Обоснование выбора конденсаторов

При выборе конденсаторов для радиоэлектронных устройств, приходиться решать одну из противоположных по своему характеру задач. Прямая задача – по известному стандартному напряжению конденсатора найти максимально допустимые значения переменной и постоянной составляющих рабочего напряжения. Обратная задача заключается нахождения типа и стандартного напряжения конденсаторов по рабочему режиму.

Под номинальным напряжением понимается наибольшее напряжение между обкладкам конденсатора, при котором он способен работать с заданной надёжностью в установленном диапазоне рабочих температур. Номинальное напряжение, оговоренное стандартами, называется стандартным напряжением – оно маркируется на конденсаторах, выпускаемых согласно действующих стандартов. Под рабочим напряжением подразумевается значения постоянного и переменного напряжения, которые действуют на конденсаторе при его работе.

Прямая задача нахождения рабочего напряжения по стандартному решается с помощью условий, оговоренных в действующих стандартах. Однако эти условия справедливы лишь для тех случаев, когда переменная составляющая (пульсация) напряжения на конденсаторе меняется по закону гармонического колебания.

Для решения обратной задачи – нахождения типа и стандартного напряжения конденсатора по рабочему режиму, необходимо вначале найти минимальное напряжение, а затем выбрать ближайшее к нему стандартное значение.

Величина рабочего напряжения конденсатора ограничивается тремя требованиями:

а) конденсатор не должен перегреваться;

б) перенапряжение на нём недопустимо;

в) он должен быть защищён от прохождения обратных токов, если это полярный оксидный конденсатор.

Для того чтобы конденсатор не перегревался следует рассчитать выделяемую на нём реактивную мощность. Она не должна превышать номинальную мощность конденсатора.

Чтобы защитить конденсатор от перенапряжения, рабочее напряжение на нём не должно превышать номинальное. Это условие формулируется в стандартах как сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей рабочего напряжения не должна быть больше стандартного напряжения.

Полярные оксидные конденсаторы, помимо перегрева и перенапряжения, должны быть защищены от прохождения разрушающих обратных токов. Чтобы оксидная плёнка была непроводящей, потенциал оксидированного метала (анода) должен всегда превышать потенциал второго электрода (катода). С этой целью в стандартах оговаривается, что амплитуда переменной составляющей напряжения не должна превышать постоянную составляющую.

Керамические конденсаторы представляют собой пластинки, диски или трубки из керамики с нанесенными на них электродами из металла. Для защиты от внешних воздействий эти конденсаторы окрашивают эмалированной краской или герметизируют, покрывая эпоксидными компанентами после чего заключают в специальный корпус. Керамические конденсаторы широко применябтся в качестве контурных, блокировочных, разделительных. Конденсаторы с диэлектриком из высококачественой керамики характеризуются высокими электролитическими показателями и сравнительно небольшой стоимостью. Сопративление изоляции этих конденсаторов при 20⁰С превышает 5…10 ГОм, тангенс угла потерь на частотах порядка.

Электролитические и оксидно-олупроводниковые конденсаторы отличаются малыми размерами, большими токами утечки и большими потерями. При одинаковых номинвльных напряжениях и номинальных емкостях объем танталовых конденсаторов меньше объема конденсаторов с аллюминивыми анодами. Танталовые конденсаторы могут работать приболеее высоких температурах, их емкость меньше изменяется при изменении температуры, токи утечки у них меньше. Оксидно-полупроводниковые конденсаторы могут работать при более низких температурах, чем электролитические.

Проводимость широко распространненных электролитических и оксидно-полупроводниковых онденсаторов сильно зависит от полярности приложенного напряжения, поэтому они используются лишь в цепях постоянного и пульсирующего токов.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы используются в фильтрах выпрямителей, в качестве блокирующих и развязывающих в цепях звуковых частот, а также в качестве переходных в полупроводниковых усилителях звуковых частот.

 

2.2.5 Обоснование выбора микросхем.

В схеме зарядного устройства на микроконтроллере PIC 12F675 используется сдвигающий регистр на 8 выходов IN74HC164N – мы его заменим на КР1157FH5A

Электрические параметры сдвигающего регистра IN74HC164N:

Выходное напряжение ………………………………………..5В + 0,1В

Ток потребления < ……………………………………………..5мА

Ток нагрузки ….............................................................................1А

Нестабильность по напряжению ………………………….. + 0,05%

Микросхему LM7805CT и 78L05 заменим на КР142ЕН2А

Электрические параметры КР142ЕН2А:

Выходное напряжение ………………………………………………5В

Ток потребления ……………………………………………………..4мА

Нестабильность по направлению ……………………………….. < 0.3%

Входное напряжение ………………………………………………...20В

Выходное напряжение ………………………………………………20В

Выходной ток …………………………………………….................50мА

Микросхема TNY264P импортная микросхема аналогов нет.

