Підсилювач низьких частот

Введення
Метою курсового проекту є розробка конструкцій і технологічного процесу виготовлення друкованої плати пристрою, а також розрахункове обгрунтування вибору елементної бази та розроблені структури технологічного процесу.
У наш час існує багато різноманітних підсилювачів починаючи (приблизно) від 20 Вт і закінчуючи тисячами кВТ. Даний курсовий проект дозволить радіоаматорові зібрати простий і надійний потужний підсилювач НЧ на 100 Вт, що володіє малими габаритами, мінімальним числом зовнішніх пасивних елементів обв'язки, широким діапазоном живлячої напруги та опорів навантаження. Підсилювач добре зарекомендував себе як Підсилювач Низьких Частот для сабвуфера. Вихідна потужність досягає 100Вт при 8 Ом. Завдяки широкому діапазону живлячих напруг і можливості віддавати струм в навантаження до 8А, мікросхема забезпечує однакову максимальну вихідну потужність на навантаженнях від 4 Ом до 8 Ом. Конструкція підсилювача виконується на друкованій платі з фольгування стеклотекстолита. Підсилювач передбачає установку в корпус, для цього зарезервовані монтажні отвори по краях плати. Мікросхему підсилювача необхідно встановити на тепоотвода. У якості радіатора можна використовувати металевий корпус або шасі. При монтажі необхідно використовувати теплопровідних пасту КПТ-8. Між корпусом мікросхеми і радіатором необхідно встановити діелектричну теплопровідних прокладку. Також існує і аналог цьому УНЧ це, УМЗЧ на 2-х мікросхемах ТDA 7294 з вихідною потужністю 2х70 в режимі стерео або 150 Вт в режимі моно (Журнал «Радіо» № липні 2002 стор.20).
У поточній пояснювальній записці даного курсового проекту будуть надані наступні розділи:
- Технічний опис пристрою - даний розділ містить обгрунтування методу виготовлення друкованої плати, опис етапів типового технологічного процесу виготовлення друкованої плати, маршрутний карти описуваного пристрою;
- Конструктивне використання пристрою - розділ містить обгрунтування вибору класу точності друкованої плати, розрахунок конструктивних параметрів друкованої плати;
- Технологічне виконання пристрою
- Розрахункова частина - містить розрахунок надійності представленого пристрою та його технологічність;
- Висновок - висновок за виконану роботу;

1. Розробка технічного завдання
1.1 Найменування та область застосування виробу
Підсилювач НЧ 100 Вт (TDA7294) виготовлений на одній мікросхемі TDA7294. Призначений для посилення низьких частот звуку. Область застосування даного УНЧ вкрай різноманітна. Підсилювач можна використовувати як на відкритому повітрі для проведення різних заходів, так і в домашніх умовах у складі Вашого музичного аудіокомплекса. Добре підходить як Підсилювач Низьких Частот для сабвуфера.
1.2 Підстави для розробки
Пристрій Підсилювач Низьких Частот 100 Вт (TDA7294) розроблено на підставі схеми електричної принципової КП 230101.36.19.00. ЕЗ і опису пристрою.
1.3 Джерела розробки
Інтернет www.masterkit.ru
1.4 Основні технічні характеристики
Таблиця 1. Основні технічні характеристики.
1.5 Мета та призначення розробки
Створити не дорогі і надійне в експлуатацій пристрій.
1.6 Технічні вимоги
УНЧ виконаний на інтегральній мікросхемі TDA 7294. Ця ІМС є УНЧ класу АВ. Завдяки широкому діапазону живлять напругу і можливості віддавати струм в навантаження до 10 А, мікросхема забезпечує однакову максимальну вихідну потужність на навантаженні від 4 ОМ до 8 Ом. Конструктивно виконаний на друкованій платі з фольгування стеклотекстолита.

1.6.1 Склад виробу
Таблиця 2. Склад виробу.
1.6.3 Умови експлуатації
Після складання підсилювача необхідно перевірити правильність складання і пайки. Перед включенням перевірити полярність харчування.

