Лабараторные работы по усилителю звука

 
Цель работы: является изучение методики практического определения показателей надежности изделий электронных средств (ЭС).
Краткое описание схемы ЭЗ.
ОУ DA1 питается через транзисторы VT1, VT2, которые снижают напряжение питания до требуемых значений. Токи покоя транзисторов создают падение напряжения на резисторах R8 и R9, достаточные для обеспечения необходимого напряжения смещения на базах транзисторов VT3, VT4 и VT5, VT6. При этом напряжения смещения для транзисторов оконечного каскада выбраны такими, чтобы они оставались надёжно закрытыми при повышении напряжения питания на 10…15% и перегреве на 60…80 ⁰C. Снимаются напряжения смещения с резисторов R12, R13, которые одновременно стабилизируют режим работы транзисторов предоконечного каскада и создают местные ООС по току. ФНЧ R3C2 и ФВЧ C3R10 с частотами среза в области 60 кГц предотвращают работу сравнительно низкочастотных транзисторов VT3-VT6 на более высоких частотах во избежание их пробоя. Конденсаторы C4, C5 корректируют АЧХ предоконечного и оконечного каскадов, предотвращая их самовозбуждение при неудачном монтаже.
Расчет надёжности:
Под надежностьюпонимают свойство изделия сохранять во времени в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции, в заданных режимах и условиях применения данного изделия.
Надежность закладывается в изделие в процессе проектирования и производства и обеспечивается в процессе эксплуатации.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его применения может включать – безотказность; долговечность; ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.
Надежность электронной аппаратуры зависит от ее сложности и режимов эксплуатации. Поэтому одним из условий надежности работы ЭС является правильность выбора режимов работы множества ЭРЭ и деталей, из которых состоит изделие, качество изготовления, а также условия эксплуатации.
Для численного выражения надежности используют различные количественные характеристики: одни из них удобны для оценки надежности ЭРЭ, другие применяются для определения надежности узла, блока и изделия в целом.
Среди свойств изделия есть понятие безотказность — это количественный показатель, характеризующий вероятность безотказной работы за заданное время P(t); интенсивность отказов λ; среднее время наработки на отказ T_ср.
P(t) = e^-λt,
где λ — интенсивность отказов.
Интенсивность отказов изделия, состоящего из m комплектующих элементов, определяется по формуле:
_I;
где λ — интенсивность отказа i-того элемента.
Среднее время наработки на отказ изделия определяется по формуле:
T=.
а) Учет электрической нагрузки
Определяем коэффициенты электрической нагрузки элементов ЭС, согласно схемы, используя формулы, приведенные в таблице 1:
Таблица 1.

Элемент	Формула для определения Кн	Пояснение
Резистор	Кн=Рраб/Рном	Р– мощность
Конденсатор	Кн=Uраб/Uном	U– напряжение
Цифровые интегральные ИМС Аналоговые ИМС	КIн=Iвых раб/Iвых мах КIн=Iвых раб/Iвых мах КPн=Pраб/Pмах	Iвых – выходной ток

Исходные данные и результаты расчетов сведены в таблицу 2:
 
 
 
 
 
 
 
 
Таблица 2

Наименование	Коэффициент нагрузки Кн	Количество ЭРЭ данного типа N	Эксплуатационный коэф. отказов а=li/loi	Интенсивность отказа *106
				loi	li	lS
Микросхемы: К544УД2А	0,42	1	0,013	0,013	0,0091		0,0091
Резисторы: МЛТ-0,25 МЛТ-2	0,6 0,5	12 2	0,65 0,6	0,03 0,03	0,0195 0,018		0,234 0,036
Конденсаторы: К10-17 К50-35	0,44 0,88	7 2	0,15 0,8	0,15 0,035	0,0225 0,028		0,1575 0,056
Транзисторы: КТ315А КТ361А КТ814Б КТ815Б КТ818Б КТ819Б	0,42 0,42 0,5 0,5 0,25 0,25	1 1 1 1 1 1	0,7 0,7 0,8 0,8 0,5 0,5	0,84 0,84 0,5 0,5 0,74 0,74	0,588 0,588 0,4 0,4 0,37 0,37		0,588 0,588 0,4 0,4 0,37 0,37