Расчетная часть

 

Расчет надежности

 

Расчет надежности проводится на этапе проектирования. Для расчета задаются ориентирные данные. В качестве температуры окружающей среды может быть принято среднее значение температуры в нутрии блока. Для большинства маломощных полупроводниковых устройств она не превышает 40⁰С.

Для различных элементов при расчетах надежности служат различные параметры. Для резисторов и транзисторов это допустимая мощность рассеивания, для конденсаторов допустимое напряжение, для диодов - прямой ток.

Коэффициенты нагрузок для элементов каждого типа по напряжению могут быть определены по величине напряжения источника питания. Так для конденсаторов номинальное напряжение рекомендуется брать в 1.5 -2 раза выше напряжения источника питания. Рекомендуемые коэффициенты приведены в таблице 1.

 

Таблица 1.

Наименование элемента	Контрольные параметры	k нагрузки
		импульсный режим	статический режим
Транзисторы	Ркдопkн = Рф / Ркдоп	0,5	0,2
Диоды	Iпрмахkн = Iф / Iпрт	0,5	0,2
Конденсаторы	Uобклkн = Uф / Uобкл	0,7	0,5
Резисторы	Pтрасkн = Рф / Рдоп	0,6	0,5
Трансформаторы	Iнkн = Iф / Iндоп	0,9	0,7
Соединители	Iконтактаkн = Iф / Iкдоп	0,8	0,5
Микросхемы	Iмах вх / Iмах вых	-	-

 

Допустимую мощность рассеяния резисторов можно определить от принятым обозначении на схеме.

Допустимую мощность рассеяния следует брать в качестве номинального параметра, надо брать в половину меньше согласно таблице 1.

Для конденсаторов номинальным параметром в расчете надежности считается допустимые напряжения на обкладках конденсатора. В большинстве схем этот параметр не указывается. Его следует выбирать исходя из напряжения источника питания. Uн, для конденсатора следует брать в два раза (или в полтора) больше напряжения источника питания. При этом следует учитывать, что согласно ГОСТу конденсаторы выпускаются на допустимое напряжение (в вольтах) 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350.

Конденсаторы на более высокие допустимые напряжения на обкладках, в схемах курсового и дипломного проектирования практически не применяются.

Фактически знание (U_ф) для конденсаторов в расчете надежности следует брать в половинку меньше выбранного.

Для транзисторов номинальный параметр Р_к допустимое следует брать из справочников.

Для диодов контролируемый параметр величина прямого тока I_пр. Брать в справочниках.

Фактическое значение параметров этих элементов следует брать исходя из рекомендации таблицы 1.

При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность отказов увеличиться.

Она так же возрастает, если элемент эксплуатируется в более жестоких условиях: при повышенной температуре, влажности, при ударах и вибрациях. В стационарной аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях, наибольшее влияние на надежность аппаратуры имеет температура.

Определяя интенсивность отказов при t⁰ = 20⁰C приведены в таблице 2.

Интенсивность отказов обозначается λ₀. Измеряется λ₀ в (1/час).

 

Таблица 3.

Наименование элемента	λo*10-6 1/час
Микросхемы средней степени интеграции	0,013
Большие интегральные схемы	0,01
Транзисторы германиевые: Маломощные	0,7
Средней мощности	0,6
мощностью более 200мВт	1,91
Кремневые транзисторы: Мощностью до 150мВт	0,84
Мощностью до 1Вт	0,5
Мощностью до 4Вт	0,74
Низкочастотные транзисторы: Малой мощности	0,2
Средней мощности	0,5
Транзисторы полевые	0,1
Конденсаторы: Бумажные	0,05
Керамические	0,15
Слюдяные	0,075
Стеклянные	0,06
Пленочные	0,05
Электролитические (алюминиевые)	0,5
Электролитические (танталовые)	0,035
Воздушные переменные	0,034
Резисторы: Композиционные	0,043
Плёночные	0,03
Угольные	0,047
Проволочные	0,087
Диоды: Кремневые	0,2
Выпрямительные	0,1
Универсальные	0,05
Импульсные	0,1
Стабилитроны германиевые	0,157
Трансформаторы Силовые	0,25
Звуковой частоты	0,02
Высокочастотные	0,045
Автотрансформаторные	0,06
Дроссели:	0,34
Катушки индуктивности	0,02
Реле	0,08
Антенны	0,36
Микрофоны	20
Громкоговорители	4
Оптические датчики	4,7
Переключатели, тумблеры, кнопки	0,07n
Соединители	0,06n
Гнезда	0,01n
Пайка навесного монтажа	0,01
Пайка печатного монтажа	0,03
Пайка объемного монтажа	0,02
Предохранители	0,5
Волновые гибкие	1,1
Волновые жесткие	9,6
Электродвигатели: Асинхронные	0,359
Асинхронные вентиляторы	2,25

Порядок расчета.