2. Аналіз схемотехнічного рішення пристрої
2.1 Вибір і обгрунтування елементної бази пристрої
Елементною базою називається електрорадіо вироби, об'єднані між собою електрично і виконують корисну функцію з формування і перетворення сигналів.
У елементну базу даного пристрою входять:
- Інтегральна мікросхема TDA 7294;
- Резистори з постійним опором;
- Конденсатори
2.1.1 Опис ІМС
Інтегральна мікросхема - це вироби, що виконують певну функцію перетворення, обробку сигналу і зберігання інформації, і мають високу щільність упаковки електрично з'єднаних елементів, які з точки зору вимог до випробувань приямки, постачання та експлуатації, розглядається як єдине ціле. Мікросхема представляє собою одноканальний підсилювач низької частоти з захистом від короткого замикання і термозахистом.
Область застосування: побутова звуковідтворююча апаратура.
Корпус: Multiwatt 15
Виробник: SGS-Thomson Microelectronics
Електричні параметри мікросхеми:
Постійна напруга живлення - ± 40 В
Мінімальна напруга живлення при якому зберігаються робочі параметри мікросхеми - ± 10 В
Максімамальний вихідний струм - 10 А
Споживаний струм в режимі спокою - 30 мА
Номінальна вихідна потужність - 50 Вт
Коефіцієнт нелінійних спотворень (при f = 1 кГц, Pвих = 5 Вт) - 0,05%

Малюнок 1. Мікросхема TDA 7294
2.1.2 Опис резисторів
Постійні резистори - пасивні елементи електричного кола, в ідеалі характеризуються лише опором електричному струму, тобто для ідеального резистора в будь-який момент часу повинен виконуватися закон Ома: миттєве значення напруги на резисторі пропорційно струму що проходить через нього U (t) = R ^* I (t ).
МЛТ резистори - металізовані лаковані теплостійкі, складаються з порцелянових циліндричних основ з струмопровідним шаром із спеціальних сплавів, зовнішня частина покрита шаром емалі, що захищає резистор від механічних впливів і вологи.
На практиці ж резистори в тій чи іншій мірі мають також паразитної ємністю, паразитної індуктивністю і нелінійністю вольтамперной характеристики.
Постійний резистор номінальною потужністю розсіювання 0,25 Втізображен на малюнку 2

Рисунок 2 - УДО МЛТ резистора
Таблиця 3
Габаритні розміри МЛТ резисторів в залежності від наминала потужності
2.1.3 Опис конденсаторів
Конденсатор - це елементи електричного кола, що складаються з провідних електродів (обкладок), розділених діелектриком, і призначені для використання їх електричної ємності. Ємність конденсатора є відношення заряду конденсатора до різниці потенціалів, яку заряд повідомляє конденсатора. Завдяки властивості швидко накопичувати і віддавати електричну енергію конденсатори знайшли широке застосування в якості накопичувачів енергії в різних фільтрах і в імпульсних пристроях. У пристрої використовуються резистори: К50-35, К73-17

Малюнок 1.4 - УДО конденсатора

2.2. Розробка схеми електричної структурної пристрої
Структурна схема - схема, яка визначає основний склад виробу, і його функціональні частини, їх призначення і взаємозв'язок.
Оформлення структурної схеми технологічного процесу виготовлення пристрою
Структурна схема технологічного процесу виготовлення пристрою представлена ​​на кресленні ПР 230101.3619.00 C1.
2.3 Розробка схеми електричної принципової пристрої
Принципова схема - визначає повний склад елементів вироби та зв'язків між ними і дає детальне уявлення про принцип роботи пристрою. На основі принципових схем розробляють схеми з'єднань елементів, вузлів і пристроїв. Схема електрична принципова зазначає всі елементи необхідні для побудови пристрою або його вузла, зв'язки між елементами і елементи, якими закінчуються вхідні та вихідні ланцюга.
Схема електрична принципова пристрою представлена ​​на кресленні ПР. 210101.361900 Е3

