Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение
высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)
Кафедра конструирования узлов и деталей РЭА (КУДР)
Пояснительная записка к дипломному проекту
РКФ ДП. 411733.100 ПЗ
УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕГРАДАЦИИ ГЕТЕРОСТРУКТУР
СВЕТОДИОДОВ
СОГЛАСОВАНО
Консультант по экономике
доцент кафедры экономики
кандидат экономических наук
Р.В. Черская
Студент группы 237-2
А.В. Ермолаев
2012г.
РЕФЕРАТ
Объектом разработки является специализированная
установка для изучения степени деградации гетероструктур СИД. Представлены:
конструкция установки, удовлетворяющие требованиям технического задания.
Цель проекта - разработать конструкцию
лабораторной установки в рамках эскизного проекта и блока УФ подсветки,
произвести расчёты надёжности, теплообмена, собственной частоты печатного узла,
технико-экономического обоснования проекта и БЖД.
В ходе работы над дипломным проектом было
проанализировано техническое задание. Выполнен аналитический обзор по
деградационным явлениям в гетероструктурах СИД и методам их изучения, с целью
выявления конструктивных требований на установку, разработана схема
электрическая принципиальная блока УФ подсветки, подобрана элементная база,
спроектированы конструкция устройства и печатная плата, проведены необходимые
конструкторские расчёты, технико-экономическое обоснование и разработаны меры
по охране труда при производстве установки.
Пояснительная записка выполнена в текстовом
редакторе Microsoft
Office Word
2003. Графические материалы - в системах автоматизированного проектирования
Компас-3D
V12, Altium
Designer, Solid
Works 2010.
THE ABSTRACT
object is to develop a specialized unit for
studying the degree of degradation of the LED heterostructure. We present the
construction of the installation that meet the requirements of the
specification.
The aim of the project to develop a
design laboratory setting within the framework of conceptual design and block
UV light, to produce estimates of reliability, heat transfer, the natural
frequency of the printhead, the feasibility of the project and BC.
While working on the degree project was
evaluated on the technical task. Performed an
analytical review of the degradation phenomena in heterostructures and LED
methods their study, to identify construction-setting requirements for the
installation, a scheme for electric fundamentally block UV light, selected element
base, construction designed devices and printed circuit board designer,
conducted the necessary engineering calculations, feasibility study and develop
measures designed to protect labor in the production plant.explanatory note is
made in a text editor, Microsoft Office Word 2003. Graphics - in computer-aided
design Compass-3D V12, Altium Designer, Solid Works 2010.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
на дипломный проект «Установка для комплексного
исследования деградации гетероструктур светодиодов»
Этап работы: эскизный проект
Исполнитель: студент гр. 237-2 Ермолаев
Александр Валерьевич
оканчивающий университет по специальности 210201
приказ ректора № 4012 от 20.04.2012 г.
Дата сдачи законченного проекта (работы) на
кафедру ____
Руководитель дипломного проекта (работы):
профессор кафедры КУДР, доктор физ.-мат. наук, Еханин Сергей Георгиевич
Официальные консультанты: по экономике - доцент
каф. экономики, кандидат экономических наук, Черская Регина Васильевна, по
безопасности жизнедеятельности - доцент кафедры РЭТЭМ, кандидат хим. наук,
Екимова Ирина Анатольевна.
1 Наименование и область применения
Установка для комплексного исследования
деградации гетероструктур светодиодов, применяется в области научных
исследований.
Основание для разработки
Задание на дипломный проект. Приказ № 4012,
ТУСУР, кафедра КУДР.
Цель и назначение разработки
.1 Разработка имеет целью создание конструкции
специализированной установки для контроля качества и степени деградации
гетероструктур и определения оптимальных режимов работы СИД.
.2 Разработка выполняется с применением САПР.
.3 Изделие предназначено для
научно-исследовательских работ.
Источники разработки
.1 Проект ГПО КУДР-1003 Изучение деградации
светодиодных гетероструктур методом измерения ВАХ в области микротоков
.2 Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский
Ю. И. Техника и практика спектроскопии. Главная редакция физико-математической
литературы изд-ва «Наука». 1976 г.
.3 Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И.
Аналоговая и цифровая электроника. М.: Горячая линия - Телком, 2005. - 768 с.:
ил.
Технические требования
.1 Состав изделия и требований к конструкции
устройства
.2 Установка собирается из стандартной
аппаратуры с разработкой необходимой оснастки. Блок питания ультрафиолетовой
лампы должен быть выполнен в покупном корпусе.
.2.1 В корпусе должны быть предусмотрены разъёмы
для проводов питания.
.2.2 Печатный узел (ПУ) должен быть выполнен на
жёсткой односторонней печатной плате (ОПП).
.2.3 Площадь ПП выбирается на усмотрение
разработчика. Класс точности проводящего рисунка - 1 по ГОСТ 23751-86.
.3 Технические показатели
Параметры оптического канала установки:
Апертура 0,17 для МИМ-7;
Фокусное расстояние 23,2 мм для МБС-10;
Оптическое увеличение общее до 5000 раз;
Площадь исследуемого образца от 0,1х0,1 мм до
10х10 мм
Параметры блока УФ подсветки:
Напряжение питания 220 В
Частота питающей сети 50 Гц
Максимальный ток нагрузки 5 А
Напряжение на лампе 16-25 В
Параметры канала измерения ВАХ светодиода:
Допустимое напряжение питания: 10 - 30 В;
Максимальный ток, подаваемый на светодиод: 200
мА;
Минимальный шаг приращения тока: ~1 мА;
Длительность импульса тока в импульсном режиме
измерения: 0.4 мс;
Диапазон измеряемых температур: 0-100 оС;
5.4 Требования к надёжности
.4.1 Срок службы изделия - 20 000 ч.
.4.2 Время непрерывной работы - 8 ч.
.4.3 Значения вероятности безотказной работы
прибора в течение срока службы и времени непрерывной работы по 5.4.1, 5.4.2
должны быть определены в процессе разработки и подлежат согласованию с
Заказчиком. Средняя наработка на отказ уточняется в процессе разработки на
стадии эскизного проекта.
.5 Условия эксплуатации
Условия эксплуатации должны отвечать следующим
требованиям по ГОСТ 16962-71.
По вибрационным нагрузкам степень жёсткости I
диапазон частот 1-35 Гц, максимальное ускорение 0,5 g;
По ударным многократным нагрузкам степень
жёстокости I ускорение не более
15 g длительность удара
2-15 мс;
По одиночным ударным нагрузкам степень жёсткости
I ускорение более 4 g,
длительность удара 40-60 мс;
По линейным (центробежным) нагрузкам степень
жёсткости I ускорение равно 10
g;
По температуре воздуха при эксплуатации степень
жёсткости I - нижнее значение
плюс 1оС;
По температуре воздуха при эксплуатации степень
жёсткости I - верхнее значение
плюс 40оС;
По температуре воздуха при транспортировке и
хранении степень жёсткости I
нижнее значение минус 50оС;
По температуре воздуха при транспортировке и
хранении степень жёсткости I
верхнее значение плюс 50оС.
.6 Требования к технологичности
Общая трудоёмкость изделия должна быть
минимальной: уточняется в процессе разработки изготовления макетов на стадии
разработки рабочей документации опытного образца.
.7 Требования к уровню унификации и
стандартизации
В изделии должны быть максимально использованы
конструктивные решения, используемые промышленностью. Разработка и применение
оригинальных деталей подлежит согласованию с заказчиком.
.8 Эстетические и эргономические требования
.8.1 Конструкция должна соответствовать общим
требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.007.0 - 75 - «Эстетические и
эргономические требования».
.8.2 Компоновка органов управления, контроля и
настройки; конструкция передней должна соответствовать современным требованиям
эргономики и технической эстетики.
Экономические показатели
Себестоимость изделия должна быть минимально
возможной.
Стадии и этапы разработки
Стадия разработки - эскизный проект.
Материалы, предъявляемые по окончании работы
.1 Пояснительная записка с подробной проработкой
следующих вопросов:
1) аналитический обзор;
2) анализ ТЗ;
) определение состава установки;
) определение последовательности
измерений и испытаний;
) описание работы установки;
) конструкторские расчёты;
) технологическое обоснование;
) технико-экономическое обоснование
проекта;
9) разработка вопросов
охраны труда при производстве;
10) список использованных источников;
8.2 Прочие документы (схемы, чертежи и т. п.):
1) структурная схема установки;
2) демонстрационный лист (внешний вид и
состав установки);
) демонстрационный лист
(автоматизированного построителя ВАХ);
) схема электрическая принципиальная
блока питания УФ лампы;
) схема сборочного состава блока питания
УФ лампы;
) печатный узел блока питания УФ лампы -
сборочный чертёж;
) сборочный чертёж блока питания УФ
лампы;
8) чертежи отдельных деталей;
9) технологическая схема сборки;
10) экономическая часть.
8.3 Требования к предъявляемым материалам
Все предъявленные материалы должны
соответствовать требованиям действующих стандартов, методических указаний по
дипломному проектированию и образовательным стандартам ОС ТУСУР 6.1 - 97.
.4 Макеты
Оптический блок, блок УФ подсветки,
автоматический построитель ВАХ.
Обозначения и
сокращения
СИД - светоизлучающий диод
СДУ - светодиодное устройство
ЭЛ - электролюминесценция
ВАХ - вольтамперная характеристика
SEM - растровая
электронная микроскопия
FIB -
фокусированный ионный пучок
AFM -
атомно-силовая микроскопия
GaN - нитрид
галлия
AlN - нитрид
алюминия СИД - светоизлучающий диод
МОГФЭ - металлорганическая газофазная эпитаксия
ППИ - полупроводниковые изделия
КПД - коэффициент полезного действия
ЭМП - электромагнитные помехи
УФ - ультрафиолет
КД - конструкторская документация
УИР - учебно-исследовательская работа
ОКР - опытно-конструкторские работы
НИР - научно-исследовательская работа
ШИМ - широтно-импульсная модуляция
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
УИТ - управляемый источник тока
ОУ - операционный усилитель
РЭА - радиоэлектронная аппаратура
БП - блок питания
ЭРИ - электрорадиоизделие
РЭС - радиоэлектронное средство
ОПП - односторонняя плата
ИМС - интегральная микросхема
ФУ - функциональный узел
ПК - персональный компьютер
БИС - большая интегральная микросхема
СБИС - сверхбольшая интегральная микросхема
КП - контактная площадка
ДПП - двухсторонняя печатная плата
МПП - многослойная печатная плата
ПП - печатная плата
ЭРЭ - электрорадиоэлемент
СМИ - средства массовой информации
ДРШ - дуговая ртутная шаровая лампа
ТЗ - техническое задание
ПУ - печатный узел
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная
машина
БЖД - безопасность жизнедеятельности
САПР - система автоматизированного
проектирования
ЛАТР - лабораторный автотрансформатор
ТКН - температурный коэффициент напряжения
ЭТУ - эксплуатационно-технический уровень
UART -
универсальный асинхронный приёмопередатчик
МИМ-7 - микроскоп металлографический
МБС-10 - микроскоп бинокулярный
стереоскопический
ДЗП - дополнительная заработная плата
ОЗП - основная заработная плата
ОВПФ - опасные и вредные производственные
факторы
КЕО - коэффициент естественной освещённости
Введение
Стремительное развитие технологии производства
светоизлучающих структур в последние годы привело к значительным успехам в
области повышения качества приборов на их основе. Существенно увеличилось число
различных конструкций и типов, серийно производимых кристаллов, изготовленных
на основе эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов, позволяющих
создавать источники излучения с любыми необходимыми характеристиками для
различных сфер применения. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного
излучения с любой формой его пространственного распределения и с возможностью
получения любого цветового оттенка в широком динамическом диапазоне
интенсивностей излучения открывают огромные перспективы использования
светоизлучающих диодов на основе этих структур в качестве источников света для
различных устройств. Однако, имеют место некоторые проблемы при изготовлении
как самих гетероструктур, так и светодиодов на их основе, которые до сих пор
недостаточно исследованы. Отсутствие методов комплексного решения этих проблем
на стадии производства излучающих кристаллов и технологии их сборки в
светодиодах существенно ограничивает применение готовых приборов в большинстве
устройств специальной сигнализации (светофоры, световая сигнализация [1]), в
устройствах ответственного применения с повышенной степенью надёжности
(судовое, шахтное и аварийное освещение) и в устройствах стратегического
назначения (военная и космическая техника). Наиболее значимой из всего спектра
существующих проблем является проблема изменения (деградации) всего комплекса
первоначальных параметров излучающих структур и светодиодов в целом. На
практике это проявляется в виде изменения значений некоторых характеристик
устройств с исполнительной частью на светодиодах, приводящее к искажению
визуального восприятия информации человеком.
Важной особенностью полупроводниковых источников
света является то, что они, в отличие от традиционных ламп, через 50-100 тысяч
часов не выходят из строя. Наблюдается лишь постепенное снижение их светового
потока [1-3].
В настоящее время производители светодиодов
имеют цель - повысить эффективность светодиодов и снизить их стоимость.
Увеличение эффективности выхода света может быть
реализовано различными способами: усовершенствованием качества материалов,
улучшением структуры чипа и технологии его формирования, текстурированием
поверхности, улучшением свойств подложки и т.д. Однако это требует больших
дополнительных капиталовложений и времени.
Снижение стоимости света может быть достигнуто
увеличением плотности тока, проходящего через светодиодный чип. Если зависимость
квантового выхода от прямого тока падает линейно до определенного значения тока
без насыщения, то поток света, исходящий от одного эмиттера с тем же самым
размером чипа, может быть повышен в несколько раз при более высоких значениях
токов.
Приборы на основе нитрида галлия являются, в
настоящее время, наиболее перспективными для создания осветительных ламп
благодаря большой ширине запрещенной зоны и высокой теплопроводности. Эти
свойства обеспечивают возможность повышения рабочих токов, допустимой рабочей
температуры и получение большой яркости света.
Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению
выхода светового потока неизбежно приводит к увеличению прямого тока через
кристалл полупроводника, и как следствие, увеличению тепловыделения.
Вследствие этого, использование мощных
светодиодов связано с потенциальной возможностью чрезмерного увеличения
температуры перехода, от которой напрямую зависят надежность и световые
характеристики СИД. При условии соблюдения рекомендованных производителем
тепловых режимов, срок службы СИД может достигать 10 лет. Нарушение же
теплового режима (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С)
может привести к снижению срока службы до 10 раз [2]. Кроме того, повышение
температуры перехода приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей
длины волны СИД, что негативно влияет на качество цветного изображения
светодиодных дисплеев [1,2].
Улучшение качества основных параметров СИД идет
в основном по пути применения современных технологических процессов, совершенствования
материалов и структур, а также по пути разработки оптимальных
конструктивно-технологических решений. В тоже время проблема деградации СИД
остается актуальной и, несмотря на непрекращающиеся исследования этого явления,
многие вопросы остаются открытыми и требуют своего решения [6]. Сложность
проблемы состоит в том, что параметры и характеристики СИД на основе
многокомпонентных растворов в сильной степени зависят от метода и технологии
изготовления, типа и концентрации легирующей примеси, структурных дефектов и
целого ряда других факторов. СИД деградируют и во время работы.
Известно [1-4], что деградация интенсивности
электролюминесценции СИД, полученная при более высокой плотности тока,
превосходит значения, наблюдаемые при низкой плотности тока даже при более
высокой температуре окружающей среды. Это свидетельствует о том, что основной
причиной деградации интенсивности электролюминесценции гетероструктур является
повышенная плотность тока, а не окружающая температура. Эти факты следует иметь
в виду при эксплуатации СИД на повышенных плотностях тока.
Сделанные оценки деградации при наработке в
10000 часов при повышенных значениях плотности тока и температуры показывают
[2], что именно увеличение плотности тока более существенно влияет на деградацию
кристаллов на основе InGaN/GaN-гетероструктур, так как приводит к
неравномерному распределению температуры в гетероструктуре и, как следствие,
локальному перегреву её активной области.
Кроме того, для СИД, работающих при высоких
уровнях возбуждения, особую остроту приобретает проблема отвода выделяемого
тепла и прецизионного контроля температуры активной области. При этом
существенно знать не усредненную температуру, рассчитанную на основе тепловых
сопротивлений, а детальную картину распределения температурных полей, так
называемый температурный «mapping» [7].
Эти факты необходимо учитывать для определения
оптимального режима работы, как при разработке светодиодов, так и при
проектировании светодиодных устройств.
Как мы видим, процессы деградации СИД весьма
непросты. Изучение же этих процессов даёт ключ к увеличению надёжности СИД, к
созданию таких диодов, в которых процессы деградации будут значительно слабее.
Уменьшив процессы деградации СИД мы сможем повысить их КПД. Сможем увеличить
максимальный ток, при котором светодиоды ещё не будут деградировать.
Установление связи между скоростью деградации важнейших параметров светодиодов
в процессе наработки с величинами этих параметров до наработки, в перспективе,
даёт возможность количественно предсказывать срок службы светодиодов ещё на
стадии производства.
Анализ известных результатов исследований
деградации светодиодов и методов её изучения, а также особенности современного
производства привели к идее проведения комплексного эксперимента, в котором
проводятся измерения максимально возможного количества параметров и
характеристик светодиодов с целью установления их взаимосвязи и
взаимозависимости в процессе наработки.
Этому и посвящена данная работа - созданию
комплексной установки для исследования деградации СИД.
1. Аналитический обзор
В мощных светодиодах поверхность кристалла имеет
большую площадь, что неизбежно приведет к неравномерному распределению
плотности светового потока по диаграмме излучения, что еще больше проявляется
при деградации [1- 4, 6].
Нельзя не коснуться цветовых характеристик.
Совершенно очевидно, что чем больше площадь кристалла, тем труднее нанести слой
люминофора, пропорциональный плотности излучения в каждой точке [2].
Известно, что наиболее резкие и большие по
амплитуде изменения свойственны светодиодам с наибольшими показателями
эффективности. Очевидно, что это обусловлено именно перераспределением
плотности потока.
Как уже говорилось выше, выделение электрической
мощности в активной области структуры приводит к ее разогреву. Особенностью
СИД, усложняющей их тепловое моделирование, является действие различных
механизмов тепловой обратной связи в структурах прибора, которые приводят к
изменению исходного распределения источников тепла в структуре [5]. В
результате распределения температуры, плотности тока и мощности становятся
неоднородными.
Кроме этого, производство и эксплуатация СИД
всегда сопровождается появлением макродефектов, то есть отклонений
электрофизических или теплофизических параметров локальной области структуры от
номинальных значений больше допустимого уровня. Наличие дефектов приводит к
появлению локальных перегревов и перераспределению плотности тока и мощности в
структуре.
Известно, что для температур
плавления GaN (~2800°С) характерны высокие равновесные давления азота, что
препятствует выращиванию совершенных кристаллов GaN из расплава. Обычная
плотность дислокаций в кристаллах нитридов достигает 107÷1010 см-2.
Вследствие этого базовые структуры для создания приборов на основе GaN получают
при помощи гетероэпитаксиального осаждения из газовой фазы или
молекулярно-лучевой <#"806308.files/image001.gif">
1 - УФ лампа; 2 - БП УФ лампы; 3 - МБС-10; 4 -
печь; 5 - СИД; 6 - МИМ-7; 7 - Web-микроскоп;
8 - тепловизор; 9 - автоматизированный построитель ВАХ; 10 - универсальный
измеритель ВАХ в области микротоков; 11 - персональный компьютер
Рисунок 2.1 - Функциональная схема установки
2.2 Определение
последовательности измерений и испытаний
1) Фотографирование поверхности кристалла
СИД.
2) Фотографирование поверхности СИД в УФ
свете. Определение начальной дефектности кристалла.
) Измерение ВАХ в области микротоков.
Определение степени влияния сквозных дефектов, распространяющихся на всю
глубину многослойной эпитаксиальной структуры «закоротки».
) Картина свечения поверхности СИД до
испытания.
) Измерение калибровочных ВАХ при разных
температурах в режимах негреющего тока для дальнейшего определения температуры
активной зоны в рабочем режиме.
