свинца не превышают ГДК, то нет необходимости в дополнительной вентиляции участков по работе с пайкой.

10.5 Освещение.

10.5.1 Расчет естественного освещения.

При монтаже печатных плат уровень освещенности должен быть оптимальным. При очень ярком освещении возникают неприятные ощущения в глазах, как следствие быстрая усталость и потеря работоспособности.

Естественное освещение помещения осуществляется боковым светом сквозь световые проемы (окна) во внешних стенах или через прозрачные части стен (например, пропускающие свет стеклоблоки).

Основным для расчета природного освещения является коэффициент естественной освещенности (КЕО), что зависит от широты местности, времени года, а также погоды, и по которым приводится нормирование естественного освещения.

При одностороннем боковом освещении нормируется минимальное значение КЕО в точке, которая расположена на расстоянии 1 м от стены, которая наиболее отдалена от световых проемов, на пересечении вертикальной плоскости характерного размера помещения и условной рабочей поверхности.

Согласно СНиП ИИ-4-79/85 нормируемое значение КЕО для работ высокой точности для третьего пояса енIII=2 % выбираем для естественного освещения в районах с малым снежным покровом.

Так как Киев расположен в IV поясе светового климата, то значение КЕО определим по формуле:

енIV = енIII• m• с

где енIII - значение КЕО для III пояса;

m =0,9 - коэффициент светового климата для Киева;

c =0,75 - коэффициент солнечности климата.

ен IV = 2,0×0,9×0,75 = 1,35

Фактическое значение еф при боковом освещении определим по формуле:

еф=еб×q×r1×T0/Kз

где q=0,75- коэффициент, учитывающий неравномерную яркость неба и зависит от угловой высоты α светового проема над рабочей поверхностью;

Кз = 1,3- коэффициент запаса (производственное помещение с воздушной средой, что содержит менее 1мг/м3 пыли);

r1 - коэффициент, который учитывает отражение света от внутренних поверхностей помещения. Данный коэффициент зависит от ряда факторов:

отношение глубины помещения b=5 м к высоте окна от уровня рабочей поверхности к верху края окна h = 2,9 м;

отношение расстояния l=1 м – расчетной точки от внешней стены к глубине помещения;

отношение длины помещения lп =10 м к его глубине;

средневзвешенного коэффициента помещения, который рассчитывается по формуле:

,

где r1r2r3 - коэффициент отражения соответственно потолка, стен и пола, и, найден по таблице: ρ1= 0,7; ρ2= 0,6; ρ3= 0,1;

S1,S2, S3 - площади потолка, стен, пола.

Для рассмотренного помещения: S1=50 м2, S2=84 м2, S3=50 м2.

При отношении

b/h=5/2,9=1,7;

l/b=1/5=0,2;

lп/b=10/5=2;

rсравнен=0,4;

Получим r1=2,1.

еб- геометрический КЕО в расчетной точке при боковом освещении.

еб=0,01×(n1×n2)

где n1=6 - количество лучей за графиком Данилюка И., которые проходят от неба через световые проемы в расчетную точку на поперечном разрезе помещения;

n2=42 - количество лучей за графиком Данилюка И., которые проходят от неба через световые проемы в расчетной точке.

еб=0,01×6×42=2,52

T0 - общий коэффициент светопропускания, который определяется по формуле:

T0=T1 ×T2 ×T3 ×T4 ×T5

Где T1 - коэффициент светопропускания материала стекла (двойной стеклопакет – Т1=0,8);

T2 – коэффициент, который учитывает потери света в перегородках оконных проемов (перегородки деревянные спаренные Т2=0,7);

T3 - коэффициент, учитывающий потери света в несущих конструкциях (при боковом освещении Т3=1);

T4- коэффициент учитывающий потери света в солнцезащитных устройствах (при регулируемых жалюзях Т4=1);

T5- коэффициент учитывающий потери света в защитной сетке (при боковом освещении Т5=1 );

Т0=0,8×0,7×1×1×1=0,56

Подставим полученные результаты в формулу:

еф=еб×q×r1×T0/Kз=2,52×0,75×2,1×0,56/1,3=1,71

Из проведенного расчета видно, что значение необходимое по естественному освещению выполняется, потому что расчетное значение КЕО для рабочей точки больше нормированного значения КЕО.