3. Конструктивне виконання пристрою
3.1. Вибір і обгрунтування конструкцій друкованої плати пристрої
Будь-яке електронний пристрій має основні рівні конструктивної ієрархії:
- Нульовий рівень - на цьому рівні знаходяться конструктивно неподільні елементи, тобто мікросхеми (основа елементної бази всіх електронних пристроїв);
- Перший рівень - на цьому рівні неподільні елементи об'єднуються в схемні поєднання. До першого рівня відносяться друковані плати і великі гібридні інтегральні схеми;
- Другий рівень - це рівень включає в себе конструктивні одиниці, призначені для механічного та електричного об'єднання елементів першого та другого рівнів (блоки, субблоки, панелі);
Існують електронні пристрої, які мають 3 і 4 рівні:
- Третій рівень - рівень реалізується у вигляді стійки або шафи внутрішній об'єм якого заповнюється конструктивними елементами другого рівня;
- Четвертий рівень - включає в себе кілька стійок шаф, з'єднаних кабелем;
До таких пристроїв відносяться ЕОМ та інші обчислювальні та цифрові пристрої.
Друкована плата, як було сказано вище, відноситься до першого ієрархічному конструктивного рівня, це можна пояснити тим що вона є, буквально, основою будь-якого електронного пристрою, так як на ній розміщуються всі ЕРЕ і електропроводку. Друкована плата - виріб, що складається з плоского ізоляційного підстави, з отворами, пазами, вирізами і системою струмопровідних смужок (провідників), призначене для встановлення та комутації електрорадіо виробів і функціональних вузлів відповідно до схеми електричної принципової. Тип друкованої плати вибирається залежно від призначення (від області застосування) майбутнього устрою. Це визначається тим, що кожен тип друкованої плати належить до певного класу точності. Типи друкованих плат також відрізняються по надійності, ремонтопридатності, за умовами експлуатації, міцності друкованого монтажу. Найбільш простим типом друкованої плати є друкована плата одношарова одностороння. Яка має перший клас точності, використовується в дрібносерійному виробництві або в одиночному, має найменшу з усіх надійність. Самий складний тип П.П. - Багатошарова друкарська плата.
3.2. Геометричні розрахунки конструкцій друкованої плати
Площа друкованої плати визначається за формулою:

Де - Коефіцієнт, що залежить від призначення і умов експлуатації пристрою (вибирається від 1 до 3);
- Установча площа i - го елемента; n - кількість елементів.

З урахуванням того, що мікросхема нагріваються до +70. ° С то їх робоча площа повинна бути більш ніж їх дійсна площа, з цього і площа друкованої плати повинна бути більше ніж розрахункова. Отже, для даного пристрою вибираємо площа друкованої плати 152 мм, (43x33).
3.2.1 Розрахунок діаметра монтажних отворів

Де - Номінальний діаметр монтажних отворів;
- Нижнє граничне відхилення діаметра отвору;
- Максимальне значення діаметра виведення електрорадіо виробів, встановлених на друковану плату;
- Різниця між мінімальним значенням отвору і максимальним розміром діаметра виведення (при ручному пайки вибирають в межах значень від 0,1 до 0,4 мм)