) Испытания. Совместно с НИИПП.
) Повторение процедуры исследования СИД
после испытаний.
2.3 Описание работы
установки
.3.1 Описание конструкции
и работы оптического канала
Оптический канал состоит из:
1) микроскопа МИМ - 7, МБС - 10;
2) Web-микроскопа;
) блока ультрафиолетовой подсветки;
) тепловизора совмещённого с микроскопом;
Исследуемый образец помещается под микроскоп МИМ
- 7 или МБС - 10, через Web-микроскоп
изображение поверхности передаётся на персональный компьютер, где происходит
дальнейшая его обработка. Перед проведением испытаний фотографируется
поверхность неработающего светодиода и в рабочем состоянии, после чего
включается ультрафиолетовая лампа, снимаются картины свечения во время
фотолюминесценции поверхности кристалла без подачи внешнего питания. После
этого происходит подсчёт количества дефектов в образце. Тепловизор
используется, во время работы СИД в номинальном режиме или при повышенных
токах, для определения картины локального перегрева и уточнения тепловых
расчётов. С тепловизора изображение передаётся на компьютер, где происходит его
обработка оператором [18, 19, 20].
1 - УФ подсветка; 2 - МИМ-7; 3 - МБС-10; 4 -
микроскоп; 5, 6 - Web-микроскоп;
7 - тепловизор; 8 - персональный компьютер;
Рисунок 2.2 - Структурная схема оптического
блока
.3.2 Тепловизионный
блок
Позволяет видеть картину распределения нагрева
кристалла и выявлять места перегрева, которые возникают за счёт выходов
дислокаций на поверхность кристалла и образования «закороток». Тепловизионный
блок позволяет уточнить расчёты тепловых процессов в кристалле, которые
производятся на основании данных полученных при измерениях ВАХ и обработки
изображения картин свечения. На сегодняшний день данное устройство мы не
изготовили. В планах собрать его с применением тепловизионной матрицы или
готового блока S5IR.
1 - микроскоп; 2 - тепловизионная матрица; 3 -
драйвер для тепловизионной матрицы; 4 - ПК;
Рисунок 2.3 - Структурная схема тепловизионного
блока
2.3.3 Описание блока
электрических измерений
В электрический блок входят автоматизированный
построитель ВАХ и схема измерения ВАХ в области микротоков.
Измерения в области микротоков необходимы для
определения степени деградации гетероструктур СИД, так как в этой области
изменения проявляются быстрей, чем при других значениях токов. Причиной такого
изменения становятся сквозные дефекты, проходящие через весь кристалл,
«закоротки».
Сфотографировав поверхность кристалла, проводить
измерения ВАХ в области микротоков, после чего производят подсчёт выходов
дислокаций на поверхности кристалла оптическим методом. Ставят диод на
испытание и через некоторое время повторяют измерения. В результате получают
семейство ВАХ в области микротоков при разных плотностях дефектов в кристалле,
что позволяет более точно оценить степень деградации кристалла.
Автоматизированный построитель ВАХ позволяет
построить семейство ВАХ во всём диапазоне рабочих токов. При этом есть
возможность строить характеристики, когда кристалл нагрет до определенной
температуры. Появляется возможность построить семейство калибровочных ВАХ при
разных температурах и потом, во время работы СИД в номинальном режиме или при
повышенных токах, определить температуру активной зоны кристалла. Рассмотрим
более подробно установки позволяющие реализовать данные методы.
2.3.4 Схема измерения в
области микротоков
Используется схема, в цепь которой входит исследуемый
образец, резистор, два вольтметра и блок питания. Схема представлена на рисунке
3.7.
Рисунок 2.4 - Схема измерения ВАХ в области
микротоков
Чувствительность данной схемы можно менять с
помощью резистора. Это позволяет настроить схему на необходимый интервал токов
для более точных измерений [19].
2.3.5
Автоматизированный построитель ВАХ
Для исследования вольтамперных характеристик
(ВАХ) светоизлучающего диода (СИД) при изменении температуры окружающей среды был
создан прибор для снятия ВАХ и оперативного измерения температуры, см. рисунок
2.5 [21].
Рисунок 2.5 - Структурная схема построителя ВАХ
Рисунок 2.6 - Главное окно
программы «Построитель ВАХ»
Прибор выполнен на относительно дешевом, но в
тоже время обладающем обширной периферией, микроконтроллере Atmega
16 семейства AVR,
выпускаемым фирмой Atmel.
Принцип работы автоматического построителя ВАХ
основан на ступенчатом увеличении тока текущего через светодиод, и измерении
этого тока и напряжения падающего на светодиоде.
Ступенчатое увеличение тока, контролируемое
программно, реализовано на сигнале с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ),
который генерируется микроконтроллером. ШИМ-сигнал интегрируется RC-цепочками,
на выходе которых получаем постоянное напряжение, величина которого обратно
пропорциональна скважности импульсов ШИМ-сигнала. В данном случае RC-цепочки
выступают в роли простейшего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). На выходе
ЦАП стоит транзистор, который основную часть времени работы устройства
находится в открытом состоянии. Замыкание выходного сигнала ЦАП на землю
происходит кратковременно по сигналу с микроконтроллера с периодом 700 мс.
Закрывается же транзистор на 600 мкс, пропуская выходное напряжение ЦАП на
управляемый источник тока (УИТ). Такой режим работы, при котором длительность
горения исследуемого светодиода не превышает 600 мкс в совокупности с большой
скважностью импульсов, позволяет исключить из расчетов нагрев кристалла
светодиода за счет протекания через него тока.
УИТ выполнен на операционном усилителе (ОУ) и
полевом транзисторе, в цепь истока которого последовательно включены измеряемый
светодиод и постоянный резистор, выполняющий функцию датчика тока.
Инвертирующий вход ОУ подключен к резистору и отслеживает величину тока
текущего через светодиод. На неинвертирующий вход подается напряжение с выхода
ЦАП. При такой схеме включения ток, текущий через светодиод прямо
пропорционален напряжению на неинвертирующем входе ОУ, то есть параметры
ШИМ-сигнала микроконтроллера определяют величину тока текущего через светодиод.
Напряжения с резистора и светодиода подаются на
повторители напряжения, выполненные на ОУ с замкнутой цепью отрицательной
обратной связи. Повторители напряжения, обладающие высоким входным
сопротивлением и малым выходным, выступают в роли буферов, которые не вносят
изменений во входной сигнал и согласуют его с относительно низкоомными входами
аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микроконтроллера. В микроконтроллере
эти напряжения программно обрабатываются.
Для вывода информации и управления параметрами
снятия ВАХ применяется персональный компьютер. Микроконтроллер имеет встроенный
канал UART который
позволяет микроконтроллеру обмениваться данными с компьютером посредством
интерфейса RS-232,
который применяется для обмена данными по COM-порту.
Для согласования логических уровней микроконтроллера с логическими уровнями COM-порта
применяется специализированная микросхема MAX232.
С выхода этой микросхемы можно передавать данные непосредственно в COM-порт.
Однако интерфейс RS-232
все реже применяется в периферийной технике и почти полностью вытеснен более
современным интерфейсом USB
2.0. Чтобы дать оператору возможность использовать построитель ВАХ на
современных компьютерах, которые не имеют COM-порта,
в комплект устройства введен еще один интерфейс - USB
2.0, который создается из стандартного интерфейса UART
с помощью специализированной микросхемы PL-2303.
В качестве датчика температуры применяется
кремниевый выпрямительный диод, обладающий постоянным температурным
коэффициентом напряжения (ТКН) в диапазоне температур 0 - 100 градусов. Для
того чтобы ТКН диода был постоянен необходимо, чтобы ток, текущий через диод,
также был неизменным. В качестве источника тока для датчика применена схема
источника стабильного тока на биполярных транзисторах. Дифференциальный
усилитель, выполненный на ОУ, усиливает сигнал с датчика и передает его в АЦП
микроконтроллера для обработки.
Для удобного восприятия информации оператором и
управления параметрами измерения ВАХ написана программа с интуитивно понятным
интерфейсом, простыми операциями управления микроконтроллером и удобными
форматами вывода данных. Данные выводятся как в числовом, так и в графическом
виде. [21]
Для питания узлов схемы применяются интегральные
стабилизаторы постоянного напряжения. На плате имеется разъем для
внутрисхемного программирования микроконтроллера, который позволяет в случае
необходимости изменить программу устройства без демонтажа микросхемы.
.3.6 Описание работы
блока УФ подсветки
Блок УФ подсветки состоит из лампы
ультрафиолетовой ДРШ-100-2, держателя для лампы, столика с фокусировочным
зеркалом для микроскопа и стабилизированного источника питания. Свет от лампы
фокусируется с помощью вогнутого металлического зеркала и подаётся на
исследуемый образец. Благодаря этому появляется возможность равномерно осветить
гетероструктуру СИД сфокусированным пучком света, что позволяет получить яркое
изображение фотолюминесценции кристалла.
2.4 Проектирование
ПУ
Анализ ТЗ проводится в целях выявления
схемотехнических, конструктивных, эксплуатационных и технологических требований
и ограничений на ПУ.
В результате подробного анализа ТЗ должны быть
найдены основополагающие конструктивно-технологические решения и сформирована
схема электрическая принципиальная ПУ, состоящая только из тех ЭРЭ, которые
следует разместить на печатной плате.
2.4.1 Схемотехнические
требования на ПУ
Схемотехнические требования вырабатываются на
основе анализа электрической схемы и электрических режимов работы ЭРЭ. Такой
анализ позволяет обнаружить компоненты, ФУ и электрические цепи, определяющие
особенности компоновки ЭРЭ на ПП и размещения топологического рисунка.
Анализ электрической принципиальной схемы РКФ
ДП. 411733.100 Э3 показал, что наиболее нагруженной частью схемы является
транзистор VT1. Так как он выступает основным элементом стабилизатора и на нём
выделяется значительная мощность.
С целью улучшения теплоотведения необходимо
предусмотреть установку радиатора на корпус транзистора VT1;
При этом следует увеличить ширину проводников
проводящего рисунка ПП потенциальных цепей (питание и общий).
В проектируемом устройстве отсутствуют элементы,
усложняющие процесс проектирования и понижающие надежность устройства:
ЭРЭ, сопрягаемые с конструкцией корпуса
устройства;
ЭРЭ, подбираемые при настройке;
органы оперативного управления;
устройства индикации;
Точки, необходимые для проведения внутрисхемного
контроля не предусмотрены ТЗ, поэтому введение в топологию проводящего рисунка
ПП контрольных контактных площадок не требуется.
2.4.2
Конструктивные ограничения на ПУ
Габариты и конфигурация ПП по условию ТЗ
выбираются разработчиком. Предварительный расчет монтажной зоны с учетом зоны
краевого поля, предусматриваемого для вспомогательных целей (размещения
разъемов, крепежных отверстий, зон для направляющих элементов и т.п.) показал
возможность размещения ЭРЭ, определенных перечнем элементов, на площади ПП
95х95 мм.
На ПП необходимо предусмотреть четыре крепежных
отверстия диаметром 3,2 мм.
2.4.3 Эксплуатационные
ограничения на ПУ
Предельно допустимые условия эксплуатации для
элементов ПУ, согласно перечню элементов, приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Предельно допустимые условия
эксплуатации элементов
|
№
|
Наименование
|
Вибрации
|
Удары
|
Линейные
(центробежные) нагрузки, g
|
Температура
среды, С
|
Повыш.
атм. давл. ммртст
|
Пониж.
атм. давл. ммртст
|
Отн.
влаж. при 25С
|
Заключение
|
|
|
|
Многократные
|
Однократные
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диап.
частот, Гц
|
Макс.
ускор., g
|
Макс.
ускор., g
|
Длит.
удара, мс
|
Макс.
ускор., g
|
Длит.
удара, мс
|
|
Верх.
знач.
|
Нижн.
знач.
|
|
|
|
|
|
1
|
Транзистор
ГТ806А
|
1-500
|
10
|
75
|
1-6
|
150
|
0,1-2
|
200
|
85
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
2
|
Транзистор
ГТ905А
|
1-2000
|
10
|
150
|
1-3
|
150
|
0,1-2
|
200
|
85
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
3
|
Резистор
Yageo
|
1-5000
|
20
|
150
|
1-3
|
1000
|
0,2-1
|
200
|
125
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
4
|
Резистор
R2
|
1-5000
|
20
|
150
|
1-3
|
1000
|
0,2-1
|
125
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
5
|
Резистор
R3
|
1-5000
|
20
|
150
|
1-3
|
1000
|
0,2-1
|
200
|
125
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
6
|
Диодный
мост VD1
|
1-3000
|
10
|
150
|
1-3
|
150
|
0,1-2
|
200
|
85
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
7
|
Диоды
VD3-VD4
|
1-3000
|
10
|
150
|
1-3
|
150
|
0,1-2
|
200
|
85
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
8
|
Стабилитрон
VD2
|
1-2000
|
10
|
75
|
1-3
|
150
|
0,1-2
|
200
|
85
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
9
|
Конденсатор
Yageo
C1-C4
|
1-2000
|
20
|
75
|
1-3
|
1000
|
0,2-1
|
200
|
125
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
|
10
|
Конденсатор
Yageo
C5-C6
|
1-5000
|
20
|
150
|
1-3
|
1000
|
0,2-1
|
200
|
125
|
-60
|
200
|
3
|
98
|
+
|
Предварительный анализ соответствия элементов ПУ
требованиям условий эксплуатации изделия показал, что обеспечение
дополнительных мер по повышению стойкости и прочности ПУ к внешним механическим
и климатическим воздействиям не требуется.
Особенности схемотехнической настройки печатного
узла (необходимость покаскадной, последовательной настройки, организации
технологических разрывов в электрических цепях и т.д.) не предусмотрены.
2.4.4 Выбор типа ПП
Тип ПП определяется сложностью исходной
электрической схемы, частотным диапазоном, назначением РЭС, необходимостью
экранирования конкретных цепей. Разработчик должен стремиться к минимизации
стоимости ПП, а это напрямую зависит от числа слоев.
В соответствии с ТЗ ПУ должен быть выполнен на
жесткой ОПП.
Преимуществами ОПП являются простота и низкая
стоимость изготовления, а недостатками - низкая трассировочная способность
вследствие низкой разрешающей способности рисунка схемы, одностороннего
расположения широких проводников и большого расстояния между ними. Поэтому
установка ЭРИ высокой функциональной сложности крайне ограничена. Конструкция
ОПП представлена на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 - Конструкция ОПП: 1 -
диэлектрическое основание; 2 - контактная площадка; 3 - печатный проводник; 4 -
отверстие; 5 - ЭРИ;
2.4.5 Технологические
ограничения на ПУ
На ПУ установлены требования в виде класса
точности проводящего рисунка, он должен быть выполнен по первому классу
точности. В ТЗ указано, что общая трудоёмкость изготовления должна быть
минимальной. В изделие должны быть максимально применены унифицированные
составные части.
3. Конструкторская
часть
.1 Описание
электрической принципиальной схемы ПУ
Схема электрическая принципиальная блока питания
лампы ртутной дуговой ДРШ-100-2 представлена на РКФ ДП. 411733.100 Э3.
Рассмотрим стабилизатор напряжения на кремниевом
стабилитроне, который имеет простое устройство, малое количество деталей и с
успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего
значения тока, протекающего через стабилитрон и находящегося в пределах между
IСТ.МИН и IСТ.МАКС. При использовании стабилитронов типа Д808...Д814 или их
аналогов 1075Z4… 1094Z4, ток нагрузки не должен превышать 20...30 мА. При
больших токах нагрузки необходимы более мощные стабилитроны.
Рисунок 3.1 - Стабилизатор на кремниевом
стабилитроне
Недостатком простейшего стабилизатора на
кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном
резисторе R1, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого
стабилизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное
выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить
стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через
нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. В качестве такового без
существенного увеличения числа элементов и усложнения схемы используют
транзисторный фильтр со своеобразной следящей системой, которая в зависимости
от изменения напряжения на входе фильтра или на его выходе за счет изменения
тока нагрузки изменяет сопротивление транзистора таким образом, что напряжение
на выходе этого фильтра - стабилизатора остается неизменным.
Схема транзисторного стабилизатора напряжения
изображена на рисунке 3.2 а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на
кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой
стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эммитерную цепь которого
включена основная нагрузка Rн.
Рисунок 3.2 - Схемы транзисторных стабилизаторов
напряжения
Эмиттерный и коллекторный токи
транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем Iэ
Iк. Поэтому
при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях
протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА).
Рассмотрим работу транзисторного
стабилизатора. Из рисунка 4.2 а видно, что напряжение на нагрузке (UH)
отличается от напряжения на стабилитроне (UСТ) на напряжение, падающее на
эмиттерном переходе UЭБ транзистора VT, т. е. UH=UCT-UЭБ. Если напряжение на
входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что
приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку IH, и напряжения UH.
Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание
напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения UЭБ, тока базы транзистора
VT и увеличение сопротивления перехода коллектор-эмиттер. Вследствие увеличения
сопротивления перехода коллектор-эмиттер на этом переходе будет большее падение
напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При
уменьшении входного напряжения, напряжение UЭБ повысится, что повлечет за собой
увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор-эмиттер и
повышение напряжения на этом переходе.
Таким образом, в рассматриваемом
стабилизаторе напряжения транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки RH
образует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора
изменяется так, что компенсируются всякие изменения входного напряжения. Такой
стабилизатор называют компенсационным, а транзистор VT с изменяющимся
сопротивлением коллекторного перехода - регулирующим.
Выходное сопротивление этого
стабилизатора составляет несколько Ом, а коэффициент стабилизации примерно
такой же, как у простейшего стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и
стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через ограничительный резистор не
протекает, а сопротивление постоянному току перехода коллектор - эмиттер
транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более
высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если
вместо VT использовать составной транзистор, состоящий из маломощного
транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рисунок 4.2 б), то можно
осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через
нагрузку, измеряемых амперами.
При таком включении VT1 и VT2 в
качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера
маломощного (или средней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки
стабилитрона VD является ток базы VT1, который в десятки раз меньше тока базы
VT2.
Важной особенностью транзисторных
стабилизаторов напряжения является следующее. Напряжение на нагрузке UH
отличается от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона UCT на
напряжение, падающее на переходе эмиттер-база UЭБ транзистора VT (рисунок 4.2
а), т. е. UH=UCT-UЭБ. Для германиевых транзисторов напряжение UЭБ составляет
всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых - не более 1 В. Поэтому если вместо
стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то
изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые
стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рисунке 4.2
в. В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный
переменный резистор RУСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение
на нагрузке UH вместе с напряжением на переходе эмиттер-база UЭБ транзистора VT
равно напряжению UУСТ, снимаемому с переменного резистора RУСТ, т. е.
UH+UЭБ=UУСT, откуда следует: UH=UУСТ-UЭБ. При перемещении движка переменного
резистора RУСТ будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно,
напряжение на нагрузке UH. Таким способом можно регулировать напряжение на
нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD
(точнее, до значения UCT-UЭБ).
Рисунок 3.3 - Схема транзисторного
мощного регулируемого стабилизатора напряжения
Если ток базы регулирующего
транзистора VT1 велик, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель
постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора приведена на рисунке 4.3.
Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на
котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется
напряжением обратной связи (UOC). Из рисунка видно, что UOC=UCТ+ UЭБ. Ток,
протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА.
Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько кОм [22, 23].
Схему нашего блока питания построим
по типу схемы изображенной на рисунке 3.3.
3.2 Выбор принципа проектирования ПУ
Габариты, конструкция и качество ПУ РЭС во
многом зависят от выбранного способа конструирования: моносхемный,
функционально-блочный, функционально-модульный и функционально-узловой.
В нашем случае вся электрическая схема изделия
располагается на одной ПП, поэтому выбран моносхемный способ конструирования.
Метод отличает повышенная плоскостность компоновки, малое количество крепежных
деталей, отсутствие межплатных соединений.