10.5.2 Расчет искусственного освещения.

В рассмотренном помещении, используется система общего равномерного освещения. Как источник света используются люминесцентные лампы низкого давления ЛБ 40 в количестве 32 штук, размещенные в шестнадцати светильниках, расположенные на потолке в четыре ряда.

Проверим освещенность, обеспечиваемую общим равномерным искусственным освещением. Для определения освещенности применим метод коэффициента использования светового потока:

,

где N - количество светильников в помещении;

n - количество ламп в одном светильнике (n = 4);

Фл- световой поток лампы, лм Фл = 3120лк. по для светильников ЛБ-40;

m - коэффициент, который учитывает увеличение освещенности за счет отражения (m = 1.2);

m - количество полурядов светильников (m = 4);

ei - относительная освещенность за счет i-го полуряда светильников в рассмотренной точке;

y - коэффициент перехода от горизонтального освещения, создаваемого і-м полурядом в рассмотренной точке к освещению в наклонной плоскости;

K3 - коэффициент запаса (при использовании люминесцентных ламп в помещениях с воздушной средой, что содержит менее 1 мг/м3 пилу, Кз = 1.5);

h - высота подвеса светильников относительно поверхности рабочего места (h=2.6м);

lp - длина ряда светильников, м (lp = 10 м);

Для определения табличного значения функции e находим отношение p и l:

p = p / n ,

где p - расстояние расчетной точки к проекции ряда светильников на

горизонтальную плоскость;

p = 1/4 = 0.25;

l = l2 / n, где

l2 - расстояние расчетной точки от стены (2.5 м).

l = 2.5 / 4 = 0.62.

Для угла a = 25° падение света Ia = 162 Лм.. по Ia для светильников 9-й группы определим f(p l) =0.55

e = f(p l) ×Ia = 0.55×162 = 89;

Норма общего освещения рабочих мест (контраст объекта различения средний, разряд зрительной работы 3у; работа высокой точности) составляет 300 Лк. Поэтому, Е фактическое > Е необходимое, СНиП 11-4-79/85 выполняются.

Также каждое рабочее место оборудовано источником местного освещения, для выполнения возможных работ связанных с выполнением операций высокой точности.

10.5.3 Оценка интенсивности инфракрасного излучения (ИИВ).

ИИВ производит на организм человека тепловое влияние, эффект которого зависит от длины волны, что является условием для глубины проникновения. Действие ИИВ при поглощении в разных слоях кожи сводится к ее нагреванию, что обуславливает переполнение кровеносных сосудов кровью и усилению обмена веществ. Увеличивается содержание фосфора и натрия в крови, происходит поляризация кожи человека. ИИВ влияет на функциональное состояние центральной нервной системы, вызывая изменения в сердечно-сосудистой системе. Длинноволновое ИИВ, проникая в глазные яблока, вызывают ряд патологических изменений: коньюктивы, помутнение роговицы, депигментация радужной оболочки, спазм зениц и другие.

Источниками ИИВ в рассмотренном случае являются паяльники. Температуру паяльников найдем из следующего. Припой ПОС-61 имеет температуру плавления + 190 С. Температура паяльника должна быть выше на 50-70 С. Поэтому паяльник нагревается до температуры + 260 С. Для оценки соответствия уровня ИИВ допустимым значением санитарных норм необходимо определить длину волны этого излучения:

l=2.88/T;

l- длина волны, мм;

Т - температура излучающей поверхности.

l = 2.88/503= 5.73 мкм;

Согласно норм ГОСТ12.1.005-88 и ДСН 3.3.в.042 - 99 при облучении Sдоп < 25% допустимой плотностью потока энергии:

S=p(d1×l1+d2×l2+d3×l3)

