1.2. Анализ данных на проектирование
К индикатору «фазы» предъявляются следующие требования:
- Диапазон рабочих температур: от -40°C до +40°C;
-Максимально допустимая относительная влажность воздуха 75% при температуре 25±4 °C;
- Вибрация в диапазоне частот от 50 Гц до 150 Гц при ускорении 4g;
- Вероятность безотказной работы должна быть не менее 0,95 за время работы 16000 ч.
-Годовая программа выпуска: 200000 штук
Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что среда эксплуатации устройства приближенна к обычной среде.
Ранние версии индикатора изготовлялись с использованием старой элементной базой (радиальные, аксиальные, штыревые компоненты), обладающей малым температурным диапазоном. Для того, чтобы обеспечить заданный температурный диапазон, при выборе элементной базы следует сделать упор на использование компонентов для поверхностного монтажа. Данное решение позволит обеспечить требуемый температурный диапазон устройства и снизить массо-габаритные характеристики устройства.
Максимально допустимая относительная влажность воздуха 75% при температуре 25±4 °C. Данное условие говорит о том, что устройство не предназначено для использования в водной среде. Но, тем не менее, предлагается покрыть печатный узел влагозащитным покрытием.
Необходимо провести анализ динамических воздействий на индикаторы, чтобы определить необходимость амортизации радиоэлементов или печатного узла.
Вероятность безотказной работы предлагается обеспечить снижением количества используемых компонентов и выбором современной элементной базы.
1.3. Технические характеристики индикатора
-Напряжение питания: от 0 до 250В;
-Рабочий ток: до 40 мкА;
-Частота: 50 Гц;
-Функциональное назначение: определение наличия фазы;
-Вид индикации: визуальный, звуковой.
2. Разработка конструкции индикатора
2.1. Выбор элементной базы
В схеме применяется КМОП микросхема DD1 - четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ, в изначальной версии конструкции применялась микросхема отечественного производства в корпусе для штыревого монтажа DIP-14 К561ЛЕ5. Предлагается применять микросхему с аналогичными характеристиками и функциональным значением, импортного производства в корпусе для поверхностного монтажа SO-14. Внешний вид микросхем представлен на рис.2, эскизы корпусов на рис.3 и рис.4, сопоставление технических характеристик приведено в табл.1.
Рисунок 2. Внешний вид корпусов микросхем
Таблица 1. Сопоставление технических характеристик микросхем
К561ЛЕ5 и CD4001BM
Характеристика |
К561ЛЕ5 |
CD4001BM |
Напряжение питания Vdd, В |
-0,5…+18 |
3…+18 |
Ток потребления Icc, мкА при Vdd=5В; 10В; 15В |
<1; <2; <4 |
<5 |
Рассеиваемая мощность, Вт |
0,300 |
0,500 |
Vol,В при Vdd=5В; 10В; 15В |
0,05 |
0,05 |
Voh,В при Vdd=5В; 10В; 15В |
5 ;10 ;15 |
5 ;10 ;15 |
Vil(Vnl),В при Vdd=5В; 10В; 15В |
1,5; 3; 4 |
1,5; 3; 4 |
Vih(Vnh),В при Vdd=5В; 10В; 15В |
3,5; 7; 11 |
3,5; 7; 11 |
Температура окружающей среды, °С |
-10...+70 |
-40...+125 |
Рисунок 3. Эскиз корпуса микросхемы К561ЛЕ5
Рисунок 4. Эскиз корпуса микросхемы CD4001BM
Выпрямительные диоды VD1…VD4 применялись в выводном исполнении отечественного производства (kd-30) – КД102А. Предлагается применять выпрямительные диоды c аналогичными параметрами в исполнении для поверхностного монтажа (sod-323) – BAV21WS. Внешний вид диодов представлен на рис.5, эскизы корпусов на рис.6 и рис.7, сопоставление технических характеристик приведено в табл.2.