На качество проектирования ПП действуют
следующие факторы:
степень сложности;
способ изготовления;
назначение изделия;
условия эксплуатации;
диапазон частот и рабочих напряжений.
По степени сложности разрабатываемый ПУ можно
отнести к 1 группе (простая аппаратура, содержащая до 10 активных ЭРЭ (2-3
ИМС)).
Характер производства (серийность выпуска), с
учетом степени сложности, влияет на выбор способа изготовления ПП, в частности,
способа получения печатного рисунка (фото, сеточный или офсетный способы).
Выбор способа пайки ЭРЭ формирует требования к элементам печатного рисунка и
взаимной ориентации этих элементов. Для изделий 1-2-й групп сложности применим
любой способ формирования рисунка.
Для бытовой РЭС рекомендуется формировать
рисунок ПП сеточным и офсетным способами, а для аппаратуры специального
назначения - офсетным способом и фотоспособом. Разрабатываемый ПУ относится к
аппаратуре специального назначения. При изготовлении ПП будет использован
фотоспособ получения рисунка, отличающийся наибольшей разрешающей способностью.
На выбор способа изготовления кроме требований к
конфигурации рисунка влияют также частотный диапазон и рабочее напряжение. При
частотах до 6 МГц и напряжениях до 50 В допустимы все способы изготовления. До
30 МГц и до 300 В не применяется сеточный способ формирования рисунка, а выше
30 МГц и свыше 300 В ПП изготавливаются только фотоспособом.
Современные РЭС сложно представить без
применения технологии поверхностного монтажа - перехода от монтажа компонентов
с выводами в отверстия к поверхностному монтажу безвыводных компонентов в
микрокорпусах или компонентов с планарными выводами. Его преимущества по
сравнению с традиционными методами:
повышение плотности компоновки (многие
компоненты, предназначенные для монтажа, имеют шаг расположения контактных
площадок, равный 1,25 мм или 0,625 мм, и их можно монтировать на двух сторонах
платы);
снижение затрат на изготовление ПП (устраняются
операции сверления монтажных отверстий, их очистки, металлизации и контроля);
исключение некоторых подготовительных операций
при сборке (выпрямление, обрезка, формовка выводов);
повышение надежности соединений.
3.3
Определение вариантов установки ЭРЭ
На данном этапе топологического проектирования
ПП осуществляется выбор вариантов установки ЭРЭ с определением
габаритно-установочных размеров по ОСТ 4.010.030-81
«Установка навесных элементов на печатные платы». Эта процедура необходима для
определения габаритных размеров ПП (или возможности размещения ЭРЭ на печатной
плате при заданных габаритах с учетом обеспечения теплового и механического
режимов работы ЭРЭ), выбора геометрических моделей, применяемых в пакетах САПР
ПП и геометрических примитивов (упрощенных изображений) в конструкторской
документации.
Конструкторский анализ элементной базы состоит в
определении: массы, габаритных размеров, установочной площади Si, диаметра
выводов dв ЭРЭ.
Масса и габаритные размеры применяемых
компонентов влияют на выбор варианта и места установки ЭРЭ и способа его
дополнительного крепления.
Диаметры выводов ЭРЭ необходимы для расчета
диаметров монтажных отверстий.
Габаритные размеры, а точнее установочные
площади, позволяют предварительно оценить площадь ПП.
Установочная площадь Si
ЭРЭ вычисляется по формуле:
Si = 1,3∙L∙B
где L и В - длина и ширина ЭРЭ по установочным
размерам, в соответствии с вариантом установки по ОСТ 4.010.030-81.
Поскольку, в общем случае, Si
может определяться длиной и высотой ЭРЭ, шириной и высотой или вариантом
расположения на плате (рисунок 4.4) и иметь при этом разные значения, то
желательно определять минимальную и максимальную установочные площади.
[24]
Рисунок 3.4 - Влияние варианта установки ЭРЭ на
установочную площадь
Согласно рисунку 4.4 установочная площадь Si
вычисляется по формулам:
Si = 1,3∙D2
Si = 1,3∙H∙D
Конденсаторы, резисторы, диоды, диодный мост,
устанавливаем по варианту Iа
(рисунок 3.5).
Рисунок 3.5 - Вариант Iа
Транзистор VT2
устанавливаем по варианту Iб
(рисунок 3.6).
Рисунок 3.6 - Вариант Iб
Транзистор VT1
устанавливаем по варианту VIIб
(рисунок 3.7).
Рисунок 3.7- Вариант VIIа
Резистор R3
устанавливаем по варианту IIв
(рисунок 3.8).
Рисунок 3.8 - Вариант IIв
Информацию о применяемых в проекте ЭРЭ удобно
представить в форме таблицы конструктивных характеристик ЭРЭ (таблица 3.1).
Таблица 3.1 - Конструктивные характеристики ЭРЭ
|
№
п.п.
|
Наименование,
тип, обозначение ЭРЭ
|
Кол-во,
шт
|
Габаритные
размеры, мм
|
Установочная
площадь, мм2
|
Диаметр
выводов, мм
|
Вариант
установки
|
|
1
|
Транзистор
ГТ806А
|
1
|
D=28
|
1230,88
(25001)
|
2
|
VIIa
|
|
2
|
Транзистор
ГТ905А
|
1
|
25х15
|
375
|
2
|
Iб
|
|
3
|
Резистор
Yageo
|
1
|
23x10
|
230
|
0,8
|
Ia
|
|
4
|
Резистор
R2
|
1
|
10x3
|
30
|
0,5
|
Ia
|
|
5
|
Резистор
R3
|
1
|
17x13
|
221
|
0,8
|
IIв
|
|
6
|
Диодный
мост VD1
|
1
|
22x7
|
154
|
1,2
|
Ia
|
|
7
|
Диоды
VD3-VD4
|
2
|
7x3
|
21
|
0,8
|
Ia
|
|
8
|
Стабилитрон
VD2
|
1
|
4x2
|
8
|
0,5
|
Ia
|
|
9
|
Конденсатор
Yageo
C1-C4
|
4
|
D = 13
|
265,33
|
0,5
|
Ia
|
|
10
|
Конденсатор
Yageo
C5-C6
|
2
|
D=16
|
401,92
|
0,8
|
Ia
|
|
1)
Установочная площадь указана с учетом габаритов радиатора
|
В соответствии с данными таблицы 3.1 суммарная
установочная площадь, занимаемая ЭРЭ, равна:
с учетом радиаторов - 4206,25 мм2;
без учета радиаторов - 2937,13 мм2.
3.4
Определение габаритных размеров ПП
Габаритные размеры ПП проектируемого ПУ выбираем
равными 95х95, не смотря на это, необходимо вычислить монтажную зону с целью
оценки возможности размещения ЭРЭ, определенных перечнем элементов, на заданной
площади ПП. При необходимости, могут быть скорректированы варианты установки
ЭРЭ.
Площадь ПП состоит из рабочей (монтажной) зоны и
зоны краевого поля, предусматриваемого для вспомогательных целей (размещения
разъемов, крепежных отверстий, зон для направляющих элементов и т.п.) (рисунок
3.9).
Рисунок 3.9 - Расположение компоновочных зон на
ПП
Ширина краевого поля есть расстояние от края ПП
до первого ряда посадочных мест. Она состоит из четырех зон:- ширина краевого
поля по оси X (как правило, одинакова слева и справа), которая определяется
направляющими элементами конструкции, конструкцией выводов устанавливаемых на
ПП ЭРЭ, крепежными изделиями и т.д.;- ширина краевого поля нижней кромки ПП,
предназначенного для установки соединителя. Размер краевого поля Y1 зависит от
типа выбранного соединителя;- ширина краевого поля на верхней кромке ПП, где
размещаются лицевая панель для модулей кассетной конструкции и контрольные
гнезда.
Площадь монтажной зоны, занимаемая ЭРЭ SЭРЭ,
вычисляется как сумма установочных площадей ЭРЭ Si с учетом коэффициент
заполнения по площади kз
= 0,6-0,7. Расчетная площадь монтажной зоны SP,
определяется по формуле:
Согласно (4.4) расчетная площадь
монтажной зоны при среднем коэффициенте заполнения kз = 0,65
будет равна:
с учетом радиаторов и соединителей -
SP = 4206,25
/0,65 = 6471,15 мм2;
без учета радиаторов и соединителей
- SP = 2937,13
/0,65 = 4518,66 мм2.
Длину В и ширину L монтажной
зоны приблизительно можно определить по формуле:
Согласно (4.5) приблизительные
размеры монтажной зоны будут равны:
с учетом радиаторов и соединителей -
81х81 мм;
без учета радиаторов и соединителей
- 55х55 мм.
С учетом ширины краевого поля X1 = Y1 = Y2 = 5 мм,
размеры (площадь) ПП будут равны:
с учетом радиаторов и соединителей -
91х91 мм (8281 мм2);
без учета радиаторов и соединителей
- 65х65 мм (4225 мм2).
При условии прямоугольной формы
проектируемой ПП при длине одной из сторон 95 мм, другая сторона должна быть:
с учетом радиаторов и соединителей -
95 мм;
без учета радиаторов и соединителей
- 65 мм.
По результатам вычислений
определено, что размещение ЭРЭ проектируемого ПУ в размерах ПП 95x95 мм,
возможно, при этом радиатор транзистора VT1 должен
быть расположен в центре ПП.
3.5 Расчет собственной
частоты печатного узла
Данный расчёт является приближенным и
выполняется с целью проверки выполнимости требований по вибрационным нагрузкам,
установленных ТЗ. Собственная частота ПУ не должна лежать в диапазоне частот от
1 до 100 Гц, так как в противном случае резонанс с внешними вынуждающими
колебаниями может привести к механическому разрушению платы.
Печатный узел крепится в корпусе в четырех
точках. Масса печатного узла равна mпу= 47,01 г, размеры платы a=95 мм, b=95мм,
h=1 мм.
Коэффициент зависящий от размеров платы
вычисляется по формуле:
.
Распределенная масса по площади
равна:
.
Жесткость платы определяется по
формуле (E=32,3 ГПа, модуль упругости стеклотекстолита):
.
Собственная частота печатного узла:
.
Расчетная частота на много превышает
верхнюю границу диапазона частот вибрационных нагрузок, следовательно, во время
эксплуатации устройства в заданных условиях резонанса не возникнет, что не
приведет к механическому разрушению платы.
3.6 Расчет надежности
печатного узла
Эксплуатационная надёжность аппаратуры зависит в
основном от качества разрабатываемой конструкции аппаратуры, качества
использованных в аппаратуре комплектующих изделий и уровня технологического
процесса изготовляемой аппаратуры.
Надежность рассчитывается с целью проверки
удовлетворения параметров устройства требованиям, установленным в ТЗ.
БП относится к третьему классу аппаратуры:
восстанавливаемая РЭА неответственного назначения.
Интенсивность отказов рассчитываем по формуле:
где К11, К12, К13 - поправочные
коэффициенты (К11=1,1; К12 =К13 = 1);
liн
- табличная интенсивность отказов ЭРЭ одного типа при нормальных условиях
эксплуатации и коэффициенте нагрузки, равном единице, 1/ч;
ai
- поправочный коэффициент, зависящий от коэффициента нагрузки и температуры
среды, в которой работает ЭРЭ;- количество ЭРЭ данного типа.
Данные необходимые для расчета, а
так же предварительные расчеты надежности приведены в таблице 4.2.
Таблица 3.2 Табличные и расчетные
величины для расчета надежности
|
Тип
элемента
|
Кол-во
ni, шт
|
Интенсивность
отказов ЭРЭ lin, 10-6
1/ч
|
Поправочный
коэффициент, ai
|
lin· ni ·ai, , 10-6 1/ч
|
|
Резистор
|
3
|
1,3
|
0,71
|
2,769
|
|
Конденсатор
электролитический
|
6
|
1,2
|
0,63
|
4,536
|
|
Диод
|
3
|
0,01
|
1
|
0,03
|
|
Диодный
мост
|
1
|
0,01
|
1
|
0,01
|
|
Транзистор
|
2
|
0,3
|
0,85
|
0,51
|
|
Переключатель
|
1
|
0,2
|
1,05
|
0,21
|
|
Предохранитель
|
1
|
1,1
|
0,46
|
0,506
|
|
Вольтметр
|
1
|
0,3
|
0,2
|
0,06
|
|
Соединения
пайкой
|
102
|
0,015
|
1
|
1,53
|
|
|
|
10,161
|
Интенсивность отказов равна:
.
Среднее время наработки до первого
отказа:
Вероятность безотказной работы в
течение всего срока службы:
Расчетная вероятность безотказной работы
показывает, что разрабатываемое устройство проработает без отказов до конца
срока службы с вероятностью 89%. Данный результат полностью удовлетворяет
требованию ТЗ.
3.7 Описание
конструкции блока питания
Напряжение на схему подаётся от ЛАТРа. Пред трансформатором
включается фильтр радиопомех, необходимый для ослабления помех возникающих при
работе дуговой ртутной лампы. Прежде чем напряжение поступит на стабилизатор,
оно выпрямляется двухполупериодным выпрямителем, представленного на схеме
диодным мостом VD1-VD4
и ёмкостным фильтром С1. Фильтр необходим для ослабления пульсаций напряжения
на выходе выпрямителя. Работа выпрямителя основана на свойстве диодов, хорошо
проводить ток в одном направлении и не проводить в другом. В данном виде
выпрямителя диоды работают поочерёдно, за счёт чего уменьшается уровень
пульсаций, а конденсатор С1 сглаживает последние, на выходе получается прямое
напряжение, практически не имеющее пульсаций.
На конденсаторах С2-С6 собрана ёмкостная
батарея, которая необходима для запуска лампы и переключения режимов работы
схемы. Вольтметром V1 контролируется напряжение на нагрузке. Переключателями
S1, S2 производится выбор способа функционирования устройства, запуск лампы или
стабилизация напряжения. Диоды VD3, VD4 необходимы для защиты стабилизатора от
выхода из строя во время запуска лампы. Схема электрическая принципиальная
приведена на РКФ ДП. 411733.100 ЭЗ. На рисунке 4.10 представлен сборочный ПУ.
На рисунке 4.11 представлена схема электрическая принципиальная БП УФ лампы. На
рисунке 3.10 представлен макет БП УФ лампы.
Рисунок 3.10 - Сборочный печатного узла
Рисунок 3.11 - Схема электрическая
принципиальная БП УФ подсветки
3.8 Оценка теплового
режима
В схеме имеется один теплонагруженный элемент
это транзистор VT1.
Для обеспечения надёжной работы блока питания УФ лампы необходимо произвести
тепловой расчёт режима работы VT1
для определения необходимости установки радиатора.
Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором
VT1, определяется по
формуле:
;
Значение мощности не должно
превышать 75% от максимально допустимой мощности РК. МАКС приводимой в
справочнике на транзистор.
Вт.
Как показали расчёты, выбранный
транзистор КТ816А, можно использовать в данной схеме с установленным на нём
радиатором. Так как по справочным данным РК. МАКС с теплоотводом равно 25 Вт.
[26]
4.
Технологическая часть
.1 Выбор класса
точности проектирования ПП
На основании имеющихся данных по типу
производства, группе сложности и составу элементной базы, можно ориентировочно
определить класс точности ПП. В соответствии с ГОСТ 23751-86 «Платы печатные.
Основные параметры конструкции» выделены 5 классов точности, устанавливающие
все ограничения на элементы ПП, обусловленные существующими технологическими
процессами. Основные характеристики классов точности ПП приведены в таблице
4.1.
Таблица 4.1 - Характеристики классов точности ПП
|
Класс
точности
|
Область
применения
|
Основной
материал
|
Тип
производства
|
|
1
|
ПП
с дискретными элементами и низкой плотностью монтажа (1 и 2 группы сложности)
|
Фольгированный
гетинакс
|
Любой
|
|
2
|
ПП
с дискретными элементами и ИМС со средней плотностью монтажа (2 - 4 группы
сложности)
|
Фольгированный
текстолит
|
Любой,
кроме массового
|
|
3
|
ПП
с ИМС и высокой плотностью монтажа (3 и 4 группа сложности)
|
Фольгированный
текстолит с толщиной фольги 20-35 мкм
|
Единичное
и мелкосерийное
|
|
4,5
|
ПП
с БИС, СБИС, ИМС и высокой плотностью монтажа (5 группа сложности)
|
Термостойкие
травящиеся диэлектрики со сверхтонкой фольгой
|
Единичное
и мелкосерийное
|
-й и 2-й классы точности характеризуют простоту,
надежность, малую стоимость, а 4-й и 5-й классы - использование
высококачественных материалов, специальной оснастки и дорогого оборудования.
Класс точности учреждает, прежде всего,
минимально допустимые геометрические размеры элементов посадочных мест ЭРЭ и
других элементов ПП. Влияние класса точности на параметры ПП приведены в
таблице 4.2.
Таблица 4.2 - Влияние класса точности на
параметры ПП
|
Минимально
допустимые геометрические параметры печатных плат
|
Класс
точности
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
Ширина
проводника t, мм
|
0,75
|
0,45
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
|
Расстояние
между проводниками S, мм
|
0,75
|
0,45
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
|
Ширина
гарантийного пояска b, мм
|
0,30
|
0,20
|
0,10
|
0,05
|
0,025
|
|
Относительная
толщина платы J, мм
|
0,40
|
0,40
|
0,33
|
0,25
|
0,20
|
Ширина печатного проводника t - поперечный
размер проводника на любом участке в плоскости основания.
Расстояние между проводниками S - расстояние
между краями соседних проводников на одном слое ПП.
Ширина гарантийного пояска b - расстояние между
краем монтажного отверстия и краем контактной площадки.
Относительная толщина ПП J - отношение
минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы. Толщина
платы определяется толщиной материала основания с учетом толщины фольги.
В соответствии с требованиями ТЗ разрабатываемый
ПУ должен относиться к 1 классу точности.
4.2
Выбор шага координатной сетки
Координатная сетка вводится для задания
координат центров монтажных и переходных отверстий, контактных площадок и
других элементов печатного рисунка на поверхности ПП и является самым удобным
способом для указанных целей. Альтернативные способы приведены в ГОСТ 2.417-78.
Шаг координатной сетки - это расстояние между
линиями координатной сетки и его значения (для прямоугольных координат)
определены ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры»: 2,5; 1,25; 0,625 и
0,5 мм. Шаг 2,5 мм является основным, а 0,5 мм применять не рекомендуется.
При выборе шага сетки руководствуются следующими
соображениями. Для классов точности 1 и 2, при низкой плотности монтажа,
выбирают шаг 2,5 мм. Шаг 1.25 мм применяют в том случае, если на плате
устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм, так
как все монтажные отверстия должны попадать в узлы координатной сетки.
4.3
Выбор группы жесткости
Группы жесткости нормируют условия и параметры
испытаний, проводимых с целью проверки работоспособности ПП в различных
климатических условиях эксплуатации РЭС. В соответствии с ГОСТ 23752-79 «Платы
печатные. Общие технические условия» выделены 4 группы жесткости (таблица 4.3).
Таблица 4.3 - Группы жесткости ПП
|
Действующие
факторы
|
Группа
жесткости
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
Температура
окружающей среды, °С
|
Повышенная
|
+55
|
+85
|
+85
|
+100
|
|
Пониженная
|
-25
|
-40
|
-60
|
-60
|
|
Относительная
влажность воздуха, %
|
75...98
при температуре до 35 °С
|
98
при температуре до 40 °С
|
|
Смена
температур, °С
|
От
-40 до +55
|
От
-60 до +85
|
От
-60 до +85
|
От
-100 до +100
|
|
Атмосферное
давление, кПа (мм. рт. ст.)
|
Нормальное
|
53,6
(400)
|
0,67
(5)
|
Поскольку каждое изделие РЭС проходит разные
виды контроля и приемочных испытаний, то непременное задание в конструкторской
документации (КД) группы жесткости однозначно обусловливает соответствующие
процедуры испытаний для конкретных ПП.
В соответствии с требованиями ТЗ разрабатываемая
ПП относится к 1 группе жесткости.