где S - излучаемая поверхность паяльника. Найдем излучаемую поверхность паяльника, как сумму поверхностей трех цилиндров:

d1=0,004 м; l1=0,03 м;

d2=0,01 м; l2=0,03 м;

d3=0,005 м; l3=0,05 м;

S=3,14×(0,004×0,03+0,01×0,03+0,005×0,05)=0,0021 м2;

Определим интенсивность облучения. Так как расстояние от источника излучения к человеку r=0.2м > =0.046м, то применим точечный метод:

q=0.91×S×((T/100)4-A)/r2;

А = 85 для кожного покрова человека;

q=0.91×0.0021×((503/100)4-85)/0.22=26,5 Вт/м2;

При длине волны l =5.76 мкм qдоп = 120 Вт/м2. Так как q<qдоп, то дополнительных мероприятий защиты применять не нужно.

10.6 Акустический шум в рабочем помещении.

Шум вредно воздействует на здоровье человека. Для организации оценки шума санитарными нормами допускается пользоваться общим уровнем, измеренным шумоизмерителем по шкале "А" (уровень звука), который потом сравнивают с допустимым уровнем для данного типа помещения, – 55 дбА, соответственно ДСН 3.3.6.037-99

Максимальный уровень шума в помещении 45дбА, то есть ниже допустимого. В помещении цеха никаких видов вибрации нет.

10.7 Анализ потенциальных причин поражения электрическим током. Электробезопасность.

По способу защиты человека от поражения электрическим током согласно ГОСТ12.2.007.0-75 основную и вспомогательную аппаратуру относят до 01 класса.

Согласно ГОСТ 12.1.038-88, предельнодопустимые напряжения прикосновения и токи через человека при нормальном (неаварийном) режиме работы изделия приведены в таблице №10.3:

Таблица №10.3.

Длительность действия напряжений, указанных в таблице, не более 10 минут на сутки и установлено из реакции чувствительности. Напряжение прикосновения и тока для людей, работающих в условиях высоких температур (выше 25оС) и влажности (более 75%), должны быть уменьшены в три раза.

Согласно техническому заданию эксплуатация модуля предусматривается в условиях производства при питании от сети переменного тока 220В, 50Гц. Поскольку в производственных условиях имеется возможность одновременного прикосновения человека к соединенным с землей конструкциями, то это обуславливает категорию помещений, как помещение с повышенной опасностью.

Значение рабочего напряжения прикосновения и тока сквозь человека не должно превышать значений, указанных в таблице, что приведена выше.

При аварийном режиме работы напряжение прикосновения и тока через человека не должно превышать значения, указанные в таблице №10.4:

Таблица №10.4.

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и тока, которые проходят сквозь человека, отвечают переменным и не болевым (постоянным) токам, при аварийном режиме работы электрооборудования.

Для защиты человека от поражения электрическим током в производственных помещениях используется зануление оборудования. При наличии зануления замыкания фазы на корпус превращается в однофазное короткое замыкание от тока, которого срабатывает устройство максимальной токовой защиты и выключает поврежденное электрооборудование.

Расчет на возникающую способность, включает нахождение величины тока короткого замыкания и проверку кратности его по отношению к номинальному току устройства максимальной токовой защиты.

Входные данные для расчета:

Uф = 220 В – фазное напряжение;

кабель четырехжильный 3 ´ 150 мм2 плюс 1´70 мм2;

материал – алюминий (r = 0.028 Ом´мм2 / м );

расстояние от трансформатора к потребителю L = 250 м;

номинальный ток срабатывания автомата защиты Iном – 250 А.

Ток однофазного короткого замыкания определим за формулой:

, где

активное сопротивление фазного провода:

rф = ( с × L ) / Sф = ( 0.028 × 250 ) / 15 = 0,47 Ом

активное сопротивление нулевого провода:

rн = ( с × L ) / Sн = ( 0.028 × 250 ) / 7 = 1 Ом

rи = 0,3 Ом – рассчитанное сопротивление трансформатора мощностью 250 кВ * А. Кратность току однофазного короткого замыкания по отношению к номинальному току срабатывания автомата защиты:

Из расчетов видно, что при однофазном коротком замыкании автомат токовой защиты будет надежно срабатывать.