4. Технологічне виконання пристрою
4.1 Вибір та обгрунтування технології друкованої плати пристрої
Односторонні друковані плати виготовляються двома методами:
- Субтрактівний - У даному методі використовується фольгований діелектрик, на якому проводить малюнок формується шляхом хімічного видалення фольги з незахищеною резистом поверхні друкованої плати. Даний спосіб використовується частіше так, як для реалізації процесу потрібно менший час і кваліфікації робітника;
- Адитивний - даний метод полягає на виборчій осадженні струмопровідного покриття на основу діелектрика. У порівнянні з субтрактівним методом, адитивний має ряд переваг: підвищується щільність друкованого монтажу, усувається подтравливания елементів друкованого монтажу;
Виготовлення друкованої плати також ділиться на позитивний і негативний метод.
- Позитивний - полягає в тому, що резистом захищається майбутній проводить малюнок і відбувається травлення;
- Негативний - полягає в тому, що резистом захищається майбутній діелектричний малюнок а потім відбувається процес осадження міді;
Резист - стійкий до впливу хімічно активних речовин, використовується для захисту друкованої плати в процесі формування малюнка друкованої плати. Існують наступні способи нанесення резиста на П.П:
- Офсетний друк - полягає в тому, що виготовляється друкарська форма на яку закочується (валиком) фарба. Потім за допомогою друкованого циліндра фарба переноситься з форми на поверхню П.П;
- Сеткографіческій - резист наноситься через трафарет;
- Фотодрук - використовується спеціальний резист - фоторезист, який переноситься з фотошаблона на поверхню друкованої плати;
Для цього пристрою вибирається субстрактівний позитивний способом виготовлення П.П, так як він є найбільш простим, а отже і найдешевшим. За таким же принципом вибирається спосіб нанесення резиста (тобто сеткографіческій). Даний метод виготовлення П.П. і нанесення резиста не мають високу надійність але для одиничного типу виробництва дані методи є найбільш вигідними.
4.2 Складання типового технологічного процесу виготовлення друкованої плати пристрої

Включає в себе процес виготовлення друкованої плати та операції зборки електронного вузла.
Основні етапи виготовлення друкованої плати:
- Вхідний контроль матеріалу - дана операція проводиться для забезпечення гарантованої якості отримуваної продукції, при цьому визначається відповідність механічних і фізичних характеристик технічним умовам. Контролю піддається кожна партія надходить діелектрика, фоторізіста, трафаретного фарби. Якість діелектрика визначається візуально;
- Підготовка (виготовлення) заготовок - розміри заготовок визначаються вимогами креслення і наявністю по всьому периметру заготовки технологічного поля. Після цього етапу слід процес контролю заготовки;
- Підготовка поверхні заготовки - даний етап включає в себе очищення вихідних матеріалів від оксидів, жирових плям, мастила та інших типів забруднень, включає спеціальну обробку діелектриків.
- Отримання захисного малюнка - для формування на поверхні діелектрика провідних шарів і пробільних місць, отримання малюнка піддається візуальному контролю;
- Сенсибілізація і активація поверхні друкованої плати - дана операція проводиться для додання діелектричної поверхні здібності металізована, тобто формування каталітично активного шару. Не використовується в одиничному виробництві;
- Хімічне обміднення - ця операція перший етап металізації поверхні заготовок. Не використовується в одиничному виробництві;
- Гальванічна металізація - проводиться для посилення шару хімічної міді і створення на кінцевих друкованих контактах спеціального покриття. Не використовується в одиничному виробництві;
- Травлення - це процес виборчого видалення міді з непровідних місць для формування малюнка друкованого монтажу, після проводиться контроль сформованого малюнка візуально на відповідність вихідної схемою та з використанням мультиметра для виявлення пересічних доріжок;
- Відмивання друкованої плати - використовується для усунення залишився резиста;
- Сушка друкованої плати - для видалення вологи після промивки;
- Обробка монтажних отворів - ця операція проводиться на спеціальному свердлильному верстаті з тонкими свердлами різного діаметра (в одиничному виробництві при виготовленні в майстернях верстат один, тільки міняються свердла);
- Обробка заготовок по контору - ця операція проводиться після повного виготовлення друкованої плати. Супроводжується процесом відкидання шлюбу;
- Вихідний контроль - призначений для визначення ступеня відповідності друкованої плати з вихідним кресленням і відповідність технічним умовам;
- Консервація друкованої плати-призначений для захисту друкованої плати від впливу зовнішніх факторів при зберіганні, транспортування. В одиничному виробництві не використовується, так як виготовлена ​​друкована плата не підлягає зберігання або транспортування.
Типові операції складання електронного вузла
Основні етапи складання електронного вузла:
- Вхідний контроль ЕРЕ - технологічний процес перевірки надходять на складання ЕРЕ та ІМС за параметрами, що визначають їх працездатність. Електричні параметри перевіряють, використовуючи мультиметр;
- Підготовка елементів до монтажу - дана операція включає в себе розпакування елементів, випрямлення, зачистку, формування, обрізання і лудіння висновків, а також розміщення ЕРЕ в технологічну тару;
- Установка елементів на П.П. - Даний етап здійснюється вручну
- Нанесення і підсушування флюсу - дану операцію проводять для забезпечення високої якості паяних з'єднань. Нанесення флюсу виробляється кистю, зануренням чи розпиленням (при температурі 353-375 К)
- Паяння елементів - здійснюється вручну;
- Відмивання друкованої плати - дану операцію проводять для того, щоб очистити друковану плату від решти частинок флюсу;
- Вихідний контроль - дана операція ділиться на візуальний контроль правильності складання і якості паяних з'єднань, контроль правильності монтажу і пошук несправностей за допомогою мультиметра, функціональний контроль;