4.4 Выбор способов
защиты устройства от внешних воздействий
Следует определить основные способы защиты как
всего устройства в целом, так и отдельных его блоков, ячеек и наиболее
ответственных деталей от воздействий внешней среды климатических, механических
и помехонесущих полей.
По результатам анализа ТЗ в части защиты РЭС
определено:
а) защита от условий эксплуатации:
полная либо частичная герметизация всего устройства
с помощью корпусов (кожухов) - не требуется;
герметизация отдельных ячеек и деталей заливкой,
пропиткой, обволакиванием, опрессовкой - не требуется;
защита с помощью металлических, неметаллических
неорганических и лакокрасочных покрытий - не требуется.
б) защита от механических воздействий:
изменение соотношения между собственной частотой
конструкции устройства и частотами источника возмущающей силы - не требуется;
применение вибропоглощающих материалов (резина,
поролон, полиуретан и др.) - не требуется;
полная или частичная амортизация устройства
(между изолируемой конструкцией и основанием устанавливаются амортизаторы) - не
требуется;
локальная амортизация отдельных ячеек и узлов -
не требуется;
уравновешивание возмущающих нагрузок механизмов
(добавление противовесов или снятие излишнего материала)- не требуется.
в) защита от помехонесущих ЭМП:
экранирование всего устройства в целом либо
отдельных его частей - не требуется;
пространственное разнесение источника помех и
чувствительных цепей устройства - не требуется.
г) защита от температурных воздействий:
уменьшение плотности компоновки элементов - не
требуется;
перфорация отверстий в кожухе и применение
жалюзи для улучшения естественной конвекции - не требуется;
специальное окрашивание внутренних и наружных
поверхностей кожуха красками с высоким значением степени черноты, позволяющее
уменьшить тепловое сопротивление на участках «нагретая зона - стенки корпуса» и
«стенки корпуса - окружающая среда» - не требуется;
применение тепловых экранов - не требуется;
принудительное перемешивание воздуха внутри
кожуха (вентиляторы) - не требуется;
применение тепловой изоляции (пенопласт и т.п.)
- не требуется;
применение различных типов радиаторов для
облегчения теплового режима полупроводниковых приборов и микросхем - требуется;
стабилизация температурного режима
термочувствительных элементов и т.п. - не требуется.
4.5
Выбор материала основания
Материал основания ПП выбирается исходя из:
электрических характеристик (частотный диапазон,
пробивное напряжение и т.д.);
климатических воздействий (температура и
влажность);
стойкости к механическим и другим внешним
воздействиям (прочность, жесткость, ударная вязкость и т. д.);
типа ПП (количество слоев) и предполагаемой
технологии изготовления;
стоимости.
Эксплуатационные параметры материалов ПП
приведены в таблице 4.4.
Таблица 4.4 - Эксплуатационные параметры
материалов ПП
|
Наименование
и марка материала
|
Параметры
воздействий
|
Толщина
|
|
Диапазон
температур, °С
|
Относительная
влажность, %, при температуре, °С
|
Материала,
мм
|
Металлизации,
мм
|
|
Гетинакс
фольгированный ГФ ГОСТ 10316-78
|
минус
60°С плюс 90°С
|
45-74
при 40
|
1,0
- 3,0
|
35,
50
|
|
Стеклотекстолит
фольгированный СФ ГОСТ 10316-78
|
минус
60°С плюс 105°С
|
98
при 40
|
0,5
- 3,0
|
35,
50
|
Наибольшее распространение в производстве ПП
получили фольгированный гетинакс марок ГФ-1 (фольгированный с одной стороны),
ГФ-2 (фольгированный с двух сторон) и фольгированный стеклотекстолит марок СФ-1
(фольгированный с одной стороны), СФ-2 (фольгированный с двух сторон).
Фольгированный гетинакс является наиболее
дешевым материалом. Тем не менее, его редко применяют при жестких климатических
и механических воздействиях при высоких рабочих напряжениях и малых зазорах
между печатными элементами. Он также не рекомендуется при изготовлении ПП с металлизацией
отверстий.
Толщина основания ПП определяется с учетом
особенностей эксплуатации: жесткое, гибкое, типа печатной платы (ОПП, ДПП, МПП)
и механических воздействий - вибрации, ускорения, наличия крупных навесных
элементов и т.д. Установлен следующий размерный ряд значений толщины оснований
гибких и жестких ПП (в мм) (рисунок 5.1):
Рисунок 4.1 - Размерный ряд значений толщины ПП
Наибольшее распространение получили толщины 1,0
и 1,5 мм. Толщина 1,0 мм обычно используется для ПП с габаритами сторон не
более 100 мм.
Учитывая требования ТЗ в качестве материала
основания ПП для проектируемого ПУ выбран стеклотекстолит фольгированный марки
СФ-1-35 ГОСТ 10316-78 толщиной 1,0 мм.
4.6 Расчет элементов печатного рисунка
.6.1Определение
размеров отверстий
Одним из главных элементов конструкции печатных
плат являются отверстия. Большинство параметров ПП связано именно с размерами
этих отверстий, которые могут быть металлизированными и гладкими, а по
назначению - монтажными, куда устанавливаются и запаиваются выводы элементов, и
переходными (межслойными), обеспечивающими только электрические соединения
между слоями платы. Металлизированные монтажные отверстия являются одновременно
переходными отверстиями. Кроме того, на ПП обычно присутствует некоторое
количество неметаллизированных конструкционных отверстий, служащих для фиксации
компонентов, крепления ПП к несущим элементам конструкции и других целей. Эти
отверстия чаще всего бывают гладкими, без контактных площадок и металлизации.
Однако, нередко крепежные отверстия с целью удешевления производства
выполняются одновременно с монтажными (по той же технологии), поэтому в них
присутствует внутренняя металлизация, но отсутствуют контактные площадки.
С конструктивной точки зрения металлизация
крепежных отверстий не влияет на качественные параметры ПП, кроме того, в
некоторых случаях эти отверстия служат дополнительным соединением слоя (или
цепей) «земля» с элементами несущих конструкций.
Металлизированные отверстия обычно снабжены контактными
площадками на наружных слоях, а многослойные платы - ещё и на тех слоях, на
которых к этим отверстиям подводятся печатные проводники.
Размеры монтажных отверстий определяются
диаметром и сечением выводов элементов, монтируемых в эти отверстия. Если вывод
не круглый в сечении, то параметры отверстия в ПП диктуются максимальным
размером вывода в сечении (например, диагональю).
4.6.2 Определение
размеров металлизированных отверстий
Металлизированные отверстия на печатных платах
могут быть двух типов:
переходные - для создания электрических связей
между слоями;
монтажные - для крепления вывода ЭРЭ.
Диаметр отверстия зависит от диаметра
вставляемого в него вывода и от толщины платы.
Минимальный диаметр dmin
отверстия зависит, в первую очередь, от класса точности и его можно определить
из следующего соотношения:
где - относительная толщина ПП;
H - толщина
платы с учетом фольги.
Для 1 класса точности J = 0,75 (по
данным таблицы 5.2). Толщина ПП с учетом фольги с одной стороны Н = 1,035 мм.
Тогда согласно (5.1) минимальный диаметр отверстия dmin = 0,77 мм.
Минимально применимый диаметр
переходного отверстия dпер для отверстий в пластмассах, применяемых для
оснований ПП необходимо вычислять по формуле:
где Δd -
максимальное предельное отклонение диаметра рассчитываемого отверстия.
В соответствии с ГОСТ 23751-86
допуск ∆d на номинальный размер диаметра может быть как положительным,
так и отрицательным (таблица 5.5). Для переходных отверстий значение ∆d
следует выбирать как для неметаллизированных отверстий.
Для 1 класса точности ∆d =
±0,1, тогда согласно (4.2) минимальный диаметр переходного отверстия dпер =
0,428 + 0,1 = 0,528 мм.
Таблица 4.5 - Предельные отклонения
диаметров монтажных и переходных отверстий до 1 мм для классов точности
|
Наличие
металлизации
|
Предельное
отклонение диаметра ∆d, мм, для класса точности
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
Без
металлизации
|
±0,1
|
±0,1
|
±0,05
|
±0,05
|
±0,025
|
|
С
металлизацией без оплавления
|
+0,05;
-0,15
|
+0,05;
-0,15
|
+0
-0,1
|
+0
-0,1
|
+0;
-0,075
|
|
С
металлизацией с оплавлением
|
+0,05;
-0,18
|
+0,05;
-0,18
|
+0
-0,13
|
+0
-0,13
|
+0;
-0,13
|
Диаметр монтажного металлизированного отверстия dмонт,
в отличие от переходного, должен быть больше диаметра вывода на величину,
удовлетворяющую условиям пайки и автоматизированной сборки, и может быть
рассчитан по следующей формуле:
где dвыв -
диаметр (для прямоугольных выводов - размер по наибольшей стороне) вывода ЭРЭ;=
0,1-0,4 мм - гарантированный зазор между диаметром монтажного отверстия и
выводом ЭРЭ.
Варьируя величиной гарантированного зазора r,
рассчитаем значения диаметров монтажных отверстий элементов ПУ (таблица 4.6).
Варьирование гарантированного зазора производим для уменьшения типоразмеров монтажных
отверстий.
В соответствии с ГОСТ 10317-79 предпочтительные
размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5,
переходных - из ряда 0,7; 0,9; 1,1.
Таблица 4.6 - Значения диметров отверстий
|
№
п.п.
|
Наименование,
тип, обозначение ЭРЭ
|
Диаметр,
мм
|
Наличие
металлизации
|
|
|
dвыв
|
r
|
dмонт
|
|
|
1
|
Транзистор
ГТ806А
|
2
|
0,22
|
2,22
|
Нет
|
|
2
|
Транзистор
ГТ905А
|
2
|
0,22
|
2,22
|
Нет
|
|
3
|
Резистор
Yageo
|
0,8
|
0,18
|
0,98
|
Нет
|
|
4
|
Резистор
R2
|
0,6
|
0,14
|
0,74
|
Нет
|
|
5
|
Резистор
R3
|
0,6
|
0,14
|
0,74
|
Нет
|
|
6
|
Диодный
мост VD1
|
1
|
0,2
|
1,2
|
Нет
|
|
7
|
Диоды
VD3-VD4
|
0,8
|
0,18
|
0,98
|
Нет
|
|
8
|
Стабилитрон
VD2
|
0,6
|
0,1
|
0,7
|
Нет
|
|
9
|
Конденсатор
Yageo
C1-C4
|
0,6
|
0,1
|
0,7
|
Нет
|
|
10
|
Конденсатор
Yageo
C5-C6
|
0,8
|
0,18
|
0,98
|
Нет
|
Рекомендуемое количество типоразмеров значений
диаметров не более трех как для монтажных, так и для переходных отверстий.
Определение размеров
неметаллизированных отверстий.
Диаметры неметаллизированных монтажных отверстий
рассчитывают по формуле (5.3) с учетом того, что при автоматизированной сборке
печатных узлов гарантированный зазор r = 0,4 мм, при ручной сборке r = 0,1-0,2
мм.
В соответствии с ГОСТ 11284-75 диаметр сквозного
отверстия под крепежные детали имеет гарантированный зазор, определяемый
габаритами резервной зоны и выбирается по таблице 4.7.
Таблица 4.7 - Номинальные значения диаметров
крепежных отверстий
|
Диаметр
крепежного изделия, мм
|
Диаметр
крепежного отверстия, мм
|
Диаметр
резервной зоны, мм
|
|
1-й
ряд
|
2-й
ряд
|
3-й
ряд
|
|
|
2,5
|
2,7
|
2,9
|
3,1
|
9,0
|
|
3,0
|
3,2
|
3,4
|
3,7
|
11,0
|
|
4,0
|
4,3
|
4,5
|
4,8
|
13,0
|
В соответствии с данными таблицы 5.7 для винта
М3 (с учетом выбранного допуска ±0,1) диаметр крепежного отверстия 1-го ряда
равен 3,2 мм и диаметр резервной зоны для него составляет 11 мм.
Выбор формы контактных
площадок.
Для припайки к печатному проводнику объемного
проводника или вывода навесного ЭРЭ, на проводнике делают КП в виде участка с
увеличенной шириной. КП выполняют около каждого монтажного отверстия, для
металлизированных отверстий - с двух сторон.
Форма контактных площадок (рисунок 4.2)
выбирается исходя из варианта монтажа выводов - планарная или штыревая (в
отверстие).
Рисунок 4.2 - Основные формы контактных площадок
Учитывая выбранные ранее варианты установки ЭРЭ
и тип их монтажных выводов, при проектировании ПП будут использованы круглые КП
(рисунок 5.2а), как наиболее распространенные, технологичные и обеспечивающие
равномерное растекание припоя при пайки ЭРЭ с штыревыми выводами.
Определение размеров контактных
площадок.
Вначале для каждого монтажного и переходного
отверстия необходимо рассчитать минимальный эффективный диаметр контактной
площадки Diэфф по
формуле:
Diэфф
где b
- ширина гарантийного пояска;
dimax -
максимальный диаметр монтажного или переходного отверстия с учетом допуска;
Тd
и TD - позиционные
допуски расположения осей отверстий и центров контактных площадок,
соответственно, по ГОСТ 23.751-86 (приведены в таблицах 4.8 и 4.9).
Таблица 4.8 - Значения позиционного допуска
расположения осей отверстий
|
Размер
печатной платы по большей стороне, мм
|
Значения
позиционного допуска расположения осей отверстий Td, мм, для
класса точности
|
|
До
180 включительно
|
0,20
|
0,15
|
0,08
|
0,05
|
0,05
|
|
Св.
180 до 360 включительно
|
0,20
|
0,10
|
0,08
|
0,08
|
|
Св.
350
|
0,30
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
0,10
|
Таблица 4.9 - Значения позиционного допуска
расположения центров контактных площадок
|
Вид
изделия
|
Размер
печатной платы по большей стороне, мм
|
Значения
позиционного допуска расположения центров контактных площадок TD, мм для
класса точности
|
|
ОПП;
ДПП; ГПП; МПП (наружный слой)
|
До
180 включ.
|
0,35
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
0,05
|
|
Св.
180 до 360 включ.
|
0,40
|
0,30
|
0,20
|
0,15
|
0,08
|
|
Св.
360
|
0,45
|
0,35
|
0,25
|
0,20
|
0,15
|
|
МПП
(внутренний слой)
|
До
180 включ.
|
0,40
|
0,30
|
0,20
|
0,15
|
0,10
|
|
Св.
180 до 360 включ.
|
0,45
|
0,35
|
0,25
|
0,20
|
0,15
|
|
Св.
360
|
0,50
|
0,40
|
0,30
|
0,25
|
0,20
|
Согласно (5.4) минимальный эффективный диаметр
КП равен:
для монтажных и переходных отверстий диаметром
0,7 мм:
Diэфф
мм;
для монтажных отверстий диаметром 1,1 мм:
Diэфф
мм.
Поскольку толщина проводящего слоя Нпр (толщина
фольги или толщина фольги плюс толщина осажденной меди) различается для
различных типов ПП, то при расчете минимального диаметра КП способ изготовления
ПП обязательно должен быть учтен.
Учитывая, что проектируемая ПП будет изготовлена
с применением химического негативного метода, минимальный диаметр КП будет
вычисляться по формуле:
Dmin = Diэфф
+ 1,5∙Нпр + 0,03
При толщине фольги СФ-1-35 равной 35 мкм,
минимальный диаметр КП Dmin составит:
для монтажных и переходных отверстий диаметром
0,7 мм:
Dmin =1,9 + 1,5∙(0,035
+ 0,020) + 0,03 = 2,01 мм;
для монтажных отверстий диаметром 1,1 мм:
Dmin =2,3 + 1,5∙(0,035
+ 0,020) + 0,03 = 2,41 мм.
Округляем полученные значения до 2 мм и 2,5 мм.
Такие диаметры рекомендованы ОСТ 4.070.010-78 «Платы печатные под автоматическую
установку элементов. Конструкция и основные размеры» для монтажных отверстий
диаметром до 1,5 мм.
Для монтажа всех ЭРЭ ПУ будут использоваться КП
диаметром 2 мм. Максимальные диаметры КП 2,5 мм будут использоваться только для
монтажа транзисторов.
Определение ширины печатных
проводников.
Минимальную ширину проводника tmin выбирают по
данным таблицы 5.2 исходя из выбранного класса точности. При этом следует иметь
в виду, что она задана для узких мест. Для свободных мест указанные значения
следует устанавливать по любому более низкому классу, а для первого класса -
увеличивать в два раза.
При проведении предварительных энергетических
расчетов допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка ПП (в
зависимости от допустимого перегрева проводника относительно температуры
окружающей среды) выбирают по данным таблицы 4.10.
Таблица 4.10- Допустимая плотность тока для
медных проводников
|
Характеристика
медного слоя
|
Допустимая
токовая нагрузка, А/мм2
|
|
Медная
фольга
|
от
100 до 250
|
|
Гальваническая
медь
|
от
60 до 100
|
На рисунке 4.3 представлен график нагрузочной
способности по току для печатных проводников. Представленный график используют
при выборе токовой нагрузочной способности проводников для ПП, критичных к
рассеиваемой мощности с их поверхности, и проводников, допускающих прохождение
тока большой плотности.
Предварительный энергетический расчет показал,
что нагрузочная способность по току при нагреве на 10°С для проводника шириной
0,75 мм и толщиной 35 мкм составляет около 1,7 А (согласно рисунку 5.3). При
этом плотность протекающего тока через этот проводник составит 50 А/мм2, что
ниже допустимых плотностей тока, указанных в таблице 5.10.
Затем минимальная ширина проводника tmin
корректируется с учетом подтрава проводящего слоя и выбранной технологии
изготовления.
Для химического негативного метода минимальная
эффективная ширина проводника tэфф min
рассчитывается по формуле:
Рисунок 4.3 - Нагрузочная
способность по току для печатных проводников
Исходя из выбранного класса точности
ширина проводника tmin по данным таблицы 5.2 равна
0,75 мм. С учетом подтрава проводящего слоя и выбранных технологий изготовления
согласно (5.6) определяем минимальную эффективную ширину печатного проводника tэфф min:
tэфф min = 0,75 +
1,5∙(0,04 + 0,050) + 0,03 = 0,915 мм.
По рисунку 4.3 определяем, что
нагрузочная способность по току при нагреве на 10°С для проводника шириной
0,915 мм и толщиной 35 мкм составляет около 2,2А. При этом плотность протекающего
тока через этот проводник составит 66,3 А/мм2, что ниже допустимых плотностей
тока, указанных в таблице 5.10.
Согласно схемотехническим
требованиям к ПУ, выявленным при анализе электрической принципиальной схемы,
наиболее нагруженными элементами схемы является транзистор VT1. Ток потребления
схемы (в частности транзистором VT1) при максимальном напряжении питания (Uпит=27 В) в
рабочем режиме составит Iпотр=4 А. Следовательно проводник
шириной 0,915 мм будет нагреваться на 20°С. Чтобы избежать перегрева
проводников в цепях питания и выходных каскадах схемы, следует увеличить их
ширину до 1 мм.
По рисунку 5.3 определяем, что
нагрузочная способность по току при нагреве на 10°С для проводника шириной 1 мм
и толщиной 35 мкм составляет около 2,2 А. При этом плотность протекающего тока
через этот проводник составит 60 А/мм2, что ниже допустимых плотностей тока,
указанных в таблице 5.10.
Расчет расстояния между
элементами печатного рисунка.
Минимальное расстояние между центрами элементов
печатного рисунка Smin
определяется исходя из технологических возможностей производства ПП
(разрешающая способность), условий сборки ПУ (автоматизированная или ручная) и
электрических параметров (пробивного напряжения и сопротивления изоляции).
Технологические ограничения Smin
задаются классом точности (таблица 5.2), а электрические - указанием в ТЗ
пробивного напряжения, допустимых токов утечки и т.д.