В таблицу 3 заносятся данные из принципиальной схемы.

Таблица заполняется по колонкам. В 1-ую колонку заносятся наименования элемента, его тип определяется по схеме. Часто в схемах не указывается тип конденсатора, а дается только его ёмкость. В этом случае следует по емкости, и выбрать подходящий тип конденсатора в справочнике. Тип элемента заносится во вторую колонку.

Однотипные элементы записываются одной строкой, а их число заносится в колонку 4.

Микросхемы вне зависимости от типа объединяются в одну группу и записываются в одну строку. Это связано с тем, что у них независимо от типа одинаковая интенсивность отказов, и они могут работать в достаточно широком диапазоне температур. (Большие интегральные схемы не применяются в курсовых и дипломных проектах).

В колонку 4 заносится температура окружающей среды. Её надо определять, исходя из назначения прибора или устройства. Если устройство работает в отапливаемом помещении и не имеет мощных транзисторов, температуру можно брать 40⁰С.

Далее следует запомнить колонку 6. пользуясь теми рекомендациями, которые были даны выше.

Студенту, как правило, не известны фактические параметры элемента. Выбирать их надо, руководствуясь рекомендациями таблицы 1.

Коэффициенты нагрузок.

Для транзисторов: k_н = P_ф / P_кдоп = P_ф / P_н

 k_н= 100/200=0,5

Для диодов: k_н = I_ф/I_прср= I_ф/I_н

 k_н = 0.5/1=0,5

Для резисторов: k_н = P_ф / P_н

 k_н =0,25/0,125=0,5

Для конденсаторов: k_н = P_ф / P_н

 k_н =6/12=0,5

Если k_н в таблице для элемента не указано, то следует ставить прочерк или брать k_н = 0,5.

Колонка 7 заполняется по справочнику.

Далее определяется коэффициент влияния (ά), которое показывает, как влияет на интенсивность отказов окружающая элемент температура в связи с коэффициентом нагрузки. Находят (ά) по таблице 4.

При k = 0,5 и t=40⁰С значение, а будет =

Для полупроводниковых приборов 0,3

Для керамических конденсаторов 0,5

Для бумажных конденсаторов 0,8

Для электролитических конденсаторов 0,9

Для металлодиэлектрических или металлооксидных резисторов 0,8

Для силовых трансформаторов 0,6

Для германиевых полупроводниковых диодов ά брать таким, как у кремневых. Если в таблице нет тех элементов, которые есть в конкретной схеме. Следует спросить у преподавателя, как быть.

Колонка 10 заполняется из соответствующей таблицы 2.

Колонка 11 λi = ά*λ

Если изделие испытывает воздействие ударных нагрузок или реагирует, на влажность, атмосферное давление, следует учесть это влияние. В этом случае λ_i в колонке 11

λ_i = λ₀*а*а₁*а₂*а₃

где а – коэффициент влияния температуры;

 а₁ - коэффициент влияния механических воздействий;

 а₂ - коэффициент влияния влажности;

 а₃ - коэффициент влияния атмосферного давления.

Когда колонка 12 заполнена. Можно рассчитать среднее время наработки на отказ Tср.

Для этого суммируют все значения колонки 12, получая

∑λс. Тогда Tcp = 1/∑λ_с (час)

Следует помнить, что ∑λ_с – число, умноженное на 10^-6, т.е. при делении 10^-6 перейдет в числитель

Σ λс = 5,119*10^-6

Тср = 1/5,119*10^-6

Тср = 10⁶/0,1953507= 195350,7часов.

 