При однофазном коротком замыкании нулевой провод и соединенный с ним корпус электрооборудования за время срабатывания максимальной токовой защиты находятся под напряжением ( Uпр ) относительно земли:

Uпр = Iк.з × rн = 100 × 1 =100 В.

Это напряжение Uпр < Uпр.доп. согласно с ГОСТ12.1.038-88 при t<0.1с (Uпр=500В).

С целью снижения Uпр как в нормальном, так и в аварийном режиме необходимо использовать повторное заземление нулевого провода.

10.8 Мероприятия по пожарной безопасности.

Рассмотренное помещение соответственно к ОНТП 24 – 86 и СНиП 2.09.02-85 можно отнести к категории “В” по взрывопожарной опасности, рабочая зона помещения согласно с ПУЕ относится к классу П-IIа по пожарной опасности. То есть, это помещение в котором находятся твердые и волокнистые горючие вещества (дверные рамы, двери, мебель и т.д.).

В рассмотренном помещении находятся дорогие приборы, поэтому пожар может привести к большим материальным потерям. Следовательно, проведение работ по созданию условий, при которых вероятность возникновения пожара уменьшается, имеет важное значение.

Возможными причинами возникновения пожара могут быть :

короткое замыкание проводки;

курение в неразрешенных местах, пользование бытовыми электронагревательными приборами.

В связи с этим, соответственно ПУЕ, необходимо предусмотреть следующие мероприятия:

- тщательная изоляция всех токоведущих проводников к рабочим местам; периодический осмотр и проверка изоляции;

- строгое соблюдение норм противопожарной безопасности на рабочем месте.

Проводятся организационно-технологические мероприятия (запрещение курения, инструктаж).

На случай возникновения пожара – обеспечение возможности безопасной эвакуации людей через эвакуационные выходы. В помещении имеется план эвакуации. Минимальное время эвакуации должно отвечать требованию СНиП 2.01.02-85, а максимальная отдаленность рабочих мест от эвакуационных выходов отвечает требованиям СНиП 2.09.02-85. Необходимое количество эвакуационных выходов, ширина проходов и степень огнестойкости дома также отвечает требованиям СНиП 2.01.02‑ 85 и СНиП 2.09.02‑ 85.

В помещении лаборатории находятся:

огнетушитель ОУБ-3 – 1шт.;

огнетушитель ОП-1 "Момент" – 1шт.

Такое количество огнетушителей отвечает требованиям ISO3941-87, которыми предусмотрено обязательное наличие двух огнетушителей на 100 м2 площади помещений.

По огнестойкости помещения лаборатории относятся к II-й степени огнестойкости (ГОСТ 12.1.004‑ 76), то есть механические конструкции в помещении, стены выполнены из огнеупорных материалов. Рабочие места, для выполнения работ, в положении сидя, организованны соответственно к ГОСТ 12.2.032‑ 78. Высота рабочего стола 0.8 м.

На случай возникновения пожара на лестничной площадке установлен пожарный щит, оборудованный пожарным инвентарем и огнетушителем марки ОУ–5 соответственно требованиям IS03941‑77 (огнетушитель углекислый, ручной) для гашения возгорания разных материалов и установок под напряжением до 1000В и химические, пенные ОХП‑10 – огнетушитель для гашения твердых материалов. Согласно ОНТП 24‑ 86 и ГОСТ 12.4.009-83 в пожарный щит входят:

асбест;

ящик с песком;

пожарный инвентарь.

Кроме того, на лестничных площадках имеется водопровод с внутренними пожарными кранами. Для связи с пожарной охраной служит внутренний телефон. В рабочем помещении выполняются все требования по пожарной безопасности соответственно требованиям НАПБ.А.01.001‑95 “Правила пожарной безопасности”.

С рабочими и обслуживающим персоналом предусматриваем проведение противопожарного инструктажа, занятий и бесед.

11 Технико-экономическое обоснование производства.