Расстояние между серединой проводника и центром
КП L0 определяется по
формуле:
Где Tl -
позиционный допуск расположения печатного проводника относительно соседнего
элемента проводящего рисунка;
Dmax - диаметр
КП с учетом допуска при изготовлении;
tmax - ширина
печатного проводника с учетом допуска при изготовлении.
Значения позиционного допуска
расположения печатного проводника относительно соседнего элемента проводящего
рисунка Tl приведены в
таблице 4.11.
Таблица 4.11 - Значения позиционного
допуска расположения печатного проводника
|
Вид
изделия
|
Размер
ПП по большей стороне, мм
|
Значение
позиционного допуска расположения Tl, мм, для
класса точности
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
ОПП;
ДПП; МПП (наружный слой)
|
До
180 вкл.
|
0,35
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
0,05
|
|
Св.
180 до 360 вкл.
|
0,40
|
0,30
|
0,20
|
0,15
|
0,08
|
|
Св.
360
|
0,45
|
0,35
|
0,25
|
0,20
|
0,15
|
Диаметр КП с учетом допуска при изготовлении Dmax
рассчитывается по формуле:
Dmax = Dmin
+ (0,02…0,06).
Ширина печатного проводника с учетом допуска при
изготовлении tmax
рассчитывается по формуле:
tmax = tэффmin
+ (0,02…0,06)
Согласно (5.7) расстояние L0
между серединой проводника и центром КП минимального диаметра (2,0 мм) будет
равно:
мм.
Расстояние L0 между
центрами двух КП определяется по формуле:
L0 = Smin + Dmax + 2∙Tl
Согласно (5.10), расстояние L0 между
центрами двух КП будет равно:
L0 = 0,45 +
(2+0,02) + 2∙0,25 = 2,97 мм.
Расстояние между центрами КП
микросхем будет равно 2,5 мм.
Расстояние L0 между
центрами двух проводников определяется по формуле:
L0 = tmax + 2∙Tl
Согласно (5.11), расстояние L0 между
центрами двух проводников будет равно:
L0 =
(0,56+0,02) + 2∙0,25 = 1,1 мм.
Пробивное напряжение между
элементами проводящего рисунка для заданных расстояний L0, материала
основания ПП СФ-1-35 и условий эксплуатации по ТЗ расположенными в одном слое,
составляет 600В. Следовательно, дополнительных мер по обеспечению электрической
прочности (покрытие диэлектрическими лаками, увеличение номинального значения
параметра S) не требуется.
4.7 Анализ возможности
автоматизированной сборки печатного узла
Анализ возможности автоматизированной сборки ПУ
производится согласно ОСТ 4ГО.010.223-82.
Монтаж электрический печатный РЭА. Технические
требования к монтажу ячеек. Данные оформлены в виде таблиц. Требования к
конструкции сведем в таблицу 4.12.
Таблица 4.12 - Требования к конструкции
|
Требования
к конструкции ПП. Оформление документации на ПП производится по ГОСТ
2.109-73, ГОСТ 2.302-68, ГОСТ 2.417-78 и действующим нормативно-техническим
документам.
|
Да
|
|
Для
изготовления ПП применяется стеклотекстолит фольгированный СФ-1-35 по ГОСТ
10316-78
|
Да
|
|
ПП
односторонняя или двусторонняя с металлизированными отверстиями
|
Да
|
|
Размеры
ПП выбраны по ГОСТ 10317-79 с учетом ОСТ 4ГО.410.207. Максимальный размер ПП
не больше 320х320 мм.
|
Да
|
|
ПП,
составляющие групповую плату, отделены друг от друга перфорацией
|
Да
|
|
ПП
прямоугольной формы с соответствием сторон не более 1:2
|
Да
|
|
Предельные
отклонения габаритных размеров ПП не грубее h14
|
Да
|
|
Номинальный
размер толщины ПП 1; 1,5 или 2 мм
|
Да
|
|
Шаг
координатной сетки выбран 1,25 или 2,5 в соответствии с ГОСТ 10317-79.
|
Да
|
|
Основные
значения параметров проводящего рисунка ПП для ячеек радиоаппаратуры выбраны
в соответствии с I классом по ГОСТ 23751-79
|
Да
|
|
Диаметры
монтажных отверстий рассчитаны по формуле dОТВ = dВЫВ + 0,4
где dОТВ -
номинальный диаметр отверстия, мм dВЫВ -
максимальный диаметр вывода, мм
|
Да
|
|
Если
вывод ЭРЭ имеет прямоугольное сечение, то номинальный диаметр вывода принят
равным диаметру описывающей окружности сечения вывода
|
Да
|
|
Предельные
отклонения монтажных отверстий не грубее Н13
|
Да
|
|
Количество
типоразмеров диаметров монтажных отверстий для ЭРЭ, устанавливаемых на плату
автоматизировано, на одном виде плат не более трех
|
Да
|
|
Разница
между диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода от 0,3 до 0,5 мм
|
Да
|
|
Минимально
допустимые размеры контактной площадки рассчитаны по ГОСТ 23751-79
|
Да
|
|
Площадь
оставшейся части контактной площадки без учета площади отверстия составляет
не менее 5 мм2
|
Нет
|
Данный анализ показывает, что ПП допустимо
выполнить автоматизированным методом.
.8 Выбор
технологического процесса сборки ПУ
Под печатным узлом понимается ПП со
смонтированными на ней ЭРЭ. Печатный узел (ПУ) относится к категории сборочных
единиц, поэтому при формулировании требований к его технологичности необходимо
учитывать:
возможность бездефектной сборки;
применение групповых высокопроизводительных
способов пайки и контроля;
возможность точного базирования ПП и
автоматической подачи ЭРЭ.
Технологический процесс сборки ПУ во многом
определяется его конструкцией и применяемой элементной базой. Также он зависит
и от объемов производства, но в меньшей степени, т.к. определяется необходимым
минимумом всех технологических операций и переходов, а объем производства
влияет на степень автоматизации и механизации производства.
Технологический процесс сборки ПУ состоит из
ряда более мелких технологических процессов и операций:
. Технологический процесс подготовки ЭРЭ к
монтажу:
распаковка из первичной тары поставщика;
формовка выводов;
обрезка и лужение выводов;
отмывка остатков флюса;
. Технологический процесс подготовки ПП
входной контроль фольгированного диэлектрика;
перекладка во внутреннюю производственную тару.
. Технологический процесс подготовки сборки и
монтажа
установка ЭРЭ на ПП
пайка (флюсование, пайка) выводов;
отмывка остатков флюса;
После изготовления ПУ направляют на слесарно-сборочные
операции и установку в корпус.
4.9 Расчёт
технологической трудоёмкости сборки и монтажа ПУ
Расчет технологической трудоемкости сборки и
монтажа платы проведем согласно ОСТ 4ГО.050.012-73 Научная организация труда.
Нормативы времени (элементные). Нормирования монтажных работ.
Норма штучного времени рассчитывается по
следующей формуле
где ТОП - оперативное время на
выполнение монтажной операции, мин;
К - поправочный коэффициент (ОСТ
4ГО.050.012-73, табл. 2), для аппаратуры I группы сложности для индивидуального
производства К=1,3;
К1 - подготовительно-заключительное
время, время на организационно-техническое обслуживание и личные надобности
(ОСТ 4ГО.050.012-73, прил. 2), процент от оперативного времени. К1=9,6;
К2 - Время на отдых (ОСТ
4ГО.050.012-73, приложение 3), процент от оперативного времени К2=3.
Результаты расчета технологической трудоемкости
для одной ПП сведем в таблицу 4.13.
Таблица 4.13 - Результаты расчёта штучного
времени на сборку и монтаж ПУ
|
Содерж-е
работы
|
Кол-во
приемов
|
№
табл станд.
|
Опер
время, мин
|
значение
коэф. К
|
|
|
|
На
ед. работы
|
На
всю работу
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
Взять ЭРЭ, достать из упаковки и отложить.
|
3
|
34
|
0,08
|
0,24
|
1,3
|
|
2
Взять:
|
|
|
|
|
|
|
резисторы
|
3
|
35
|
0,07
|
0,21
|
|
|
3
Формовать, обрезать и лудить выводы:
|
|
|
|
|
|
|
резисторов
|
2
|
41
|
0,048
|
0,096
|
|
|
при
помощи полуавтомата
|
|
|
|
|
|
|
4
Взять кисть смазать флюсом место лужения, лудить КП.
|
51
|
51
|
0,11
|
5,61
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5
Установить:
|
|
|
|
|
|
|
резисторы
|
3
|
73
|
0,09
|
0,27
|
|
|
на
плату, закрепить выводы на плате
|
|
|
|
|
|
|
6
Паять выводы:
|
|
|
|
|
|
|
резисторов
|
3
|
87
|
0,26
|
0,78
|
|
|
к
местам пайки
|
|
|
|
|
|
|
7
Взять:
|
|
|
|
|
|
|
конденсаторы
|
6
|
35
|
0,07
|
0,42
|
|
|
транзисторы
|
2
|
35
|
0,07
|
0,14
|
|
|
зачистить
выводы и отложить.
|
|
|
|
|
|
|
8
Лудить выводы:
|
|
|
|
|
|
|
конденсаторы
|
6
|
41
|
0,1
|
0,6
|
|
|
транзисторы
|
2
|
41
|
0,1
|
0,2
|
|
|
при
помощи полуавтомата
|
|
|
|
|
|
|
9
Установить:
|
|
|
|
|
|
|
конденсаторы
|
6
|
73
|
0,09
|
0,54
|
|
|
транзисторы
|
2
|
73
|
0,09
|
0,18
|
|
|
на
плату, закрепить выводы на плате
|
|
|
|
|
|
|
10
Паять выводы:
|
|
|
|
|
|
|
конденсаторы
|
6
|
87
|
0,26
|
1,56
|
|
|
транзисторы
|
2
|
87
|
0,26
|
0,52
|
|
|
к
местам пайки
|
|
|
|
|
|
|
11
Промыть плату
|
1
|
79
|
0,14
|
0,14
|
|
|
12
Промыть места пайки
|
56
|
80
|
0,15
|
8,4
|
|
|
Итого
Топ =
|
19,906
|
|
Время изготовления печатного узла блока питания
лампы ртутной дуговой ДРШ-100-2 получилось равным 29,14 минуты.
5.
Технико-экономическое обоснование НИР
Целью экономических расчётов является
планирование исследований, проводимых в рамках дипломной работы, решение
вопросов организации, определение себестоимости работ и порядка распределения
бюджетных средств.
5.1 Оценка ЭТУ
Эксплуатационно-технический уровень (ЭТУ) -
обобщенная характеристика эксплуатационных свойств, возможностей, степени
новизны.
Установка для исследования деградации
гетероструктур СИД представляет собой комплекс устройств, часть из которых
типовые, а часть разрабатывается самостоятельно в виде дополнительного
оборудования. Произведём оценку всего комплекса.
Для количественной оценки качества
разрабатываемого устройства необходимо сравнить его с аналогом. Аналог данному
устройству мы не обнаружили, так как комплексы такого типа до нас не
разрабатывались. Есть возможность сравнить с комплексами близкими по функциональности.
В нашу установку входит блок ультрафиолетовой подсветки, чего в других
комплексах нами обнаружено не было. Поэтому его можно сравнить с отдельным
блоком УФ подсветки. А установку в целом сравним с подобными ей. Из
рассмотрения исключим компьютер, фотометрический стенд и микроскоп. Рассмотрим
блок питания УФ подсветки, с его аналогом «КВАНТ-ДРШ-250». Проведём сравнение с
отдельными установками для исследований такого рода. Вот состав таких
установок:
· фотометрический стенд, куда входят средства
измерения и регистрации характеристик, высокоточные источники питания,
электромеханические устройства и вспомогательные приборы;
· стенд для измерения вольтамперных
характеристик (ВАХ) светодиодов;
· компьютер с программным
обеспечением, предназначенного для обработки и анализа результатов (MathCAD,
Excel, Word);
· стенд наработки светодиодов;
Фотометрический стенд рассматривать не будем.
Основные технические характеристики базовых
образцов представлены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 - Технические характеристики
|
Показатели
качества продукта
|
Единица
измерения
|
Характеристики
|
|
|
Базовый
образец
|
Проектируемый
продукт
|
|
|
стенд
для измерения ВАХ
|
ПК
с программным обеспечением
|
стенд
наработки светодиодов
|
«КВАНТ-ДРШ-250»
|
стенд
для измерения ВАХ
|
ПК
с программным обеспечением
|
стенд
наработки светодиодов
|
Блок
УФ подсветки
|
|
Масса
|
Кг
|
1,5
|
4
|
10
|
10
|
0,5
|
1
|
3
|
|
Габаритные
размеры
|
мм
|
200х
150х30
|
-
|
1500х
500х50
|
770x
492x 380
|
150х
80х 30
|
-
|
150х
150х 50
|
160х
130х 70
|
|
КПД
|
|
-
|
-
|
-
|
83,3%
|
-
|
-
|
-
|
95%
|
|
Диапазон
рабочих температур
|
оС
|
+15…+40
|
+15…+40
|
+15…+40
|
+10…
+35
|
0…+40
|
+15…+40
|
0…
+40
|
0…
+40
|
Для проведения оценки воспользуемся обобщающим
индексом эксплуатационно-технического уровня JЭТУ,
который можно определить как произведение частных индексов:
где JЭТУ -
комплексный показатель качества по группе показателей;
n - число
рассматриваемых показателей;
Bi -
коэффициент весомости i-того показателя в долях единицы,
устанавливаемый экспертным путём (сумма всех рассматриваемых показателей должна
составлять единицу);
Xi -
относительный показатель качества, устанавливаемый экспертным путём по
10-бальной шкале.
В качестве показателей качества
выберем следующие параметры:
Удобство эксплуатации. В категорию
входят массогабаритные и эргономические показатели, а также степень сложности
обращения с прибором.
Универсальность. Этот параметр
отражает количество функций, выполняемых прибором.
Долговечность. Показывает общую
надежность прибора, наличие хрупких частей, необходимую частоту замены питающих
элементов, а также ремонтопригодность прибора.
Расчёт ЭТУ сравниваемых изделий
приведён в таблице 5.2. В результате расчёта для нового устройства был получен
больший эксплуатационно-технический уровень, что подтверждает целесообразность
разработки нового метода.
Таблица 5.2 - Расчёт ЭТУ
|
Показатель
качества
|
Вi
|
Разрабатываемый
продукт
|
Аналог
|
|
|
Xi
|
BiXi
|
Xi
|
BiXi
|
|
Универсальность
|
0,5
|
10
|
5
|
9
|
4,5
|
|
Удобство
эксплуатации
|
0,3
|
9
|
2,7
|
8
|
2,4
|
|
Долговечность
|
0,2
|
10
|
2
|
10
|
2
|
|
Итог
|
-
|
JЭТУ - 9,7
|
JЭТУ - 8,9
|
5.2 Расчёт трудоёмкости
проекта по работам и исполнителям
Планирование работ по дипломному проекту
заключается в составлении перечня работ, необходимых для достижения
поставленных задач; определении исполнителей каждой работы; установлении
продолжительности работ в рабочих днях; построении ленточного календарного
графика.
Процесс создания и выпуска новой РЭА состоит из
ряда этапов, выполняемых разными исполнителями:
инженер, выполняющий весь объём работы;
руководитель, задачей которого является контроль
над выполнением плана работ и консультирование инженера.
Для построения календарного плана разработки
необходимо провести тщательный выбор и обоснование комплекса работ, осуществить
их взаимосвязь.
Наиболее ответственной частью работ является
расчёт трудоемкости отдельных видов работ, так как трудозатраты составляют
основную часть стоимости разработки. Ожидаемую продолжительность работ tож
определяется по формуле (6.2):
где tmin - возможная
минимальная продолжительность заданной работы (оптимистическая оценка);
tmax - возможная
максимальная продолжительность работы (пессимистическая оценка).
В таблице 5.3 приведён перечень
видов работ при проектировании. Работы приведены в порядке их выполнения.
Таблица 5.3 - Планирование комплекса
работ
|
Наименование
работ
|
Исполнители
|
Продолжительность
работ
|
Загрузка
в днях
|
|
|
tmin
|
tmax
|
tож
|
|
|
1.
Ознакомление с заданием
|
Инженер
|
1
|
3
|
2,2
|
2
|
|
1.
|
Руководитель
|
1
|
3
|
2,2
|
2
|
|
2.
Сбор информации, изучение литературы
|
Инженер
|
6
|
7
|
6,4
|
7
|
|
3.
Разработка ТЗ
|
Инженер
|
6
|
7
|
6,4
|
7
|
|
4.
Согласование и утверждение ТЗ
|
Инженер
|
1
|
2
|
1,4
|
2
|
|
1.
|
Руководитель
|
1
|
2
|
1,4
|
1
|
|
5.
Разработка конструкции установки
|
Инженер
|
8
|
10
|
8,8
|
9
|
|
1.
|
Руководитель
|
2
|
3
|
2,4
|
2
|
|
6.
Разработка и согласование функциональной схемы
|
Инженер
|
2
|
4
|
2,8
|
3
|
|
1.
|
Руководитель
|
1
|
2
|
1,4
|
1
|
|
7.
Разработка схемы электрической принципиальной
|
Инженер
|
10
|
15
|
12
|
10
|
|
1.
|
Руководитель
|
1
|
2
|
1,4
|
1
|
|
8.
Разработка топологии печатной платы
|
Инженер
|
8
|
10
|
8,8
|
9
|
|
9.
Конструкторская часть
|
Инженер
|
17
|
20
|
18,8
|
15
|
|
1.
|
Руководитель
|
1
|
2
|
1,4
|
1
|
|
10.
Технологическая часть
|
Инженер
|
4
|
7
|
5,8
|
5
|
|
1.
|
Руководитель
|
1
|
2
|
1,4
|
1
|
|
11.
Технико-экономическое обоснование
|
Инженер
|
4
|
7
|
5,8
|
5
|
|
12.
Разработка вопросов безопасности жизнедеятельности
|
Инженер
|
4
|
7
|
5,8
|
5
|
|
13.
Оформление пояснительной записки
|
Инженер
|
8
|
12
|
10,4
|
10
|
|
Руководитель
|
1
|
2
|
1,4
|
1
|
|
Итого
на разработку
|
Инженер
|
|
89
|
|
Руководитель
|
|
10
|
Итого на разработку проекта инженер потратил 89
дней, руководитель 10 дней.
|
Продолжительность
работ, недели
|
Май
|
07.05.
12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30.
04. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Апрель
|
23.
04. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16.
04. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
09.
04. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
02.
04. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Март
|
26.
03.12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19.
03.12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12.
03. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
05.
03. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Февраль
|
27.02.12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20.
02.12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14.
02.12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
06.
02. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Январь
|
.
01. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23.
01. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15.
01. 12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Длительность,
дни
|
2
|
2
|
7
|
7
|
2
|
1
|
9
|
2
|
3
|
1
|
10
|
1
|
9
|
15
|
1
|
5
|
1
|
5
|
5
|
10
|
1
|
|
Исполнитель
|
И
|
Р
|
И
|
И
|
И
|
Р
|
И
|
Р
|
И
|
Р
|
И
|
Р
|
И
|
И
|
Р
|
И
|
Р
|
И
|
И
|
И
|
Р
|
|
Этапы
работы
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
Рисунок 5.1 - Ленточный план график
На основании таблицы (6.3) разработан ленточный
план график выполнения работ, рисунок (6.1). Ленточный план разработки отражает
перечень работ, необходимых для достижения поставленных задач, определяет
исполнителей каждой из работ, устанавливает продолжительность работ в рабочих
днях и последовательность их выполнения.
5.3 Расчёт сметной
стоимости проекта
Проведём расчёт сметы затрат на разработку
дипломного проекта. Данная смета будет содержать:
К=См+Созп+Сдзп+Ссв+Сао+Сар+Сст+Снакл+Сэл+Спр
где К - единовременные затраты, руб.;
См - стоимость материалов и комплектующих, руб.;
Созп - основная заработная плата
научно-технического персонала, участвующего в разработке, руб.;
Сдзп - дополнительная заработная плата, руб.;
Ссв - отчисления по единому социальному налогу,
руб.;
Сао - амортизация обородувания, руб.;
Сар - затраты на аренду помещения, руб.;
Сст - затраты на работу, выполняемые сторонними
организациями, руб.;
Снакл - накладные расходы, руб.;
Сэл - затраты на электроэнергию;
Спр - прочие непредвиденные расходы.