Рисунок 5. Внешний вид корпусов диодов
Таблица 2. Сопоставление технических характеристик диодов
КД102А и BAV21WS
Характеристика |
КД102А |
BAV21WS |
Максимальное постоянное обратное напряжение, В |
250
|
250
|
Максимальное импульсное обратное напряжение, В |
250
|
250
|
Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А |
0,1 |
0,2 |
Максимальное прямое напряжение, В при Iпр.,А |
1 0,05 |
1 |
Рассеиваемая мощность, мВт |
|
200 |
Рабочая температура, °С |
-60…+100 |
-65…+175 |
Рисунок 6. Эскиз корпуса диода КД102А
Рисунок 7. Эскиз корпуса диода BAV21WS
Маломощный стабилитрон VD5 применялся в выводном исполнении отечественного производства (kd-8) – КС191. Предлагается применять стабилитрон c аналогичными параметрами в исполнении для поверхностного монтажа (sot-23) – BZX84C9V1. Внешний вид диодов представлен на рис.8, эскизы корпусов на рис.9 и рис.10, сопоставление технических характеристик приведено в табл.3.
Рисунок 8. Внешний вид корпусов диодов
Таблица 3. Сопоставление технических характеристик диодов
КС191 и BZX84C9V1
Характеристика |
КС191 |
BZX84C9V1 |
Минимальное напряжение стабилизации, В |
8,6 |
8,5 |
Номинальное напряжение стабилизации, В
|
9,1
|
9,1
|
Максимальное напряжение стабилизации, В
|
9,6 |
9,6 |
Статическое сопротивление Rст., Ом при токе I ст, мА |
15 10
|
100 1 |
Минимальный ток стабилизации Iст. мин., мА |
3 |
- |
Максимальный ток стабилизации Iст. макс., мА |
20 |
- |
Мощность рассеяния, Вт |
0,2 |
0,2 |
Рабочая температура, °С |
-60…+125 |
-55…+150 |
Рисунок 9. Эскиз корпуса диода КС191
Рисунок 10. Эскиз корпуса диода BZX84C9V1
Светодиод HL1 применялся в выводном исполнении отечественного производства – АЛ307. Предлагается применять светодиод c аналогичными параметрами в исполнении для поверхностного монтажа (smd1206) – KP-3216SRD. Внешний вид диодов представлен на рис.11, эскизы корпусов на рис.12 и рис.13, сопоставление технических характеристик приведено в табл.4.
Рисунок 11. Внешний вид корпусов светодиодов
Таблица 4. Сопоставление технических характеристик светодиодов
АЛ307 и KP-3216SRD
Характеристика |
АЛ307 |
KP-3216SRD |
Цвет свечения |
красный |
красный |
Длина волны, нм |
655 |
700 |
Сила света Iv мин., мКд |
0,9 |
15 |
Максимальное прямое напряжение, В |
2 |
2,5 |
Максимальное обратное напряжение, В |
2 |
5 |
Максимальный импульсный прямой ток, мА |
100 |
150 |
Рабочая температура, °С |
-60…+70 |
-40…+85 |
Рисунок 12. Эскиз корпуса светодиода АЛ307
Рисунок 13. Эскиз корпуса светодиода KP-3216SRD
Звуковой излучатель HA1 применялся в исполнении на блок отечественного производства – ЗП-19. Предлагается применять излучатель c приближенными параметрами в исполнении для поверхностного монтажа – PKLCS1212E2000-R1. Внешний вид излучателя представлен на рис.14, эскизы корпусов на рис.15 и рис.16, сопоставление технических характеристик приведено в табл.5.