В этом разделе дипломной работы рассмотрены вопросы, связанные с определением себестоимости производства блока питания компьютера (схема электрическая см. приложение), его уровня качества как нового изделия, сделан анализ рынка и конкурентной способности, целесообразности производства.

11. 1 Анализ рынка.

Разработанный ИБП имеет следующие показатели:

выходные размыкатели – 8;

общий КПД – 75%;

выходная мощность – 350Вт;

рабочая частота – 60кГц;

объем – 0.018м3;

вес – 2.1 кг.

Разрабатываемый компьютерный ИБП является не новинкой на рынке Украины и должен создать конкуренцию ИБП импортного производства, при этом иметь высокие показатели качества, надежности и низкую себестоимость.

Реализация изделия будет осуществляться на рынке стран СНГ, среди компаний, которые занимаются изготовлением компьютерной и офисной техники высокого качества для правительственных организаций и информационных систем. Спрос на изделие на рынке ожидается приблизительно 15 тыс. за год. Изделие будет продаваться оптовым заказчикам и в розницу в магазинах, которые специализируются по продаже компьютерной техники.

Главным конкурентом на рынке является Корейская фирма Codegen. Аналогом по техническим характеристикам является модель Codegen 350Х, которая имеет следующие характеристики:

выходные размыкатели – 4;

общий КПД – 65%;

выходная мощность – 350Вт;

рабочая частота – 30кГц;

объем – 0.018 м3;

вес - 1.8 кг.

Примем серийное производство с серией 10000 шт/год..

11.2 Оценка уровня качества изделия.

Входные данные.

Для оценки уровня качества изделия используется коэффициент технического уровня (), который рассчитывается для каждого варианта инженерного решения:

, где

– коэффициент весомости i-го параметра качества j-го варианта в совокупности принятых для рассмотрения параметров качества;

– оценка i-го параметра качества j-го варианта изделия;

– количество параметров изделия.

При наличии количественной характеристики изделия коэффициент технического уровня можно определить по формуле:

, где

– относительный (единичный) i-й показатель качества.

Обоснование системы параметров изделия и определения относительных показателей качества.

На основе данных о содержании основных функций, которые должно реализовывать изделие, требований заказчика, а также условий, которые характеризуют эксплуатацию изделия, определяют основные параметры изделия, которые будут использованы для расчета коэффициента технического уровня изделия.

Относительные показатели качества по любому параметру, если они находят в линейной зависимости от качества, определяются за формулами:

или

,

где

, – числовые значения i-го параметра соответственно нового и базового изделий.

Первая формула используется при расчете относительных показателей качества, когда увеличение величины параметра ведет к улучшению качества изделия.

Вторая формула используется при расчете относительных показателей качества, когда увеличение величины параметра ведет к ухудшению качества изделия.

Когда нелинейная связь между параметрами и качеством изделия, следует использовать следующие формулы:

Параметры нового и базового изделия приведены в таблице №11.1.

Таблица №11.1 параметров нового и базового изделия.

№	Параметр	Условное обозначение	Абсолютное значение параметра		Показчик качества
			новый	базовый
1	Выходные размыкатели	,штук	8	4	2
2	Общий КПД	,%	75	65	1.154
3	Мощность	,Вт	350	350	1
4	Рабочая частота	,кГц	60	30	2
5	Объем	V,м3	0.018	0.018	1
6	Вес	,кг	2.1	1.85	0.811
7	Количество навесных элементов	,штук	152	161	1.059

11.3 Определение коэффициентов весомости параметров.

Весомость каждого параметра в общем количестве рассматриваемых при оценке параметров, определяется методом попарного сравнения. Оценку проводит экспертная комиссия, количество членов которой должно равняться нечетному числу (не менее 7 чел.). Эксперты должны быть специалистами в данной отрасли. После детального обсуждения и анализа каждый эксперт оценивает степень важности параметров путем присвоения им рангов. В обычном случае оценки дают 7 экспертов в отрасли радиоэлектронных систем. Результаты рангирования параметров заносим в таблицу.

Дальше вычислим сумму рангов каждого показателя:

, где

ранг і-го параметра, определенный j-м экспертом; N –число экспертов.