5.3.1 Затраты на
приобретение материалов
Материалы, используемые при проектировании,
сведены в таблицу 5.4.
Таблица 5.4 - Расходы на материалы
|
Наименование
|
Кол-во
|
Цена
за 1 ед., руб.
|
Общая
стоимость, руб.
|
|
Бумага
для принтера, уп.
|
1
|
200,00
|
200,00
|
|
Ватман
(А1), шт
|
10
|
5,00
|
50,00
|
|
Диск
CD-R
|
2
|
25,00
|
50,00
|
|
Тонер
для принтера
|
1
|
120,00
|
120,00
|
|
|
Итого:
|
420,00
|
5.3.2 Расходы на
амортизацию оборудования
При проектировании исследовательской установки
использовался персональный компьютер.
Амортизационные отчисления на эксплуатацию
оборудования рассчитаем по формуле:
где СБАЛ - балансовая стоимость
оборудования;
ТРАБ - время работы, ТРАБ=2136
часов;
ФГ - действительный годовой фонд
рабочего времени оборудования, ФГ=5520 часов.
Балансовая стоимость компьютера
определяется выражением:
где СИСХ - исходная стоимость оборудования,
СИСХ=22000,00 руб.;
КАМ - коэффициент годовой
амортизации оборудования, КАМ=0,2;
Т - количество лет от покупки, Т=3
года.
Используя формулы (6.4) и (6.5)
рассчитаем балансовую стоимость оборудования и амортизационные отчисления на её
содержание:
руб.,
руб.
5.3.3 Расчет затрат на
аренду помещения
Затраты на аренду помещения за один месяц
определяются по формуле:
где: S - площадь
помещения, S=27 м2;
КР - ежемесячная арендная плата за
один квадратный метр,
КР=200 руб.
Затраты на аренду помещения во время
проектирования определяются по формуле:
где: ТП - время проектирования,
ТП=3 месяца;
СХ =174,75 - стоимость 7,5 м3
холодной воды в месяц на человека, руб.;
СГ =376,65 - стоимость 4,5 м3
горячей воды в месяц на человека, руб.;
СК =193,2 - стоимость 12 м3 канализация
в месяц на человека, руб.
В результате получаем:
5.3.4 Затраты на
электроэнергию
Затраты на электроэнергию рассчитаем по формуле:
где y - тариф на
электроэнергию, y=2,23 руб./кВт×ч;
W - мощность
оборудования, W=0,3 кВт;
t - время
работы оборудования, t=2136 часов.
Затраты на электроэнергию при
использовании компьютера согласно (6.8) составят:
руб.
.3.5
Основная и дополнительные заработные платы
Затраты на заработную плату (СЗП)
включают в себя основную (ОЗП) и дополнительную заработные платы (ДЗП) и
рассчитываются по формуле:
СЗП= СОЗП +СДЗП
где СОЗП - основная заработная
плата, руб.;
СДЗП - дополнительная заработная
плата, руб.
Среднедневная заработная плата
исполнителей рассчитывается исходя из месячного должностного оклада, согласно
тарифной сетке и количеству рабочих дней в месяце (22 рабочих дня).
Дневная ставка рассчитывается по
формуле:
где СМ - месячный должностной оклад.
Дневная ставка, помноженная на
количество рабочих дней, даст заработную плату каждого исполнителя за период
разработки. Основная заработная плата исполнителей приведена в таблице 6.5.
Таблица 5.5 - Основная заработная
плата
|
Должность
|
Месячный
оклад, руб.
|
Дневная
ставка, руб.
|
Кол-во
рабочих дней, дн.
|
Сумма
заработной платы, руб.
|
|
Руководитель
14 разряда
|
15800,00
|
718,18
|
10
|
7181,80
|
|
Инженер
11 разряда
|
6000,00
|
272,72
|
89
|
24272,08
|
|
Итого:
|
31453,88
|
Дополнительная заработная плата составляет:
Сдзп=Созп×(kp+kд)
где СОЗП - основная заработная плата, руб.;
kp - районный
коэффициент, kp=0,3;
kд - коэффициент,
учитывающий вредные условия труда, kд=0,1
(работа за компьютером).
Тогда по формуле (6.11):
Сдзп=31453,88×(0,3+0,1)=12581,55.
Всего затраты на заработную плату согласно (6.9)
составят:
СЗП=31453,88+12581,55=44035,43.
5.3.6 Отчисления в фонд
оплаты труда на социальные выплаты
От суммы основной и дополнительной заработной
платы производятся отчисления во внебюджетные фонды, которые рассчитываются по
формуле:
ССВ=(СОЗП+СДЗП) ×kСВ
где kСВ
- коэффициент, учитывающий отчисления на страховые выплаты.
Примем kСВ=30%,
тогда по формуле (6.12):
ССВ=(31453,88+12581,55) ×0,3=13210,63
руб.
5.3.7 Затраты,
выполняемые сторонними организациями
К затратам на работы выполняемые сторонними
организациями, отнесём затраты на оплату времени работы в Интернете, а также
затраты на распечатку графического материала. Расчёт проведём по формуле:
ССТ=СИ+СП
где СИ - оплата времени работы в Интернете,
руб.;
СП - затраты на распечатку графического
материала, руб.
Оплата времени работы в Интернете рассчитываем
по формуле:
СИ=i×t
где i
- тариф за единицу времени работы в Интернете, i=30
руб./час;
t - время работы,
час.
Время работы в Интернете составило пять дней по
2 часа, итого 10 часов.
Итак согласно (6.14) оплата времени работы в
Интернете составила:
СИ=10×30=300 руб.
Затраты на распечатку графического материала рассчитаем
по формуле:
где m -
количество видов печатаемой продукции, шт.;
ni -
количество печатаемых листов i-го вида продукции, шт.;
Аi - цена за
распечатку листа i-го вида продукции, руб.
Затраты пошли на распечатку десяти
ватманов. Цена за распечатку одного ватмана - 50,00 руб.
Итак, согласно (6.15):
СП=10×50=500 руб.
Всего затраты на работу сторонних
организаций определим по формуле (6.13). Они составят:
ССТ=300+500=800 руб.
5.3.8
Прочие непредвиденные расходы
Прочие непредвиденные расходы
рассчитаем по следующей формуле:
СПР=КПР×(СМ+СЗП+ССВ+САО+СЭЛ+ССТ+САР)
где КПР - коэффициент, учитывающий
прочие непредвиденные расходы, КПР=0,05.
Получаем:
СПР=0,05×(420,00+44035,43+13210,63+871,73+1428,98+800+18433,80)=
=3960,02 руб.
5.3.9
Накладные расходы
В данную статью входят расходы на
содержание аппарата управления и общехозяйственных (общеуниверситетских) служб,
которые в равной степени относятся ко всем выполняемым НИР. По этой статье
учитываются оплата труда административно - управленческого персонала,
содержание зданий, оргтехники и хоз. инвентаря, амортизация имущества, расходы
по охране труда и подготовке кадров.
Расчёт накладных расходов ведётся по
следующей формуле:
СНАКЛ=kНАКЛ ×(СМ+
СОЗП+СДЗП +ССВ+САО+СЭЛ+ССТ+САР)
где kНАКЛ -
коэффициент накладных расходов равный 0,2.
СНАКЛ=0,2×(420,00+44035,43+13210,63+871,73+1428,98+800+18433,80)=15840,11
руб.
5.3.10
Смета затрат на проектирование
Таким образом, рассчитаем смету
затрат на проведение ОКР. Итоговые результаты расчётов сведены в таблицу 6.6.
Таблица 5.6 - Смета затрат на
проведение ОКР
|
Статья
расходов
|
Сумма,
руб.
|
|
Затраты
на материалы
|
420
|
|
Основная
заработная плата исполнителей
|
31453,88
|
|
Дополнительная
заработная плата исполнителей
|
12581,55
|
|
Отчисления
на социальные выплаты
|
13210,63
|
|
Затраты
на амортизацию оборудования
|
871,73
|
|
Затраты
на аренду помещения
|
18433,80
|
|
Затраты
на электроэнергию
|
1428,98
|
|
Затраты
на работу сторонних организаций
|
800
|
|
Прочие
непредвиденные расходы
|
3960,02
|
|
Накладные
расходы
|
15840,11
|
|
Итог:
|
99000,70
|
5.4 Калькуляция
себестоимости опытного образца
5.4.1 Затраты на
комплектующие материалы
Затраты на комплектующие материалы приведены в
таблице 6.7.
Таблица 5.7 - Затраты на комплектующие
|
Тип
элемента
|
Кол-во,
шт.
|
Штучная
стоимость, руб.
|
Стоимость
на изделие, руб.
|
|
Канифоль
(20 г.)
|
1
|
80
|
80
|
|
Припой
ПОС-61 (50 г.)
|
1
|
80
|
80
|
|
Плата
печатная СТФ-1-35
|
1
|
100
|
100
|
|
Корпус
№1
|
1
|
70
|
70
|
|
Радиатор
ребристый Р-232
|
1
|
190
|
190
|
|
Резистор
SQP 1к-5%
|
1
|
30
|
30
|
|
Резистор
С1-4-5,1к-5%
|
1
|
2
|
2
|
|
Резистор
R1212N-10к-10%
|
1
|
4
|
4
|
|
Конденсатор
К50-35-1000мк-10%
|
4
|
40
|
160
|
|
Конденсатор
К50-35-2000мк-10%
|
2
|
65
|
130
|
|
Диод
KBU610
|
1
|
70
|
70
|
|
Диод
1N4750A
|
1
|
4
|
4
|
|
Диод
SF52
|
2
|
11
|
22
|
|
Транзистор
КТ816А
|
1
|
3
|
3
|
|
Транзистор
1Т905А
|
1
|
30
|
30
|
|
Предохранитель
ВПТ19
|
1
|
3,50
|
3,50
|
|
Шнур
с вилкой, 1,7 м. ШВВП 2х0,75
|
1
|
46,02
|
46,02
|
|
Итого:
|
|
|
1024,52
|
Основная заработная плата научно-технического
персонала приведена в таблице 5.8.
Таблица 5.8 - Основная заработная плата
исполнителей
|
Должность
|
Трудоемкость,
дней
|
Месячный
оклад, руб
|
Дневная
ставка, руб.
|
Заработная
плата, руб.
|
|
Руководитель
|
1
|
15800
|
718,2
|
718,2
|
|
Инженер
|
1
|
6000
|
271,7
|
272,7
|
|
Итого:
|
991,9
|
Дополнительная заработная плата рассчитывается
руб.
Отчисления во внебюджетные фонды
рассчитываются
руб.
Так как сборка осуществляется в
лаборатории УИР кафедры КУДР, в которой есть все необходимое для сборки
опытного образца, то расходы на машинное время 
.
Затраты на аренду помещения
рассчитываются по формуле(6,7):
Затраты на электроэнергию
рассчитываются
руб.
Затраты сторонним организациям составили 0,00
руб., так как помощь сторонних организаций не потребовалась.
Прочие затраты рассчитываются
СПР=0,05×(1024,52+1388,66+416,60+0+184,33+0,35+0)=150,72
руб.
Накладные расходы рассчитываются
СНАК=0,2×(1024,52+991,90+396,76+416,60+0+184,33+0,35+0)=602,89
руб.
Смета затрат приведена в таблице 6.9.
Таблица 5.9 - Смета затрат на изготовление
опытного образца
|
№
|
Статьи
затрат
|
Сумма,
руб.
|
|
1
|
Материалы,
комплектующие
|
1024,52
|
|
2
|
Основная
заработная плата исполнителей
|
991,90
|
|
3
|
Дополнительная
заработная плата исполнителей
|
396,76
|
|
4
|
Отчисления
во внебюджетные фонды
|
416,60
|
|
5
|
Затраты
на аренду помещения
|
184,33
|
|
6
|
Затраты
на электроэнергию
|
0,35
|
|
7
|
Прочие
расходы
|
150,72
|
|
8
|
Накладные
расходы
|
602,89
|
|
Итого:
|
3768,07
|
Цена с учетом прибыли: 4521,68 руб.
5.5 Маркетинговое
сопровождение разработанного продукта
Разрабатываемое устройство нацелено на научную
деятельность, для проведения исследований в области полупроводниковой
электроники. В связи с этим данный продукт нацелен на узкую аудиторию
потребителей, сотрудников НИИ и других заинтересованных лиц в данных
исследованиях.
Так как на данный момент планируется создание
одной лаборатории, то годовой план выпуска нами не рассматривался. В то же время
к нашей разработке проявляет большой интерес НИИ ПП и другие структуры.
При запуске комплекса в производство, реклама
будет производиться через Интернет, так же могут быть разосланы буклеты с
подробным описанием устройства в организации научно-исследовательского
характера. Кроме того целесообразно будет использовать возможности СМИ (газеты,
радио и т.д.).
5.6
Оценка эффективности разработанного проекта
Годовой экономический эффект от разработки
находится по формуле:
где З1, З2 - цена аналога и
разрабатываемого изделия соответственно;
- коэффициент учёта изменения
технико-эксплуатационных параметров разрабатываемого изделия по сравнению
аналогом;
А2 - годовой объём выпуска
разрабатываемого изделия.
Рассчитаем цену разрабатываемого
изделия З2:
руб.
Вычтем из цены аналога стоимость
фотометрического стенда, компьютера и микроскопа, а в стоимость нашей установки
добавим цену стенда измерения ВАХ и стенда наработки светодиодов. По сумме
получим:
Для аналога: 300 000-57 000-25
000-20 000=198 000 руб.
Для нашей установки:103522,38+30
000+15 000=148522,38 руб.
Годовой экономический эффект
рассчитаем по формуле (6.18):
руб.
После определения годового
экономического эффекта необходимо рассчитать срок окупаемости затрат на
разработку:
где К - единовременные капитальные
затраты на разработку изделия, состоящие из сметной стоимости разработки
проекта и себестоимости опытного образца, руб.
года.
Затем целесообразно рассчитать
фактический коэффициент экономической эффективности разработки Еф и сопоставить
его с нормативным значением коэффициента эффективности капитальных вложений
Ен=0,33:
.
Условие Еф > Ен выполняется. Это
значит, что разработка эффективна.
6. Вопросы безопасности
жизнедеятельности
.1 Анализ опасных и
вредных производственных факторов
Безопасность жизнедеятельности -
это система законодательных, социально-экономических, организационных,
технологических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и
средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности
человека в процессе труда (ГОСТ 12.0.002-80).
Основной задачей безопасности жизнедеятельности
является сведение к минимальной вероятности поражения или заболевания
работающего с одновременным обеспечением комфорта для максимальной
производительности труда. Реальные производственные условия характеризуются,
как правило, наличием некоторых опасных и вредных производственных факторов.
Все опасные и вредные производственные факторы
(ОВПФ), согласно ГОСТ 12.0.003-74 подразделяются на следующие группы:
физические, химические, психофизиологические, биологические.
Из опасных производственных факторов можно
выделить следующие:
· использование оборудования, которое находится
под опасными, для жизни человека напряжениями, т.е. существует опасность
поражения электрическим током;
· при изготовлении литых или
штампованных деталей используются токсичные материалы, т.е. существует
опасность отравления;
· при изготовлении механических частей
возможны механические травмы;
· при погрузо-разгрузочных работах
вручную или с применением механизмов также возможны механические травмы.
Среди вредных производственных факторов можно
выделить следующие:
· при разработке, в процессе применения ЭВМ -
повышенная нагрузка на органы зрения;
· при изготовлении механических частей
- повышенная запыленность и повышенный уровень шума;
· при сборке печатного узла
используется пайка, процесс которой сопровождается загрязнением воздушной
среды, рабочих поверхностей, одежды и кожи рук, работающих свинцом;
· при изготовлении печатной платы
используются ряд токсичных веществ, которые вредны для здоровья;
· при сборке используются детали и ЭРЭ, которые
имеют малые размеры, поэтому необходимо обеспечить нормальную освещенность.
6.2 Требования и
защитные мероприятия в области БЖД
.2.1 Требования к
освещенности рабочего места
К современному освещению предъявляются высокие
требования как гигиенического, так и технико-экономического характера.
Рациональное освещение рабочего места является одним из важнейших факторов
предупреждения травматизма и профессиональных заболеваний. Правильно
спроецированное освещение обеспечивает высокий уровень работоспособности,
способствует повышению производительности. О важности этого вопроса говорит тот
факт, что условия деятельности конструктора связаны с преобладанием зрительной
информации - до 90 % общего объема.
Согласно действующим санитарным нормам и
правилам СНиП 23-05-95 для искусственного освещения регламентирована наименьшая
допустимая освещённость, а для естественного и совмещенного определены КЕО.
Нормы освещенности построены на основе классификации зрительных работ по
определенным количественным признакам. Ведущим признаком, определяющим разряд
работы, является размер различаемых деталей. Рекомендуемая освещенность для
работы с экраном дисплея составляет 200 лк, а при работе с экраном в сочетании
с работой с документами 400 лк. Рекомендуемые яркости в поле зрения оператора
должны лежать в диапазоне 1:5...1:10.
Требования к естественному
освещению.
а) Коэффициент естественного освещения для
производственных помещений со зрительно напряженными работами должен составлять
в соответствии со СНиП 23-05-95:
· 0,035 (3,5%) - при одном боковом освещении для
наивысшей точности;
· 0,025 (2,5%) - при одном боковом
освещении для работ высокой точности;
· 0,020 (2%) - при боковом освещении
для работ высокой точности.
б) Световые проемы производственных помещений
должны быть ориентированы на север, кроме того, должны быть предусмотрены
солнцезащитные приспособления (жалюзи, козырьки, экраны, шторы, матовая окраска
стекол и так далее), устраняющие слепящее действие солнечного света на рабочих
местах.
Требования к искусственному
освещению.
а) Освещенность рабочей поверхности при
комбинированном (общем и местном) освещении должна соответствовать нормам
Н-743, освещенность рабочих мест светильниками общего освещения в системе
комбинированного должна быть не выше 500 и не ниже 150 лк.
б) Освещенность рабочих мест в
производственных помещениях без естественного освещения должна соответствовать
СНиП 23-05-95:
не менее 300 лк - для работы I и II разряда;
не менее 200 лк - для работы III и IV
разряда.
Расчет естественного освещения.
Одним из наиболее важных гигиенических
показателей рабочего места является освещенность помещения.
Рабочая зона или рабочее место освещается в
такой степени, чтобы можно было хорошо видеть процесс работы, не напрягая зрения,
и исключалось прямое попадание лучей источника света в глаза. Кроме того,
уровень освещения определяется степенью точности зрительных работ. По нормам
освещенности СНиП 23-05-95 и отраслевым нормам, работа инженера относится к
четвертому разряду зрительной работы.
Основной задачей светотехнических расчетов
является определение требуемой площади световых проёмов при естественном
освещении и потребляемой мощности осветительных приборов при искусственном.
Требуемую площадь светового проема при боковом естественном
освещении определяют по формуле:
Где Sn - площадь помещения, м2;
Еn - нормированное значение КЕО: Еn
= 1,2%;
Кз - коэффициент запаса,
принимаемый из таблиц: Кз = 1,5;- световая характеристика окон, ho =
6,5...29;
Кзо - коэффициент,
учитывающий затемнение окон противостоящими зданиями, Кзо = 1,0...1,6;-
коэффициент, учитывающий повышение КЕО за счет отраженного света от поверхности
помещения r1 = 1,05...1,6;
τo - общий коэффициент
светопропускания, определяемый из СНиП 23-05-95, τo =
0,1...0,8.
Учитывая, что длина пола помещения
равна 9м, а ширина равна 3м, находим площадь пола:= 9×3 = 27 м2.
Учитывая, что высота окна равна
2,5м, а ширина равна 1,5м, находим площадь оконного проема:О = 2,5×1,5 =
3,75м2.