  
Суммарная интенсивность отказов:
∑l_S =3,29 *10^-6(1/ч),
Среднее время наработки на отказ изделия:
Т_ср = 1/3,29×10^-6 = 303400 (ч),
Вероятность безотказной работы при ресурсе t=150000 ч:
P(t)=exp(-3,29×10^-6×150000)=0,61
Вывод: вероятность безотказной работы при заданном ресурсе и среднее время наработки на отказ удовлетворяет техническому заданию, следовательно, требования надежности выполняются. Данное устройство будет безотказно работать в течение 303400 часов. Это является отличным показателем для данного типа устройств.

Цель работы: развитие практических навыков по выполнению сборочных чертежей модулей ЭВС первого иерархического уровня.
 
Теоретическая часть

От правильного размещения корпусов ИС и ЭРЭ на печатной плате конструктивной иерархии первого уровня зависят их габаритные размеры, масса, помехоустойчивость и т.д. Естественно, чем плотнее будут расположены корпуса ИС на печатной плате, тем жестче будет тепловой режим, помехи при работе, и наоборот, чем больше расстояние между корпусами ИС, тем не эффективней используется объем и длина электрических связей, следовательно, возникают помехи. Поэтому на установку ИС необходимо обращать серьезное внимание с учётом назначения электрического средства и режимов его работы.
Печатная плата (ПП) является конструктивно законченным элементом и служит для электрического и механического соединения различных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), интегральных микросхем (ИМС) и электрических соединений (разъемы, розетки и т. п.), расположенных на ней.
Размещение ИС проводят с определенными требованиями по помехоустойчивости и в соответствии с шагом установки. Выбор шага установки ИС определяется из условий: назначения и эксплуатации ЭС. Вне зависимости от типа ИС шаг установки применяется равным: 2,5мм, 1,25мм, 0,625мм.
Микросхемы на печатной плате располагаются линейно в ряды или в шахматном порядке. Такое расположение ИС и ЭРЭ позволяет автоматизировать процесс сборки и монтажа.
Установка ИС на печатные платы производится в соответствии с ОСТом 4ГО.010.030- 97 «Установка навесных элементов на печатные платы».
Печатная плата содержит две зоны (рис 1.):
1) зону установки ИС и ЭРЭ;
2) технологическую зону, которая в свою очередь делится на две части:
а) технологическая зона для установки (например: соединительного разъема (Х1) и экстрактора (Х2))
б) технологическая зона для направляющих и маркировки (У1,У2)
Установка ИС и ЭРЭ на технологических зонах запрещена.
 
 Рис. 1
 
ИС располагаются по рядам (линейно) расстояние между ними не менее 1,2 мм. ИС располагаемые в зоне установки должны маркироваться координатным способом, то есть зона установки делится по координатам на области, где устанавливают ЭРЭ и ИС и они обозначаются по Х и У, такое разбиение на зоны позволяет быстро находить нужный ЭРЭ и ИС расположенные на печатной плате (рис 2.).
 

1
2
3
4
	а	б	в	г	д	е	ж	з	и	к

 
Рис. 2
  
Определение геометрических параметров печатной платы.
Все ЭРЭ и ИС, подлежащие установке на печатную плату сведены в таблицу 1.
 
Таблица 1

Тип	Кол- во	Длина, мм	Ширина, мм	S,мм2	Sуст,мм2	Sуст. общ., мм2
К544УД2А	1	10	7,5	75	103,5	103,5
МЛТ-0,25	12	7	3	21	38,25	459
МЛТ-2	2	18,5	8,6	159,1	202	404
К10-17 470 пФ	1	5,5	1,5	8,25	21	21
К10-17 270 пФ	2	5,5	1,5	8,25	21	42
К10-17 0,033мкФ	1	5,5	1,5	8,25	21	21
К10-17 0,15 мкФ	2	9,5	1,5	14,25	33	66
К10-17 1 мкФ	1	12,5	2	25	49	49
К50-35 4700 мкФ	2	18		254,34	298,49	596,98
КТ315А	1	7,2	3	21,6	39,15	39,15
КТ361А	1	7,2	3	21,6	39,15	39,15
КТ814Б	1	7,8	2,8	21,84	40	40
КТ815Б	1	7,8	2,8	21,84	40	40
КТ818Б	1	10,65	4,8	51,12	78,75	78,75
КТ819Б	1	10,65	4,8	51,12	78,75	78,75