Вычисляем среднюю сумму рангов (Т):

, где

n –количество оцениваемых параметров;

- общая сумма рангов, которая равняется:

Дальше определяем отклонение суммы рангов каждого параметра (Ri) от средней суммы рангов (Т):

Сумма всех должна равняться нулю.

Таблица №11.2 результатов рангирования.

№ параметра	Ранг параметра по оценке эксперта							Сума рангов Ri	Отклонения
	1	2	3	4	5	6	7
1	7	7	7	6	7	7	6	47	19	361
2	6	5	6	5	7	6	6	41	13	169
3	4	4	3	5	3	4	2	25	-3	9
4	5	6	4	5	6	3	3	32	4	16
5	1	1	1	1	1	1	1	7	-21	441
6	2	2	4	3	2	4	5	22	-6	36
7	3	3	3	3	2	3	5	22	-6	36
	1068

Вычисляем и общую сумму квадратов отклонений:

;

Определим коэффициент согласованности:

Определенная расчетная величина W сравнивается с нормативной Wн (если WWн, определенные данные заслуживают доверие и пригодны к использованию).

Для электроизмерительных и радиотехнических изделий Wн=0,77.

Сравнив WWн – делаем вывод, что расчеты сделаны верно.

Используя полученные от каждого эксперта результаты рангования параметров, проводится попарное сравнение всех параметров. Результаты сравнения заносятся в таблицу № 11.3:

Таблица №11.3 результатов сравнения параметров.

Параметры	Эксперты							Суммарная оценка	Значения коэффициента перевеса ()
	1	2	3	4	5	6	7
1 і 2 1 і 3 1 і 4 1 і 5 1 і 6 1 і 7	< < < < < <	< < < < < <	< < < < < <	< < < < < <	= < < < < <	< < < < < <	= < < < < <	< < < < < <	0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
2 і 3 2 і 4 2 і 5 2 і 6 2 і 7	< < < < <	< > < < <	< < < < <	= = < < <	< < < < <	< < < < <	< < < < <	< < < < <	0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
3 і 4 3 і 5 3 і 6 3 і 7	> < < <	> < < <	> < > =	= < < <	> < < <	< < < <	> < > >	> < < <	1.5 0.5 0.5 0.5
4 і 5 4 і 6 4 і 7	< < <	< < <	< < <	< < <	< < <	< > =	< > >	< < <	0.5 0.5 0.5
5 і 6 5 і 7	> >	> >	> >	> >	> >	> >	> >	> >	1.5 1.5
6 і 7	>	>	<	=	=	<	=	=	1

В настоящее время наиболее широко используются следующие значения коэффициентов преимущества ():

где – параметры, которые сравниваются между собой.

На основе числовых данных и таблицы составляют квадратную матрицу - расчет весомости параметров

Таблица №11.4 результатов расчета коэффициентов весомости.

Параметры	Параметры							Первая итерация		Вторая итерация
	1	2	3	4	5	6	7
1	1.0	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	4	0.0816	0.541	0.084
2	1.5	1.0	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	5	0.102	0.632	0.098
3	1.5	1.5	1.0	1.5	0.5	0.5	0.5	7	0.1428	0.877	0.136
4	1.5	1.5	0.5	1.0	0.5	0.5	0.5	6	0.1224	0.745	0.116
5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.0	1.5	1.5	10	0.2040	1.398	0.217
6	1.5	1.5	1.5	1.5	0.5	1.0	1.0	8.5	0.1735	1.122	0.174
7	1.5	1.5	1.5	1.5	0.5	1.0	1.0	8.5	0.1735	1.122	0.174
Всего	49	1	6.437	0.999

Расчет весомости (приоритетности) каждого параметра проводится по следующим формулам:

, где

– весомость -го параметра по результатам оценок всех єкспертов; определяется как сумма значений коэффициентов преимущества () данных всеми экспертами по -му параметру.

Результаты расчетов заносятся в таблицу.