м2.
Учитывая, что в помещении имеется
два окна площадью проема 3,75м2, применение одного бокового освещения
недостаточно. Следовательно, в помещении необходимо использовать дополнительно искусственное
освещение.
Расчет искусственного
освещения.
Целью данного расчёта является проверка
соответствия освещённости помещения, в котором проходила разработка норме
освещённости согласно СНиП 23-05-95 для персонала, осуществляющего эксплуатацию
ЭВМ. Согласно этой норме для четвертого класса зрительных работ освещённость
должна быть не менее 200 Лк. Проведём проверочный расчёт освещённости методом
коэффициента использования светового потока.
Определим световой поток, который необходим для
создания освещённости в лаборатории на рабочем месте по формуле:
где Е - нормальная освещенность рабочего
места;
Фсв - световой поток от ламп, лк;
N -
количество светильников;
Кз - коэффициент запаса, учитывающий
запылённость и износ светильников;
n -
коэффициент использования светильников;
s - площадь
помещения, м2;
z -
коэффициент неравномерности освещения.
Согласно СНиП 23-05-95 для
используемого типа ламп в ЛАЗ КДП (светильник типа УСП-35):
Кз=1,4
1,5 при нормальной эксплуатации
светильников;
z=1,11,2 при
оптимальном размещении светильников.
Коэффициент n зависит от
типа светильника, коэффициентов отражения светового потока от стен - р1,
потолка - р2, пола - р3, которые в совою очередь зависят от геометрических размеров
помещения, учитывающихся величиной I-индекс
помещения.
где А - ширина, м, А=3 м;
В - длина, м, В=9 м;
hc - высота
светильников над рабочей поверхностью, hc=3,5 м.
I=(3×9)/(3,5×(3+9))=0,64
По таблице 6.1 определим коэффициент
использования светового потока n с учётом РП=50%, РС=30%, Рпола=10%
Таблица 6.1 - Значение коэффициента
использования светового потока в зависимости от показателя помещения
|
Показатель
помещения, I
|
0,5
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
Коэффициент
использования светового потока, h
|
0,22
|
0,36
|
0,48
|
0,54
|
0,59
|
Коэффициент n=0,25
Световой поток от лампы типа ЛБ-40 равняется
3120 лк. Определим номинальную освещённость рабочего места по формуле
Е=(3120×24×0,25×0,64)/1,4×27×1,2=264,1
лк.
Полученное значение соответствует условиям
нормальной работы.
Микроклимат.
Общие санитарно-гигиенические требования к
воздуху рабочей зоны должны соответствовать ГОСТ 12.1.005-88. С целью создания
нормальных условий для конструктора установлены нормы производственного
микроклимата.
Показателями, характеризующими микроклимат,
являются:
· температура воздуха;
· относительная влажность воздуха;
· скорость движения воздуха;
· интенсивность теплового излучения.
Оптимальные нормы температуры, относительной
влажности и скорости движения воздуха приведены в таблице 7.2
Таблица 6.2 - Оптимальные значения показателей,
характеризующих микроклимат
|
Период
года
|
Категория
работ
|
Температура,
оС
|
Относительная
влажность, %
|
Скорость
движения, м/с
|
|
|
Оптим.
|
Допуст.
|
Оптим.
|
Допуст.
|
Оптим.
|
Допуст.
|
|
Лёгкая
|
22..24
|
21..25
|
40..60
|
|
0,1
|
<0,1
|
|
Холодный
|
Средняя
|
18..20
|
17..23
|
40..60
|
75
|
0,2
|
<0,3
|
|
Тяжелая
|
19
|
13..19
|
40..60
|
|
0,3
|
<0,5
|
|
Легкая
|
23..25
|
22..28
|
40..60
|
55
|
0,1
|
0,1..0,2
|
|
Теплый
|
Средняя
|
21..23
|
18..27
|
40..60
|
65
|
0,3
|
0,2..0,4
|
|
Тяжелая
|
18..20
|
15.26
|
40..60
|
75
|
0,4
|
0,2..0,6
|
Холодный период года - период года, когда
среднесуточная температура наружного воздуха равна плюс 10 °С и ниже. Теплый
период года - период года, когда среднесуточная температура наружного воздуха
выше плюс 10°С.
Характеристика помещения:
· температура колеблется в пределах (21 - 24) º
С;
· относительная влажность 50 %;
· скорость движения воздуха не более
0,2 м/с.
Следует отметить, что при обеспечении
оптимальных и допустимых показателей микроклимата в холодный период года
необходимо применять средства защиты рабочего места от охлаждения от
остекленных поверхностей оконных проемов, в теплый период года - от попадания
прямых солнечных лучей.
Из приведенных данных следует, что температура
воздуха в помещении соответствует нормам. Принятия дополнительных мер по
созданию благоприятных условий не требуется.
Требования по шуму.
Длительное воздействие шума большой
интенсивности приводит к патологическому состоянию организма, к его утомлению.
Интенсивный шум вызывает изменения
сердечнососудистой системы, сопровождаемые нарушением тонуса и ритма сердечных
сокращений, изменяется артериальное кровяное давление.
Согласно классификации шума по ГОСТ 12.1.003-83
в рассматриваемом помещении шум является постоянным, широкополосным. Для
широкополосного шума допустимые уровни звукового давления в октавных полосах
частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочем месте для
помещений конструкторских бюро по ГОСТ 12.1.003-83 следует принимать в
соответствии с таблицей 7.3.
Таблица 6.3 - Значения предельно допустимого
уровня шума на рабочем месте
|
Уровни
звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами
в Гц
|
Уровень
звука, дБ
|
|
63
|
125
|
250
|
500
|
1000
|
2000
|
4000
|
8000
|
|
|
71
|
61
|
54
|
49
|
45
|
42
|
40
|
38
|
50
|
Основными источниками шума являются дисководы и
вентиляторы охлаждения в ЭВМ, принтер. Поскольку спектральный состав шума в
вычислительном центре нам не известен и нет возможности определить нормы
звукового давления для каждой частотной составляющей, то выбираем норму уровня
звука и эквивалентного уровня звука равную 50 дБ, соответствующую видам
трудовой деятельности, проходящей в рассматриваемом помещении. Уровень звуковой
мощности дисководов, вентиляторов охлаждения, принтера не превышает 50 дБ, что
соответствует норме.
Для наименьшего воздействия шума, создаваемого
персональным компьютером, на организм инженера-конструктора необходимо удаление
терминалов, за которыми он работает, от постоянно "шумящих"
устройств. Также необходимы перерывы на отдых, которые нужно предусмотреть в
регламенте работы.
Защита от ионизирующего
излучения.
Источником излучения в рабочем помещении
является электронно-лучевые трубки мониторов персональных компьютеров. В
соответствии с ГОСТ Р 50948 «Требования к конструкции дисплея, визуальным
параметрам экрана и параметрам излучения» приведем требования к параметрам
излучения дисплеев:
· Электростатический потенциал экрана дисплея не
должен превышать 500В;
· Напряженность электрической
составляющей переменного электромагнитного поля на расстоянии 50 см от экрана
дисплея не должна превышать 25 В/м в диапазоне частот 5 Гц...2 кГц и 2,5 В/м в
диапазоне частот 2...400 кГц;
· Плотность магнитного потока на
расстоянии 50 см от экрана дисплея не должна превышать 250 нТл в диапазоне
частот 5 Гц. .2 кГц и 25 нТл в диапазоне частот 2...400 кГц,
· Мощность дозы рентгеновского
излучения на расстоянии 5 см от экрана дисплея не должна превышать 1000 нГр/ч
(100 мкР/ч)
Отметим, что большинство современных мониторов
удовлетворяют поставленным требованиям, а в жидкокристаллических дисплеях
вообще отсутствуют источники ионизирующих излучении и электромагнитных полей.
Предел облучения категории Б, согласно НРБ -
76187 составляет 0,5 бэр/год. Оценим дозу облучения D, которую получает
оператор за год.
= Ф∙М + Е-365,
Где М - излучение от монитора, М = 6∙10-5 бэр/ч;
Ф - годовой фонд рабочего времени, ч;
Е - естественный фон, Е = 2∙10-5
бэр/день.= 240∙8∙6∙10-5 +365∙2∙10-5 = 0,123
бэр/год.
Таким образом, доза облучения оператора в
несколько раз ниже установленных норм. Тем не менее, необходимо выполнять
следующие рекомендации:
· исключить мерцание экрана (использовать монитор
с частотой кадров не менее 75 гц);
· монитор должен быть установлен таким
образом, чтобы верхний край экрана находился на уровне глаз;
· избегать освещения экрана яркими
источниками света;
· регулярно делать перерыв в работе.
Электробезопасность.
Электрические установки, к которым относятся
ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность. В процессе
эксплуатации или при проведении профилактических работ человек может коснуться
частей, находящихся под током.
Согласно классификации помещений по
электробезопасности дипломный проект разрабатывался в помещении без повышенной
опасности (класс 01 по ГОСТ 12.1.019 - 85), характеризующимся наличием
следующих условий:
· напряжение питающей сети 220 В, 50 Гц;
· относительная влажность воздуха не
более 75%;
· средняя температура не более 35°С;
· наличие деревянного полового
покрытия.
При нормальном режиме работы оборудования
опасность электропоражения невелика, однако, возможны режимы, называемые
аварийными, когда происходит случайное электрическое соединение частей
оборудования, находящихся под напряжением с заземленными конструкциями.
Основными техническими способами и средствами
защиты от поражения электрическим током являются: защитное зануление,
выравнивание потенциалов, защитное заземление, электрическое разделение сети,
изоляция токоведущих частей, оградительные устройства и другое.
Предельно допустимые значения напряжений
прикосновения и токов:
) Предельно допустимое значение напряжений
прикосновений и токов установлены для путей тока от одной руки к другой и от
руки к ногам.
) Напряжение прикосновения и токи, протекающие
через тело человека при нормальном (не аварийном) режиме электроустановки, не
должно превышать значений, указанных в таблице 7.4 при аварийном режиме
значений указанных в таблице 7.5.
Таблица 6.4 - Напряжение прикосновения и токи
|
Род
тока
|
U,
не более
|
I,
мА не более
|
|
Переменный,
50 Гц
|
2,0
|
0,3
|
|
Переменный,
400 Гц
|
3,0
|
0,4
|
|
Постоянный
|
8,0
|
1,0
|
Примечание: а) напряжение прикосновения и токи
приведены при продолжительности воздействия не более 10 минут в сутки и
установлены, исходя из реакции ощущения; б) напряжение прикосновения и токи для
лиц, выполняющих работы в условиях высоких температур (выше 25 °С)
и влажности (относительная влажность более 75%), должны быть уменьшены в три
раза
Таблица 6.5 - Предельно допустимые значения
напряжения и токов при аварийном режиме
|
Род
тока
|
Нормируемая
величина
|
Предельно
допустимые значения, не более, при продолжительности воздействий тока t, c.
|
|
|
0,01-0,08
|
0,1
|
0,3
|
0,5
|
0,6
|
0,9
|
1,0
|
>1
|
|
Переменный
50 Гц
|
U, В
|
550
|
340
|
135
|
105
|
95
|
70
|
60
|
20
|
|
I, мА
|
650
|
400
|
160
|
125
|
105
|
65
|
50
|
6
|
В лаборатории используются для питания приборов
напряжение 220 В переменного тока с частотой 50 Гц. Это напряжение опасно для
жизни, поэтому обязательны следующие предосторожности:
· перед началом работы убедится, что выключатели,
розетки закреплены и не имеют оголенных токоведущих частей;
· не включать в сеть компьютеры и
другую оргтехнику со снятыми крышками;
· запрещается оставлять без присмотра
включенное в электросеть оборудование;
· при обнаружении неисправности
компьютера необходимо выключить его и отключить от сети;
· при обнаружении неисправностей или
порчи оборудования необходимо, не делая никаких самостоятельных исправлений и
ничего не разбирая сообщить преподавателю или ответственному за оборудование;
· запрещается загромождать рабочее
место лишними предметами;
· при несчастном случае необходимо
немедленно отключить питание электроустановки, вызвать “СКОРУЮ ПОМОЩЬ” и
оказать пострадавшему первую помощь до прибытия врача;
· дальнейшее продолжение работы
возможно только после устранения причины поражения электрическим током;
· по окончании работы ответственный
должен проверить оборудование, выключить все приборы и главный рубильник.
Требования к разрабатываемому устройству.
Так как при сборке устройства используются
припои, содержащие свинец и флюсы, а также горячие инструменты: паяльник,
необходимо оборудовать рабочее место соответствующими вытяжками или
дымопоглотителями типа ZD-153. При работе с паяльником необходимо соблюдать
осторожность.
В соответствии с ТИ Р М -075-2003 необходимо:
Перед началом работы:
1. Осмотреть рабочее место, привести его в
порядок, освободить проходы и не загромождать их.
2. Осмотреть, привести в порядок и надеть
средства индивидуальной защиты.
. При пользовании паяльником:
· проверить его на соответствие классу защиты от
поражения электрическим током;
· проверить внешним осмотром
техническое состояние кабеля и штепсельной вилки, целостность защитного кожуха
и изоляции рукоятки;
· проверить на работоспособность
встроенных в его конструкцию отсосов;
· проверить на работоспособность
механизированную подачу припоя в случаях ее установки в паяльнике.
4. Включить и проверить работу вентиляции.
5. Проверить наличие и исправность:
· ограждений и предохранительных приспособлений;
· токоведущих частей электрической
аппаратуры (пускателей, трансформаторов, кнопок и других частей);
· заземляющих устройств;
· средств пожаротушения.
6. Проверить освещенность рабочего места.
Напряжение для местного освещения не должно превышать 50 В.
Во время работы:
1. Содержать рабочее место в чистоте, не
допускать его загромождения.
2. При выполнении работ соблюдать принятую
технологию пайки изделий.
. Паяльник, находящийся в рабочем
состоянии, устанавливать в зоне действия местной вытяжной вентиляции.
. Паяльник на рабочих местах
устанавливать на огнезащитные подставки, исключающие его падение.
. Нагретые в процессе работы изделия и
технологическую оснастку размещать в местах, оборудованных вытяжной
вентиляцией.
. При пайке крупногабаритных изделий
применять паяльник со встроенным отсосом.
. Для перемещения изделий применять
специальные инструменты (пинцеты, клещи или другие инструменты), обеспечивающие
безопасность при пайке паяльником.
. Сборку, фиксацию, поджатие соединяемых
элементов, нанесение припоя, флюса и других материалов на сборочные детали
проводить с использованием специальных приспособлений или инструментов,
указанных в технологической документации.
. Излишки припоя и флюса с жала паяльника
снимать с применением материалов, указанных в технологической документации
(хлопчатобумажные салфетки, асбест и др.).
. Пайку паяльником в замкнутых объемах
проводить не менее чем двум работникам. Для осуществления контроля безопасного
проведения работ один из работников должен находиться вне замкнутого объема.
Работник, находящийся в замкнутом объеме, кроме спецодежды должен применять:
защитные каски (полиэтиленовые, текстолитовые или винипластовые),
электрозащитные средства (диэлектрические перчатки, галоши, коврики) и
предохранительный пояс с канатом, конец которого должен находиться у
наблюдающего вне замкнутого объема.
11. Пайку паяльником в замкнутых объемах
проводить паяльником с напряжением не выше 12 В и при непрерывной работе
местной приточной и вытяжной вентиляции.
12. Пайку паяльником малогабаритных изделий в
виде штепсельных разъемов, наконечников, клемм и других аналогичных изделий
проводить, закрепляя их в специальных приспособлениях, указанных в
технологической документации (зажимы, струбцины и другие приспособления).
. Во избежание ожогов расплавленным
припоем при распайке не выдергивать резко с большим усилием паяемые провода.
. Паяльник переносить за корпус, а не за
провод или рабочую часть. При перерывах в работе паяльник отключать от
электросети.
. При нанесении флюсов на соединяемые
места пользоваться кисточкой или фарфоровой лопаточкой.
. При проверке результатов пайки не
убирать изделие из активной зоны вытяжки до полного его остывания.
. Изделия для пайки паяльником укладывать
таким образом, чтобы они находились в устойчивом положении.
. На участках пайки паяльником не
производить прием и хранение пищи, а также курение.
По окончании работы:
1. Отключить от электросети паяльник,
пульты питания, освещение.
2. Отключить местную вытяжную вентиляцию.
. Неизрасходованные флюсы убрать в
вытяжные шкафы или в специально предназначенные для хранения кладовые.
. Привести в порядок рабочее место,
сложить инструменты и приспособления в инструментальный ящик.
. Снять спецодежду и другие средства
индивидуальной защиты и повесить их в специально предназначенное место.
. Вымыть руки и лицо теплой водой с
мылом, при возможности принять душ.
В устройстве предусмотрен ультрафиолетовый
источник света. В результате чего при работе с установкой необходимо применять
защитные очки от ультрафиолетового излучения, так как оно может повредить
глаза. Необходима хорошая вентиляция помещения при проведении исследований, при
работе УФ лампы выделяется большое количество озона, превышение концентрации
которого в воздухе рабочего помещения выше нормы, может привести к отравлению.
В лаборатории установлена вытяжка, которую необходимо включать перед началом
работ.
УФ лампа в обязательном порядке устанавливается
в защитный кожух для обеспечения безопасности персонала, вследствие того, что
она взрывоопасна. Во время работы источника УФ излучения, запрещается браться
за лампу руками. Это может привести к выходу её из строя.
Перед началом работ необходимо проверить
состояние электрошнура прибора и наличие других повреждений, таких как трещины
или сколы на колбе лампы. Только после этого разрешается включать установку.
Инструкция по охране труда.
Рабочее место
1) Рабочее место следует содержать в
чистоте и не допускать его загромождения посторонними предметами;
) Осветительные приборы следует
располагать так, чтобы рабочее место хорошо освещалось, и свет не попадал в
глаза;
) Приборы, оборудование и инструменты
должны располагаться так, чтобы обращение с ними не требовало лишних движений;
) Все электрооборудование должно быть
надежно заземлено;
) Все провода, розетки, вилки,
выключатели и пр., а также защитное заземление должны находиться в исправном
состоянии;
) Расходуемые сплавы и флюсы должны
помещаться в тару, исключающую загрязнение рабочих поверхностей свинцом;
) Рабочие места должны обеспечиваться
пинцетами или другими специальными инструментами, предназначенными для
перемещения изделий или сплава, обеспечивающими безопасность при пайке
) В рабочем помещении должна храниться
аптечка первой медицинской помощи.
Организация труда и отдыха при
работе с ПЭВМ.
Длительность работы в помещении с ПЭВМ не должна
превышать 6-и часов в день. Для обеспечения оптимальной работоспособности и
сохранения здоровья профессиональных пользователей на протяжении рабочей смены
должны устанавливаться регламентированные перерывы длительностью 15-20 минут.
Продолжительность непрерывной работы с ПЭВМ без регламентированного перерыва не
должна превышать 2-х часов.
Для предупреждения переутомления, во время
перерывов следует делать упражнения для глаз, физкультурные упражнения,
проветривание помещений.
Профессиональный пользователь ПЭВМ должен
проходить обязательные предварительные и периодические медицинские осмотры не
реже 2 раза в год.
Конструкция рабочего места и взаимное расположение
всех его элементов (сиденье, органы управления, средства отображения информации
т.д.) должны соответствовать антропометрическим, физиологическим и
психологическим требованиям, а также характеру работы.
Высота рабочего стола, рассчитанная на средний
рост человека, должна равняться 750мм. Высота сиденья 420мм. Расстояние от
сиденья до нижнего края стола 150мм. Размеры свободного пространства для ног
650мм. На рабочем столе должно быть достаточно места для размещения дисплея,
клавиатуры, манипулятора “мышь”, письменных принадлежностей, литературы. Также
на столе должно оставаться свободное место для работы. Расстояние от глаз
оператора до экрана дисплея должно составлять величину 0,5-0,7м.
Техника безопасности. Основные
правила безопасной работы.