Рисунок 14. Внешний вид корпусов светодиодов
Таблица 5. Сопоставление технических характеристик светодиодов
ЗП-19 и PKLCS1212E2000-R1
Характеристика |
ЗП-19 |
PKLCS1212E2000-R1 |
Рабочее напряжение, В. |
5 |
0…25 |
Частота, кГц |
1,8…3,0 |
2 |
Звуковое давление на расстоянии, дБ |
75 |
70 |
Рабочая температура, °С |
-30..+60 |
-20...+70 |
Рисунок 15. Эскиз корпуса излучателя ЗП-19
Рисунок 16. Эскиз корпуса излучателя PKLCS1212E2000-R1
Конденсатор электролитический C1 должен обладать следующими характеристиками номинальной емкостью 2…5 мкФ и рабочим напряжением 250В, конденсатора исполнении для поверхностного монтажа не существуют. Данную проблему можно решить следующим образом, подключить последовательно 5 конденсаторов с емкостью 1мкФ и рабочим напряжением 50В. Внешний вид излучателя представлен на рис.17, эскиз корпуса (D=4; L=5,4) на рис.18, технические характеристики приведены в табл.6.
Рисунок 17. Внешний вид корпуса электролитического конденсатора
Таблица 6. Технические характеристики электролитического конденсатора
Характеристика |
|
Номинальная емкость, мкФ |
1 |
Допуск емкости, % |
20 |
Номинальное напряжение, В |
50 |
Рабочая температура, °С |
-40..+85 |
Рисунок 18. Эскиз корпуса конденсатора электролитического конденсатора
Конденсаторы керамические C2,C3 серии CC0805 применяется в корпусах для поверхностного монтажа smd 0805. Внешний вид конденсаторов представлен на рис.19, эскиз корпуса на рис.20, технические характеристики приведены в табл.7.
Рисунок 19. Внешний вид корпуса конденсатора серии CC0805
Таблица 7. Технические характеристики конденсаторов серии CC0805
Характеристика |
C2 |
C3 |
Номинальная емкость |
0,15мкФ |
470пФ |
Допуск емкости, % |
±10 |
±10 |
Номинальное напряжение, В |
16 |
16 |
Рабочая температура, °С |
-55..+125 |
-55..+125 |
Рисунок 20. Эскиз корпуса конденсатора серии CC0805
Резисторы постоянные R1,R2,R3 серий RC2512 и RC0805 применяются в корпусах для поверхностного монтажа smd2512 и smd0805. Внешний вид резисторов представлен на рис. 21, эскизы корпусов на рис.22 , технические характеристики приведены в табл.8.
Рисунок 21. Внешний вид корпусов резисторов серий RC2512 и RC0805
Таблица 8. Технические характеристики резисторов серий RC2512 и RC0805
Характеристика |
R1 |
R2 |
R3 |
Номинальное сопротивление |
510кОм |
3МОм |
1МОм |
Допуск емкости, % |
1 |
1 |
1 |
Рассеиваемая мощность, Вт |
1 |
0,125 |
0,125 |
Рабочая температура, °С |
-55..+125 |
-55..+125 |
-55..+125 |
Рисунок 22. Эскизы корпуса резисторов серий RC2512 и RC0805
В качестве соединителя X1 применяется двухконтактная клеммная колодка CLEDF1M00RO-NH в исполнении для поверхностного монтажа. Обеспечивает надежное электрическое соединение с токопроводящими жилами пары проводов посредством независимых пружинных контактов. Колодка предназначена для подачи питания на печатную плату. Рекомендована производителем для использования в светодиодных светильниках. Внешний вид корпуса клеммной колодки представлен на рис. 23, эскиз корпуса на рис.24 , технические характеристики приведены в табл.9.
Рисунок 23. Внешний вид корпуса клеммной колодки
Таблица 6. Технические характеристики клеммной колодки
Характеристика |
|
Максимальное напряжение, В |
160 AC/DC |
Ток, А |
9 AC/DC |
Напряжение пробоя диэлектрика, В |
2500 |
Диапазон рабочих температур, °C |
-35...+105 |
Рисунок 24. Эскиз корпуса клеммной колодки