Kursovik_01 (Курсовик №4)

1 Техническое задание

1. U_ИП+ = 12 В, U_ИП– = – 12 В.

2. U_ОП = 3±1 В.

3. Модель порога срабатывания компаратора .

4. Допуск Д_U0 ≤ ±10 %.

5. Общая ВБР P(t) ≥ 0,97

6. Применение – на самолете при высоте 15 км.

7. Алгоритм и условия эксплуатации:

• время: 5 тыс. час;

• температура: от – 60ºС до + 70ºС;

• влажность: (70 ÷ 98) %.

2 Описание принципов работы принципиальной схемы узла

Нуль-орган построен на базе микросхемы 140УД5

Принцип его работы основан на сравнении величины напряжения входного сигнала с нулевым напряжением. При отклонии от нуля выходное напряжение увеличивается до величины, определяемой насыщением схемы.

Положение точки срабатывания нуль-орган определяется напряжением смещения нуля и величиной сопротивления резистора R1, а также сопротивлением обратной связи R3. Последнее формирует также зону гистерезиса, т.е. разницу напряжения срабатывания устройства при превышении входным сигналом "нулевого" уровня и снижением затем ниже этого значения.

Цепочки C1,R2,С2,С4,R4 являются корректирующими. Сопротивление R5 служит нагрузкой.

Описание работы ОУ 140УД5

ОУ состоит из двух дифференциальных каскадов усиления по напряжению, схемы снижения уровня выходного напряжения и выходного каскада.

На входе первого дифференциального каскада (транзисторы VT2, VT4) включены эмиттерные повторители (транзисторы VT1, VT5), которые обеспечивают высокое входное сопротивление и малый входной ток. Ток покоя входного каскада задается с помощью генератора тока (на транзисторе VT3), который термостабилизирован транзистором VT7 в диодном включении. Транзистор VT6 служит для стабилизации режима работы первого дифференциального каскада.

Второй дифференциальный каскад (транзисторы VT8, VT10) с симметричным входом и несимметричным выходом, помимо усиления по напряжения, осуществляет преобразование дифференциального входного сигнала в одиночный выходной. Ток покоя второго каскада задается с помощью генератора тока на транзисторе VT9.

Схема снижения уровня выходного напряжения (транзисторы VT11, VT12) предназначена для снижения высокого потенциала коллектора транзистора VT10 до нулевого уровня на выходе ОУ при отсутствии на входах напряжений. Снижение выходного уровня осуществляется на эмиттерном повторителе (транзистор VT11) за счет деления выходного потенциала эмиттерного повторителя на резисторах R10 – R12. Транзистор VT12 задает ток покоя эмиттерного повторителя VT11, что позволяет не ослаблять коэффициент усиления по переменному току. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT13 является выходным каскадом.

3 Расчет электрического режима работы элементов

Расчет производится по постоянному току с учетом данных по напряжению на контактах схемы.

Рассчитаем напряжения на всех элементах схемы:

Рассчитаем токи на всех элементах схемы:

В цепях частотной коррекции постоянные токи равны нулю.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на сопротивлениях:

4 Выбор элементов по эксплуатационным условиям

Резисторы.

Выбираем резисторы Р1-12-0.062 – металлодиэлектрические безвыводные резисторы для навесного монтажа, имеющие требуемый диапазон номиналов, а также подходящие по интервалу рабочих температур.

Диапазон сопротивлений: R = 1 ÷ 10⁷ Ом

Интервал рабочих температур: T = (–60 ÷ +155)ºС

Предельное рабочее напряжение: Uпр = 50 В

Номинальная мощность: Pдоп = 0,062 Вт

Минимальная наработка на отказ

(в заданных эксплуатационных условиях): t = 50000 час.

Изменение сопротивления

(в течение срока сохраняемости): = ± 10%

ТКС: α_R = ± 100∙10^-6 1/ºС

Конденсаторы.

Выбираем конденсаторы К10-43“в” – незащищенные керамические для навесного монтажа, поскольку они подходят по номиналу и климатическому исполнению.

Диапазон емкости: C = 10 пФ ÷ 44,2 нФ

Интервал рабочих температур: T = (–60 ÷ +125)ºС

Предельное рабочее напряжение: Uпр = 50 В

Минимальная наработка на отказ: t = 30000 час.

ТКЕ: α_С = ± 30∙10^-6 1/ºС

5 Расчет коэффициентов нагрузки элементов

Резисторы.

Конденсаторы.

6 Расчет надежности узла по внезапным отказам

6.1 Резисторы.

Для постоянных непроволочных металлодиэлектрических резисторов интенсивность отказов вычисляется по формуле:

,

где:

λ0 – интенсивность отказов в нормальных условиях.

а – коэффициент режима работы, считается по формуле:

Kr – коэффициент, учитывающий номинальное сопротивление.