 
Итого S_Σуст = 2078,26 мм².
При конструировании ПП необходимо руководствоваться ГОСТ 10317-84, ГОСТ 23751-86. Наиболее предпочтительной конструкцией является прямоугольная форма ПП. Предварительно геометрические размеры ПП определяются исходя из количества ИС и ЭРЭ, размещаемых на плате, шага их установки и габаритных размеров разрабатываемого блока. Шаг установки ИС на плате определяется требуемой плотностью компоновки их, температурным режимом работы, сложностью электрической схемы и габаритными размерами корпусов ИС.
Согласно ГОСТ 10317-84 размеры каждой стороны ПП должны быть кратными:
2,5 мм — при длине до 100 мм;
5,0 мм — при длине до 350 мм;
10,0 мм — при длине более 350 мм.
Соотношение линейных размеров стороны ПП должно быть не более 4:1.
Поле ПП можно разделить на два участка: основной – для монтажа ИС и других ЭРЭ; вспомогательный – для монтажа электрических соединений, конструктивных элементов и маркировки платы.
Суммарную площадь S_∑ зоны установки ИС и ЭРЭ на печатную плату, можно определить по формуле:
где S_Σуст – установочная площадь всех элементов,
k_s – коэффициент, учитывающий шаг установки ЭРЭ и ИС на печатную плату. В связи с тем, что ЭС будит работать в нормальных условиях, и при работе будет происходить нагрев ЭРЭ и ИС, то для расчета суммарной площади установки ЭРЭ и ИС примем k_s равный 1,5.
На плате должны быть предусмотрены вспомогательные участки x1, x2, y1, y2 технологической зоны для установки разъемов, маркировки, крепежных отверстий и направляющих (x1 = x2 = 10мм; y1 = y2 = 10 мм). Исходя из ориентировочных размеров зоны установки ИС и ЭРЭ, шага установки элементов, вспомогательных участков, выбираем размеры сторон ПП:
l =100 мм.
b =60 мм.
Средний коэффициент k_Ззаполнения печатной платы можно определить по формуле:
Коэффициент заполнения считается удовлетворительным.
Эскиз печатной платы с расположением элементов представлен на рис.3.
Вывод: были рассчитаны параметры печатной платы для усилителя мощности звуковой частоты. Размеры печатной платы: 100×60. На данной плате будут размещены корпуса ИС и дискретных ЭРЭ с шагом сетки установки 2,5 мм. В результате расчета компоновки печатной платы был выбран оптимальный вариант компоновки, коэффициент заполнения 0,5 ≤ k_з ≤ 0,8.

Цель работы: ознакомление с теорией графов и применении ее для анализа электронных схем и размещения конструктивных элементов на печатных платах.
 
Ход работы.

Теорию графов применяют для решения задач анализа схем, размещения и компоновки элементов проектирования печатного монтажа и мно­гих других. Это объясняется тем, что использование графов сокращает объем вы­числений по сравнению с обычными методами и позволяют строить компактные и удобные для реализации на ЭВМ алгоритмы преобразований и оптимизации.
 
Рассмотрим способ задания схем графами. Разобьем схему на КФУ:
 
Х0 – микросхема DA1 ( операционный усилитель)
Х1 – верхнее (по схеме) плечо двухтактного усилителя мощности – транзисторы VT1, VT3, VT5;
Х2 – нижнее (по схеме) плечо двухтактного усилителя мощности – транзисторы VT2, VT4, VT6;

Граф КФУ Х1 – верхнее (по схеме) плечо двухтактного усилителя мощности – транзисторы VT1, VT3, VT5 будет иметь следующий вид:
Схема электрическая принципиальная усилителя мощности звуковой частоты:
 Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы мы познакомились с методикой компоновочного расчёта конструкций ЭВС при помощи графов.