Относительные оценки весомости () рассчитываются несколько раз, пока следующее значение будет незначительно отклоняться от предыдущего (менее 5%). На второй итерации значения коэффициента весомости () рассчитывается так:

, где

определяется .

Относительная оценка, которая получена на последней итерации расчетов, принимается за коэффициент весомости () -го параметру.

За полученными значениями и определяем коэффициент технического уровня:

11.4 Расчет себестоимости изделия.

Расчет себестоимости изделия, которое проектируется, предусматривает составление калькуляции соответственно установленного в отрасли перечня статей расходов. Цены взяты из прайс-листа фирмы Имрад за 10.01.2006.

11.5 Калькуляция себестоимости.

Калькуляция себестоимости составляется согласно с “Типичным положением из планирования, учета и калькуляции себестоимости (работ, услуг) в промышленности”. В данной работе будут учтены статьи калькуляции, которые чаще всего используются на предприятиях приборостроительных отраслей производства.

11.6 Сырье и материалы.

Расходы на приобретение материалов вычисляются на основании норм их расходования и цен с учетом транспортно-заготовительных расходов.

, где

- норма расходов і-го материала на единицу продукции, грн;

- цена единицы і-го материала, грн.;

- коэффициент, который учитывает транспортно-заготовительные расходы.

Расчеты заносятся в таблицу №11.5:

Таблица №11.5 расчета затрат на сырье и материалы.

11.7 Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты, работы и услуги производственного характера посторонних предприятий и организаций.

Расчеты по расходам на покупные изделия и полуфабрикаты заносятся в таблицу №11.6:

Таблица №11.6 расчетов по расходам на покупные изделия и полуфабрикаты.

11.8 Основная заработная плата.

Расходы за этой статьей рассчитываются по каждому виду работ (операций) в зависимости от нормы времени (нормативной трудоемкости) и почасовой тарифной ставки рабочих:

, где

– почасовая тарифная ставка для i-го вида работ (операций), грн.;

– норма времени для i-го вида работ (операций), часов.

Перечень работ (операций) отвечает технологическому процессу производства изделия. Нормы времени для монтажных работ определяются типичными нормами времени на монтажные работы. Результаты сведены в таблице №11.7:

Таблица №11.7 норм времени для монтажных работ.

11.9 Дополнительная заработная плата.

Расходы по этой статье определяются в процентах к основной заработной плате:

, где

– коэффициент, который учитывает дополнительную зарплату.

11.10 Отчисление на социальное страхование.

За действующими с 1.01.2003р. нормативами отчисления на социальное страхование составляет 39,55% от суммы основной и дополнительной заработной платы:

грн., где

– коэффициент, который учитывает отчисление на социальные потребности.

11.12 Общепроизводственные расходы.

Учитывая, что себестоимость изделия определяется на ранних стадиях его проектирования в условиях ограниченной информации относительно технологии производства и расходов на его подготовку в общих чертах производственные расходы включаются, кроме собственно этих расходов, расходы на: освоение основного производства, возмещение износа специальных инструментов и устройств целевого назначения, содержание и эксплуатацию оборудования. При этом в общих чертах производственные расходы определяются в процентах к основной заработной плате. При таком комплексном составе в общих чертах производственных расходов их норматив () достигает 200–300%.

11.13 Административные расходы.

Эти расходы относятся к себестоимости изделия, пропорционально основной заработной плате и на приборостроительных предприятиях они составляют () 100–200%:

11.14 Расходы на сбыт.

Расходы за этой статьей определяются в процентах к производственной себестоимости (конечно ), - сумма за всеми приведенными выше статьями калькуляции, представляет полную себестоимость продукции.

Результаты выполненных расчетов сведены и таблице №11.8:

Таблица №11.8 статьи расходов.

11.15 Определение цены изделия.

Из разных методов ценообразования достаточно распространенный метод лимитных цен, по которому определяют нижнюю и верхнюю границы цены.

11.16 Нижняя граница цены.