Km – коэффициент, учитывающий номинальную мощность рассеяния.

– коэффициент эксплуатации.

Kм – коэффициент, учитывающий механическую нагрузку на аппаратуру.

Kд – коэффициент, учитывающий влияние высоты над уровнем земли.

Kвл – коэффициент, учитывающий влажность окружающей среды.

Необходимые для расчета коэффициенты берем из учебного пособия [2].

Производим расчет для каждого резистора:

6.2 Конденсаторы.

Для керамических конденсаторов интенсивность отказов вычисляется по формуле:

,

где:

λ0 – интенсивность отказов в нормальных условиях.

а – коэффициент режима работы, считается по формуле:

– коэффициент, определяемый номинальной емкостью.

– коэффициент эксплуатации.

Необходимые для расчета коэффициенты берем из учебного пособия [2].

Производим расчет для каждого конденсатора:

6.3 Интегральная микросхема.

Для интегральных схем интенсивность отказов вычисляется по формуле:

,

где:

λt, λr – интенсивность отказов транзисторов и резисторов соответственно.

аt, ar – коэффициент режима работы транзисторов и резисторов соответственно

Nt, Nr – количество транзисторов и резисторов (соответственно), содержащихся в микросхеме.

N0 – количество выводов микросхемы.

λсоед – интенсивность отказов соединений.

– коэффициент эксплуатации.

В используемой микросхеме 140УД5 содержится 26 элементов, из которых 13 транзисторов и 13 резисторов. Микросхема имеет 12 выводов.

Необходимые для расчета величины берем из учебного пособия [2].

Производим расчет интенсивности отказов для ИС:

6.4 Расчет интенсивности отказов узла.

Интенсивность отказов узла вычисляется по формуле:

,

где:

Nm, Nr, Nc, Nd – количество микросхем, резисторов, конденсаторов и диодов соответственно.

– коэффициент эксплуатации.

Необходимые для расчета величины берем из учебного пособия [2].

Рассчитаем суммарные интенсивности отказов для каждого типа элементов.

Рассчитаем интенсивность отказов для всего узла.

6.5 Расчет вероятности безотказной работы узла по внезапным отказам .

За время эксплуатации ВБР составит:

7 Определение требуемого уровня надежности узла по постепенным отказам

ВБР по постепенным отказам найдем из следующего выражения:

По найденной ВБР по постепенным отказам выбираем значение коэффициента гарантированной надежности из таблицы 4.1 учебного пособия [2].

8 Расчет стабильности работы элементов

8.1 Составление уравнения относительной погрешности по аналитическому выражению выходного параметра.

Найдем коэффициенты влияния для уравнения:

Запишем уравнение относительных погрешностей:

8.2 Расчет допусков старения.

Находим коэффициенты сравнения (данные взяты из справочника):

8.3 Расчет температурных допусков.

Температурные коэффициенты для сопротивлений одинаковы:

1 )

2 )

8.4 Допуск на влажность.

Допуск на влажность задан преподавателем:

9 Определение допустимого уровня производственного разброса параметров элементов

Определим расчетную величину допуска:

,

где:

– коэффициент запаса.

Рассчитаем половину поля суммарного допуска на каждый параметр МСБ:

,

где:

– сумма средних значений суммарных полей рассеивания параметров МСБ.

Найдем допустимую величину поля производственного допуска:

Полученная величина менее заданной, что говорит о правильности расчетов. Поэтому переходим к выбору производственных допусков на элементы.

10 Выбор производственных допусков на элементы

Выбранные резисторы имеют следующие допускаемые отклонения сопротивления:

± 1%; ± 2%; ± 5%; ±10 %

Учитывая условие выбора производственных допусков ( ), выбираем следующие допуски:

ΔR1 = ± 5%.

ΔR2 = ± 5%.

Делаем проверку:

Следовательно, допуски подобраны правильно.

Выбираем допуски на оставшиеся элементы:

ΔR3 = ± 10%.

ΔR4 = ± 10%.

ΔR5 = ± 10%.

Выбранные резисторы имеют следующие допускаемые отклонения сопротивления:

± 1%; ± 2%; ± 5%

ΔC1 = ± 5%.

ΔC2 = ± 5%.

ΔC3 = ± 5%.

11 Выводы по работе

В данной работе произведен расчет элементов “нуль-органа” на микросхеме 140УД5 на надежность по внезапным и постепенным отказам. Были учтены следующие погрешности: погрешность старения, температурная погрешность и погрешность на влажность, а также оставлен допуск на неучтенные факторы. Исходя из полученных результатов, были выбраны производственные допуски на элементы схемы.

На основании произведенного расчета можно утверждать, что устройство будет работать 5000 часов с вероятностью 0,97.