В случае обнаружения неисправности, угрожающей
пожаром, взрывом или несчастным случаем (обрыв проводов, замыкание на землю,
наличие напряжения на корпусах приборов и т.п.), следует обесточить
оборудование и принять все необходимые меры, предупреждающие опасность и
сообщить о случившемся администрации.
Во избежание поражения электрическим током не
следует перемещать электроприборы, находящиеся под напряжением.
При использовании электрооборудования, не
имеющего заземления, его следует располагать так, чтобы исключить одновременное
касание к корпусу прибора и любому заземленному предмету. В этом случае
расстояние между ними должно быть не менее двух метров.
Смену предохранителей, электроламп и др. следует
производить при выключенном оборудовании.
Следует своевременно производить влажную уборку
помещения, удалять пыль с оборудования и мебели, убирать использованные
расходные материалы.
Запрещается:
· Заграждать проходы, пути эвакуации,
а также подходы к средствам пожаротушения, подступы к электрощитам и
рубильникам.
· Использование для работы
неисправного оборудования, оборудования со снятым защитным кожухом или открытым
корпусом;
· Самостоятельно устранять
неисправности оборудования или электропитания.
· Заменять перегоревшие предохранители
проволокой. Необходимо применять предохранители только калиброванные,
заводского изготовления.
· Оставлять без присмотра включенные
электронагревательные приборы, электроустановки и др.
· Применять для обогрева помещения
неисправные, самодельные нагревательные приборы, а также приборы с открытым
источником тепла;
· Курить на рабочем месте.
Действия на случай пожара
Каждый, обнаруживший пожар или загорание,
обязан:
) немедленно вызвать пожарную охрану по
телефону 01;
) при необходимости вызвать
газоспасательную, медицинскую и другие службы;
) отключить электроэнергию, прекратить все
работы, не связанные с тушением пожара;
) вынести из помещения
легковоспламеняющиеся, взрывоопасные материалы и наиболее ценные предметы;
) приступить к тушению очага пожара
имеющимися на рабочем месте средствами пожаротушения (огнетушитель, пожарный
кран, песок, пожарный щит и т.д.);
) принять меры по организации вызова к
месту пожара руководителя подразделения и администрации.
Оказание помощи, при поражении
электрическим током.
При поражении электрическим током пострадавший в
большинстве случаев не может сам освободиться от воздействия тока из-за
непроизвольного сжатия мышц, тяжелой механической травмы или потери сознания.
Поэтому необходимо, прежде всего, освободить пострадавшего от действия тока.
После освобождения пострадавшего от действия тока необходимо приступить к
оказанию первой помощи:
Если пострадавший пришел в сознание, его нужно
уложить на сухую подстилку и накрыть сухой одеждой. Вызвать врача. Нельзя
разрешать ему двигаться, так как отрицательное действие тока может проявиться
не сразу; если пострадавший без сознания, но у него устойчивое дыхание и пульс,
то его необходимо удобно уложить, обеспечить приток свежего воздуха,
постараться привести в сознание (брызнуть в лицо водой, поднести нашатырный
спирт) и ждать врача.
При отсутствии признаков жизни (отсутствие
дыхания и пульса) НЕЛЬЗЯ считать пострадавшего мертвым, так как смерть может
быть кажущейся. Мероприятия по оживлению проводят в следующем порядке:
1) восстанавливают
проходимость дыхательных путей;
2) проводят
искусственное дыхание методом “рот в рот” или “рот в нос”;
3) делают
непрямой массаж сердца.
Искусственное дыхание и массаж сердца следует
проводить непрерывно до прибытия врача, который должен быть вызван немедленно.
Переносить пострадавшего в другое место следует
только в тех случаях, когда ему или лицу, оказывающему помощь, продолжает
угрожать опасность или когда оказание помощи невозможно.
Заключение
Подводя итоги дипломного проекта, можно сказать,
что проведена обширная работа по созданию лабораторного комплекса, который
позволит восполнить недостаток специализированного оборудования для проведения
исследований в области полупроводниковой техники, в нашем случае, светодиодов
на основе GaN и дригих
материалов. Проведённые нами предварительные исследования показали, что
разработка такой системы является актуальной в наше время, особенно когда в
стране действует программа по созданию энергосберегающего освещения. Благодаря
этому имеются все предпосылки, по продолжению работы в данном направлении, для
создания современной лабораторной установки.
Таким образом, в результате разработки нашей
системы становится возможным выяснить природу процессов приводящих к деградации
гетероструктур СИД, вклад в эти процессы различных дефектов. Усовершенствовать
методику тепловых расчётов, что позволит с применением специализированных
пакетов описанных выше, построить точную модель процессов происходящих в
кристалле светодиода. В итоге появится возможность точного определения
параметров приборов на основе GaN,
прогнозирования их срока службы, усовершенствования технологии их изготовления.
Список использованных
источников
1. Никифоров
С. Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов / / Компоненты и технологии. -
2005. -
№5.
2. Абрамов
В. С., Никифоров С. Г, Сушков В. П., Шишов А. В. Особенности конструирования
мощных белых светодиодов // Светодиоды и лазеры. 2003. №№ 1-2.
. Закгейм
Д.А., Смирнов И.П. и др. Высокомощные синие флип-чип светодиоды на основе
AlGaInN / / ФТП. - 2005. - т.39. - вып.7. - C. 885.
. Рожанский
И.В., Закгейм Д.А. Анализ причин падения эффективности электролюминесценции
светодиодных гетроструктур AlGaInN при большой плотности тока накачки // ФТП. -
2006. - Т. 40. - Вып. 7. - С. 861 - 867.
. Ходаков
А.М. Математическое моделирование теплоэлектрических процессов в структурах
полупроводниковых изделий с дефектами. Автореферат дисс. к.ф.-м.н., Ульяновск,
УТУ, 2010.
. Полищук
А., Туркин А. Деградация полупроводниковых светодиодов на основе нитрида галлия
и его твердых растворов / / Компоненты и технологии. 2005. − №2. - C.25−28.
7. Субач
С.В. Особенности формирования фазовых неоднородностей в гетероэпитаксиальных
слоях InP и InGaAs / Дисс. канд. ф.-м. наук, Томск, ТГУ, 2001, 184 с.
. Дулов
О.А. Деградация электрофизических характеристик светодиодов на основе
гетероструктур InGaN на SiC под воздействием электрической нагрузки / Труды 5
научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации
радиотехнических систем», Ульяновск, 19-20 июня 2007 г.
9. Бочкарева
Н.И., Жирнов Е.А., Ефремов А.А., Ребане Ю.Т., Горбунов Р.И., Шретер Ю.Г.
Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов //
ФТП. - 2005. - Т. 39. - С. 829.
. А.Л.
Закгейм, М.Е. Левинштейн, В.П. Петров, А.Е. Черняков, Е.И. Шабунина, Н.М.
Шмидт. Низкочастотный шум в исходных и деградировавших синих
InGaAs/GaN-светодиодах // ФТП. - 2012. - Т. 46. - вып. 2. - С.219-223.
. Анисимова
Л.Л., Гутаковский А.К., Ивонин И.В., Преображенский В.В., Путято М.А., Семягин
Б.Р., Субач С.В. Образование дефектов в эпитаксиальных слоях / / Журнал
структурной химии. - 2004. - Том 45. - С. 96 - 101.
. Бочкарева
Н.И., Жирнов Е.А., Ефремов А.А., Ребане Ю.Т., Горбунов Р.И., Шретер Ю.Г.. ФТП.
- 2005. - т. 39, С. 829.
. Ефремов
А.А., Бочкарева Н.И. и др. Влияние джоулева разогрева на квантовую
эффективность и выбор теплового режима мощных голубых InGaN/GaN светодиодов / /
ФТП - 2006. - Т.40. - вып.5. - С.621- 627.
. Бланк
Т.В. Гольдберг Ю.А., Константинов О.В., Никитин В.Г., Поссе Е.А. Механизм
протекания тока в сплавном омическом контакте In - GaN / / ФТП. - 2006. - том
40. - вып. 10. - С. 1024.
. Брудный
В.Н., Кособуцкий А.В., Колин Н.Г., Корулин А.В. Изменение структурных
параметров решетки и электронных спектров пленок нитрида галлия на сапфире при
облучении реакторными нейтронами / / ФТП. - 2011. том 45. - вып. 4. - С.461.
. Беспалов
А.В. Модификация эпитаксиальных слоев нитрида галлия в области дефектов роста
методом периодического ионно-лучевого осаждения-распыления / Автореферат дисс.
к.т.н., М., МИРЭА, 2010, 123 с.
. Бахтизин
Р.З., Щуе Ч.-Ж., Щуе Ч.-К., Ву К.-Х., Сакурай Т. Сканирующая туннельная
микроскопия гетероэпитаксиального роста пленок III-нитридов / / УФН. 2004. -
Т.174. - №4. - С. 383.
. Еханин
С.Г., Романовский М.Н., Томашевич А.А., Ермолаев А.В., Богатырева Д.В.,
Сапегина Н.В., Тимохина М.А., Отчет о Научно-исследовательской работе
«Усовершенствование методики расчета теплопереноса в СД и СДУ» (промежуточный)
Томск 2011
. А.
В. Ермолаев, И. С. Тен, Д. В. Богатырева, Н. В. Сапегина, А. А. Коровкин,
студенты; А. А. Томашевич, аспирант - ЗАВИСИМОСТЬ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
СИД ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. - Материалы Всероссийской научно- технической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 16-18 мая 2012 г. - Томск:
В-Спектр, 2012: В 5 частях. - Ч. 1. - 320 с.
. А.
В. Ермолаев, Д. В. Богатырева, Н. В. Сапегина, А. А. Коровкин, студенты; А. А.
Томашевич, аспирант - УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СИД - Материалы
Всероссийской научно- технической конференции студентов, аспирантов и молодых
ученых, Томск, 16-18 мая 2012 г. - Томск: В-Спектр, 2012: В 5 частях. - Ч. 1. -
320 с.
. А.
И. Головизин, Д. П. Матвеев, студенты - АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПОСТРОИТЕЛЬ ВАХ СИД -
Материалы Всероссийской научно- технической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых, Томск, 16-18 мая 2012 г. - Томск: В-Спектр, 2012: В 5 частях. -
Ч. 1. - 320 с.
. Белкин
В. Г., Бондаренко В. К. и др. Справочник радиолюбителя-конструктора. - 3-е
изд., переработанное и доп. - М.: Радио и связь, 1983. - 560 с., ил.
. Опадчий
Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника (полный
курс): Учебник для вузов. Под ред. О. П. Глудкина. - М.: Горячая линия-Телеком,
2005. - 768 с.: ил.
. Кобрин
Ю.П.. Информационные технологии проектирования РЭС. Томск, ТУСУР, 2006. - 90 с.
. Варламов
Р. Г. Краткий справочник конструктора РЭА. - М.: Сов. радио, 1972.
. Аронов
В. Л., Баюков А. В. И др. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. -
М.: Энергоатомиздат, 1985.
. Варламов
Р. Г. Краткий справочник конструктора РЭА. - М.: Сов. радио, 1972.
. Сабунин
А.
Е.
Altium Designer. Новые решения в проектировании
электронных устройств. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. - 432с.: ил. - (Серия «Системы
проектирования»).
. Очков
В. Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров: русская версия. - СПб.:
БХВ-Петербург, 2009. - 512 с.: ил.
. Теверовский
Л. В., Проектирование электрических изделий в КОМПАС-3D.
- М.: ДМК Пресс, 2012. 168 с., ил.
. ОС
ТАСУР 6.1-97. Образовательный стандарт ВУЗа. Работы студенческие учебные и
выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления. Ротапринт
ТАСУРа, 1991. - 40 с.
. Романычева
Э.Т., Иванова А.К., Куликов А.С., Новикова Т. П. Разработка и оформление
конструкторской документации РЭА: Справочное пособие - М.: Радио и связь, 1984.
- 256 с., ил.
. Романычева
Э.Т., Иванова А.К., Куликов А.С. и др.: Под ред. Романычевой Э.Т. Разработка и
оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник
- М.: Радио и связь, 1989. 448 с.
Патентный поиск
Таблица А.1 - Регламент патентного поиска
|
Предмет
поиска
|
Цель
поиска
|
Страна
поиска
|
Классификационные
индексы
|
Глубина
поиcка
|
Наименование
источников
|
Технология тепловых расчетов СИД и
СУ Изучение тенденции развития расчетов теплопереноса СИД и СУ RU,US,
EP МПК: G,H 10 лет www.fips.ru
<http://www.fips.ru>,.uspto.gov
<http://www.uspto.gov>,.espacenet.com <http://www.espacenet.com>
Таблица А.2 - Научно-техническая документация
отобранная для анализа
|
Наименование
источника информации
|
Автор
|
Год,
место и орган издания
|
|
1
|
Тепловой
анализ качества посадки кристаллов светодиодов, статья
|
Бумай
Ю.А., Васьков О.С. и др.
|
Сб.
тез. докл. 6 Всеросс. конф. «Нитриды галлия, индия и алюминия - структура и
приборы» С.-Петербург, 2008
|
|
2
|
Влияние
джоулева разогрева на квантовую эффективность и выбор теплового режима мощных
голубых InGaN/GaN светодиодов, статья
|
Ефремов
А.А., Бочкарева Н.И.
|
ФТП,
2006, Т.40, вып. 5.
|
|
3
|
Тепловые
процессы в сверхъярких InGaN/GaN светодиодах, статья
|
Бумай
Ю.А., Васьков О.С.
|
Сб.
ст. 6-го Бел.-Росс. семинара «Полупроводниковые лазеры и системы на их
основе». Минск, 2007
|
|
4
|
Обобщенный
тепловой анализ мощных светодиодов и гетеролазеров, статья
|
БумайЮ.А.,
Васьков О.С. и др.
|
Сб.
ст. 6-го Бел.-Росс. семинара «Полупроводниковые лазеры и системы на их
основе». Минск, 2007
|
|
5
|
Measuring LED junction
temperature, статья
|
Hulett
J., Kelly C.
|
Photonics
Spectra, 2008, Vol.42, No.7
|
|
6
|
Электротепловой
элемент сенсоров газа, статья
|
Лепих
Я.И.
|
Технология
и конструирование в электронной аппаратуре, 2002, №6
|
|
7
|
Математическое
моделирование теплоэлектрических процессов в структурах полупроводниковых
изделий с дефектами, автореферат дисс. к.ф.-м.н.
|
Ходаков
А.М.
|
Ульяновск,
УТУ, 2010
|
|
8
|
Основы
теплового менеджмента при конструировании ПСП, статья
|
Николаев
Д., Феопентов А.
|
Полупроводниковая
светотехника №1, 2010
|
|
9
|
Свойства
светодиодов на основе GaSb с сетчатыми омическими контактами, статья
|
Именков
А.Н., Гребенщикова Е.А. и др.
|
ФТП,
2004, Т.38, вып. 11.
|
|
|
|
|
|
Таблица А.3 - Патентная документация, отобранная
для анализа
|
Предмет
поиска (Объект, его составные части
|
Страна
выдачи, вид и номер охр. документа, классиф. индекс
|
Заявитель
с указанием страны, дата публикации
|
Сущность
заявленного техн. решения
|
Сведения
о действии охранного документа
|
|
Тепловой
расчет СИД
|
США,
патент, №20100302779, А1
|
Brian
J., США, 02.12.2010
|
Метод
оценки температуры перехода СИД
|
Действует
|
|
Тепловой
расчет СУ
|
США,
патент, №20100202141, А1
|
Ron
Shu Yuen, США, 12.08.10
|
Компьютерное
моделирование радиатора для СУ
|
Действует
|
|
Особенности
теплоотвода в СИД и СУ
|
США,
патент, №20090322800, А1
|
Robin
Atkins, США, 31.12.09
|
Способ
и устройство теплоотвода в СУ
|
Действует
|
|
Особенности
теплоотвода в СИД и СУ
|
США,
патент, №20100136725, А1
|
Wei
Shi, США, 03.06.10
|
Метод
и система отвода тепла от СИД и СУ
|
Действует
|
|
Особенности
теплоотвода в СИД и СУ
|
США,
патент, №20090129087, А1
|
Carl
R. Starkey,
|
Метод
управляемого охлаждения
|
Действует
|
|
Особенности
теплоотвода в СИД и СУ
|
США,
патент, №20090129087, А1
|
Carl
R. Starkey,
|
Метод
управляемого охлаждения
|
Действует
|
|
Параметры
для теплового расчета
|
Патент,
CN101701854 (A), G01K7/18.
|
LIANG CHEN и др.
(CHEN LIANG, ; GU JIANZHONG, ; HE BINFENG, ; LIU SHISHEN, ; TONG GUANGHUI, ;
ZHANG TAO, ; ZHANG MEIMIN)
|
Метод
определения теплового сопротивления
|
Действует
|
Приложение Б
Автоматизированный
построитель ВАХ. Инструкция по эксплуатации
Построитель ВАХ предназначен для
автоматизированного измерения вольтамперных характеристик светоизлучающих
диодов и температуры окружающей среды.
Основные технические характеристики:
Допустимое напряжение питания: 10 - 30 В;
Рекомендуемое напряжение питания: 12 В;
Потребляемый ток в режиме ожидания: не более 40
мА;
Максимальный ток, подаваемый на светодиод: 1 -
200 мА;
Минимальный шаг приращения тока: ~1 мА;
Длительность импульса тока в импульсном режиме
измерения: 0.4 мс;
Период одного измерения: 500 мс;
Диапазон измеряемых температур: 0-100 0С;
Разрешающая способность термометра: ±1 0С;
Габаритные размеры: 150*80*30 мм;
Установить драйвер необходимый для распознавания
устройства компьютером.
Минимальные системные требования:
Операционная система:
· Windows 2000 SP4;
· Windows XP (32 & 64 bit);
· Windows Server 2003 (32 & 64
bit);
· Windows Vista (32 & 64 bit);
· Windows 7 (32 & 64 bit);
· Windows Server 2008 / 2008 R2 (32
& 64 bit);
· Интерфейс: USB 1.1/2.0/3.0.
Подключить соответствующий разъем построителя к
исследуемому светодиоду соблюдая полярность (красный провод - анод светодиода,
черный провод - катод светодиода). Подключение исследуемого светодиода должно
осуществляться при отключенном источнике питания прибора.
Подключить датчик температуры (если есть
необходимость) к соответствующему разъему построителя.
Подключить разъем питания построителя к
источнику напряжения.
Подключить USB кабель построителя к USB порту
компьютера.
Запустить программу «Построитель ВАХ».
Выполнить необходимые настройки задающие
параметры измерения:
1) Указать номер COM порта (присваивается
автоматически при установке драйвера, посмотреть и при необходимости изменить
номер COM порта можно в диспетчере устройств Windows).
2) Нажать кнопку «Открыть порт».
) Выбрать режим измерения ВАХ, для этого
щелкнуть левой кнопкой мыши на специальном поле слева от названия режима.
) Ввести число определяющее максимальное
значение тока в миллиамперах до которого будет строиться ВАХ, оно должно быть
целым, положительным, из диапазона [1:200].
) Задать шаг измерения (приращение тока).
) Нажать на кнопку «Измерение ВАХ» для
запуска измерения.
Аварийный сброс ВСЕХ настроек и остановка
измерения осуществляется с помощью кнопки расположенной на лицевой панели
корпуса прибора.
Для измерения температуры среды, в которой
находится датчик, нажать на кнопку «Температура».
Для удаления полученных данных и очистки поля
графика нажать на соответствующие кнопки внизу программы.
Для сохранения полученных числовых данных в
формате Excel, нажать на кнопку «Сохранить данные» и указать каталог, куда
необходимо сохранить.
Для сохранения графического изображения ВАХ в
формате JPEG, нажать на кнопку «Сохранить диаграмму» и указать каталог, куда
необходимо сохранить.
Для остановки прокрутки области данных нажать на
кнопку «Закрыть порт»
Примечание: иногда при измерении ВАХ числовые
данные могут некорректно отображаться, в этом случае можно дождаться окончания
измерения и повторить его, либо нажать кнопку сброса для остановки измерения.