Нижняя граница цены защищает интересы производителя продукции и предусматривает, что цена должна покрыть расходы производителя, связанные с производством и реализацией продукции, и обеспечить уровень рентабельности не ниже того, что имеет предприятие во время производства уже освоенной продукции:

– оптовая цена предприятия, грн.;

– полная себестоимость изделия, грн.;

– нормативный уровень рентабельности, 10%;

– налог на добавленную стоимость, 20%.

грн.

грн.

11.17 Верхняя граница цены.

Верхняя граница цены () защищает интересы потребителя и определяется той ценой, которую потребитель готов заплатить за продукцию с лучшим потребительским качеством

– цена базового изделия, грн.( );

КТР – уровень качества нового изделия относительно базового;

11.18 Договорная цена.

Договорная цена () может быть установлена по договоренности между производителем и потребителем в интервале между нижней и верхней лимитными ценами.

Исходя из выражения: , выбираем цену на изделие .

11.19 Определение минимального объема производства продукции.

Себестоимость годового выпуска продукции:

, где

- полная себестоимость единицы продукции, грн.;

- условно-переменные расходы =0.75;

- условно-постоянные расходы =0.25;

Х - производственная мощность предприятия X=12000 од./год;

- годовой объем выпуска продукции =10000 од./год;

987000 грн.

Стоимость годового выпуска продукции :

Объем продукции, при котором прибыль равняется нулю:

единиц.

Объем продукции, при котором будет достигнутый запланированный уровень рентабельности:

единиц

Годовая прибыль при достижении запланированного уровня рентабельности составит:

грн.

Построим график, на котором покажем значение и :

Выводы.

В этом разделе дипломной работы были проведены анализ рынка, уровня качества и конкурентоспособности ИБП компьютера, расчеты себестоимости производства, целесообразность производства, определение цены изделия.

Полная себестоимость ИБП составляет 94 грн.

Нижняя граница цены: .

Верхняя граница цены: .

Договорная цена:

Объем продукции, при котором прибыль равняется 0 грн. - ед.

Объем продукции, при котором будет достигнутый запланированный уровень рентабельности ед.

Почти 75% от себестоимости изделия составляют покупные изделия, полуфабрикаты, работы и услуги производственного характера посторонних предприятий. Из этого можно сделать вывод что, себестоимость изделия преимущественно зависит от покупных радио материалов и компонентов. Поэтому основной путь по снижения себестоимости изделия – это наладка поставок комплектующих непосредственно от производителей.

Список литературы.

1 В.Т. Белинский; В.П.Гондюл; А.Б. Грозин; К.Б. Круковский-Синевич; Ю.Л. Мазор «Практическое пособие по учебному конструированию» Киев «Висшая школа»1992;

2. В.Б. Карпушин «Вибрации и удары в радиоаппаратуре» Издательство «Советское радио» Москва-1971;

3. Л.Л. Роткоп; Ю.Е. Спокойный; «Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА» Москва «Советское радио» 197;.

4. А.М Хаскин «Черчение» Киев «Высшая школа» 1979;

5. А.В. Потишко; Д.П. Крушевская «Справочник по инженерной графике» Издательство «Строитель» Киев-1976;

6. А.В. Головко; В.Б. Любицкий «Блоки питания для системных модулей типа IBM PC-XT/AT» «Лад и Н» Москва – 1995;

7. Бальян Р.Х. Барканов Н.А. Борисов А.В. «Краткий справочник радиоэлектронной аппаратуры» под редакцией Вараламова Р.Г. Москва-1973.

8. ATX Power Supply Design Guide version 2.01 June 2004.

9. www.firechildsemi.com

10. Data Sheet LM393. 2002 Jan 22

11. www.skyline.com.ua

12. http://www.compdoc.ru/peripherals/body/asus_a30x/

13. http://www.it-link.com.ua/cgi-bin/p.cgi?a=tvr&t=3D2135&s=&g=NSK1

14. http://itc.ua/article.phtml?ID=14601

15. Справочник по охране труда на промышленном предприятии. / К.М.Ткачук – Киев: Техника, 1991.

16. Методические указания к выполнению домашних заданий по разделу «Мероприятия по охране труда при пайке», КПИ, 1984г.