Расчет надежности функционального узла

наименование	тип	кол-во	температура окружающей среды	фактическое значение параметра	номинальное значение параметра	конструктивные характеристики	к	а	λ0*10-6 1/час	λ i=а*λ0 *10-6	λс=λi*n *10-6
резисторы	МЛТ 0,125	16	400С	Рф=0,06 ВТ	Pн=0,125 Вт	пленочные	0,5	0,3	0,03	0,009	0,144
	МЛТ 0,5	2		Рф=0,25 ВТ	Pн=0,5 Вт	пленочные	0,5	0,3	0,03	0,009	0,018
	МЛТ 0,25	2		Рф=0,125 ВТ	Pн=0,25 Вт	пленочные	0,5	0,3	0,03	0,009	0,018
	МЛТ 1	2		Рф=0,5 ВТ	Pн=1 Вт	пленочные	0,5	0,3	0,03	0,009	0,018
транзисторы	КТ972А	1		Рф=4 ВТ	Pн8 Вт	кремневый	0,5	0,3	0,5	0,15	0,15
	КТ315Г	2		Рф=75 ВТ	Pн150 Вт	кремневый	0,5	0,3	0,5	0,15	0,3
	КТ973А	1		Рф=4 ВТ	Pн8 Вт	кремневый	0,5	0,3	0,5	0,15	0,15
Оптроны	PC817	1		-	-	кремневый	0,5	0,3	0,5	0,15	0,15
конденсаторы	К50-3б	11		Uф=40 В	Uн=63 В	керамический	0,5	1	0,15	0,15	1,65
диод	1N5822	1		I=0,5А	I=1А	кремневый	0,5	0,3	0,2	0,06	0,06
	1N4937	1		I=0,5А	I=1А	кремневый	0,5	0,3	0,2	0,06	0,06
	BZX79-B8V2	1		I=42,5мА	I=85мА	кремневый	0,5	0,3	0,2	0,06	0,06
светодиод	HL1AЛС331А	3		-	-	арсенидгалевый	0,5	0,3	-	-
Диодный мост	RS207	1		Iф=0,5А	Iн=1А	кремневый	0,5	0,3	0,2	0,06	0,06
микросхема	PIC12F675	1		-	-	кремневая	0,5	0,3	0,01	0,003	0,003
	1N74HC164N	1		-	-	кремневая	0,5	0,3	0,013	0,004	0,004
	LM7805CT	1		-	-	кремневая	0,5	0,3	0,01	0,003	0,003
	TNY264P	1		-	-	кремневый	0,5	0,3	1,4	0,42	0,42
трансформатор	ТС180	1		-	-	Силовой	0,5	0,6	0,25	0,15	0,15
пайки		189		-	-	-	0,5	0,3	0,03	0,009	1,701
											5,119

Расчет узкого места

1. Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки

D _kmin =2Вm + d₀ +1.5h_ф +2∆_л+C₁ (3.2.1)

D _kmin = 2 x 3 +0.7+1.5 x 0.3+2 x 0.567 + 0.65

D _kmin = 8.9мм

Где Вm – расстояние от края просверленной линии до края контактной площадки.

d₀ - номинальный диаметр металлизированного отверстия.

h_ф – толщина фольги

∆_л =∆_м L/100- изменение длинны печатной платы при нестабильности линейных размеров.

Где L – размер большой длинны печатной платы

∆_м - изменение контактной площадки при нестабильности линейных размеров (обычно 0,3 мм)

С₁ – поправочный коэффициент

С1 учитывает погрешности при центровке, сверлении, при изготовлении фото шаблона и др.

Толщина фольги – 0,3 – 0,5мм

Печатные платы размером более 240*240мм – 1 класс плотности

Для плат размером меньше 240*240мм больше 170*170мм – 1 и 2 классы плотности, платы меньших размеров 3 класс плотности.

∆_л =∆_м L/100 (3.2.2)

∆_л = 0.3*189/100

∆_л = 0,567мм

2. Рассчитываем максимальный диаметр контактной площадки

D _kmах =2Вm + d₀ +1.5h_ф +2∆_л+C₂ (3.2.3)

D _kmax = 2 x 3 + 0.7+1.5 x 0.3+2 x 0.567+0.77

D _kmax = 9мм

Минимальное расстояние для прокладки n проводников между двумя контактными площадками должно обеспечиваться при максимальном диаметре контактной площадки и максимальной ширине проводника с учетом погрешности ∆_ш

3. Минимальное расстояние для прокладки n проводников.

L_min = 0.5(D_k1min + D_k2max) + 2∆_ш +(T_max + ∆_ш)n + S(n+1) < kh, (3.2.4)

Где T_max = T + ∆_ш + 2∆_э

k – число клеток координатной сетки

h – шаг координатной сетки

∆_э – погрешность при экспонировании.

 

 

L_min = 0.5(D_k1min + D_k2max) + 2∆_ш +(T_max + ∆_ш)n + S(n+1) < kh, (3.2.4)

T _max = T + ∆_ш + 2∆_э (3.2.5)

T _max =0.67 + 0.05 + 2*0.06=0,84мм

L _min = 0.5(21.806+21.926) + 2 x 0.05 + (0.84+0.05) x 2 + 0.5(2+1) <20

L _min = 4.45 + 4.5 + 0.1+1.78 +1.5 <20

L _min= 12.23<20