4.3 Розробка маршрутних карт розробляється технологічного процесу
Маршрутні карти розробляється технологічного процесу наведена в додатку А.

5. Розрахункова частина
5.1 Розрахунок основних показників надійності пристрою
Даний пункт призначений для розрахунку надійності та технологічності пристрою. Одним з основних параметрів обчислювальної техніки є надійність, яка залежить від надійності використовуваної елементної бази та прийнятих схемотехнічних і конструкторських рішень. Вимоги до надійності обчислювальної техніки постійно підвищуються, тому що область її застосування охоплює всі сфери діяльності людини. Під надійністю розуміють властивості виробу виконувати задані функції, зберігаючи свої експлуатаційні показники в заданих межах протягом необхідного проміжку часу, при дотриманні режимів експлуатації, правил технічного обслуговування, транспортування і зберігання. Надійність - складне комплексне поняття, за допомогою якого оцінюють найважливіші технічні характеристики вироби (працездатність, довговічність і безвідмовність). Працездатність - це стан виробу, при якому воно здатне виконувати задані функції з параметрами встановленими вимогою технічної документації. Напрацювання - тривалість (або обсяг) роботи вироби вимірювана часом або циклом. У процесі експлуатації або при випробуванні вироби в залежності його призначення розрізняють:
- Добову (місячну) напрацювання;
- Напрацювання на відмову;
- Гарантовану.
Довговічність - властивість, що полягає в здатності зберігати працездатність до граничного стану з необхідними перервами для технічного обслуговування і ремонтів.
Відмова - це подія, що приводить до повної або часткової втрати працездатності виробу.
Безвідмовність - властивості виробу зберігати свою працездатність протягом деякого напрацювання без вимушених перерв. Розрахунок показників надійності полягає у визначенні сумарної інтенсивності відмов схеми електричної принципової. У даного розрахунку основними даними є: схема електрична принципова пристрою, довідкові дані інтенсивності відмов елементів виробу. Основний показник надійності - інтенсивність відмов i-го елемента, визначається за формулою:
λ = λ _0i * α _i * K ₁ * K ₂ * K ₃
де λ _0i - інтенсивність відмов даного типу елемента при номінальній електричної навантаженні і нормальних умовах експлуатації.
α _i - коефіцієнт, що враховує вплив механічних факторів;
K _1, K ₂ - вплив кліматичних чинників;
K ₃ - вплив зниженого атмосферного тиску.
Таблиця 1 - Розрахунок інтенсивності відмов
Оскільки пристрій розглядається як дослідний зразок в лабораторії, то умови експлуатації вважаються нормальними отже К ₁ = К ₂ = К ₃ = 1
= 1,22 * 1,6 * 1 = 1,952

Розрахунок напрацювання на відмову схеми електричної принципової
Сумарна інтенсивність відмови схеми визначається за формулою:

де QUOTE - Інтенсивність відмов даного типу елементів при номінальній електричного навантаження і нормальний умовах експлуатації:
= 1,952 * 18 = 35,13 * 10 ^-6
5.1.3. Розрахунок часу безвідмовної роботи в схемі електричної
принципової
Час безвідмовної роботи в схемі електричної принципової визначається за формулою:
= 1 / 35, 13 * 10 ^-6 = 28 років
5.2 Розрахунок технологічності розробленої конструкцій і технологій виготовлення пристрою.
Технологічність - сукупність властивостей конструкції виробу, які проявляються у можливості оптимальних витрат праці, часу, засобів праці, при технічній підготовці виробництва, виготовленні, експлуатації, ремонті.
Технологічність визначається за формулою:

де К _i - Розрахунковий приватний показник, відповідного класу блоку;
- Ваговий коефіцієнт;
i - порядковий номер показника;
n - Кількість показників;
Для того, щоб визначити комплексний показник технологічності необхідно визначити кожен приватний показник.
5.2.3. Розрахунок коефіцієнта використання мікросхем
Коефіцієнт використання мікросхем визначається за формулою

Де:
H _ІМС - кількість мікросхем;
H _ЕРЕ - загальна кількість елементів радіоелементів;

Для даного коефіцієнта ваговий коефіцієнт ₁ = 1
5.2.4. Розрахунок коефіцієнта автоматизації та механізації монтажу
Коефіцієнт автоматизації і механізації монтажу визначається за формулою:

Де:
Hам -Кількість монтажних з'єднань, що виконується автоматизовано або механізовано;
H _м - загальна кількість монтажних з'єднань;

Для даного коефіцієнта ваговий коефіцієнт ₂ = 1
5.2.5. Розрахунок коефіцієнта автоматизації і механізації підготовки ЕРЕ до монтажу
Коефіцієнт автоматизації і механізації підготовки ЕРЕ до монтажу визначається за формулою:

Де:
  - Кількість ЕРЕ які готуються автоматизовано або механізовано;
H _ЕРЕ - загальна кількість елементів ЕРЕ;

Для даного коефіцієнта ваговий коефіцієнт ₃ = 0,75

5.2.6 Розрахунок коефіцієнта автоматизації і механізації операції контролю і налаштування електричних параметрів
Коефіцієнт автоматизації і механізації операції контролю і налаштування електричних параметрів визначається за формулою:

Де:
Н _мкн - кількість операцій контролю і настройки, що виконуються механізованим чи автоматизовано;
H _кн - загальне число операцій контролю і настройки;

Для даного коефіцієнта ваговий коефіцієнт ₄ = 0,5
5.2.7 Розрахунок коефіцієнта повторюваності ЕРЕ
Коефіцієнт повторюваності електрорадіоелементів визначається за формулою

Де:
H _тере - кількість типорозмірів ЕРЕ у виробі;
H _ЕРЕ - загальна кількість елементів ЕРЕ;

Для даного коефіцієнта ваговий коефіцієнт ₅ = 0,31
5.2.8. Розрахунок коефіцієнта застосованості ЕРЕ
Коефіцієнт застосованості ЕРЕ визначається за формулою

Де:
H _тсрере - кількість типорозмірів оригінальних ЕРЕ у виробі;
H _тере - загальна кількість типорозмірів ЕРЕ;

Для даного коефіцієнта ваговий коефіцієнт ₆ = 0,187
5.2.9.Расчет коефіцієнта прогресивності формоутворення деталей
Коефіцієнт прогресивності формоутворення деталей визначається за формулою

Де: D _пр - кількість деталей, заготовок, отриманих прогресивним методом формоутворення;
D _пр - загальна кількість деталей, заготовок;

Для даного коефіцієнта ваговий коефіцієнт ₇ = 0,11
5.2.10 Розрахунок технологічності
Технологічність визначаємо підставивши у формулу значення приватних показників технологічності

5.2.11 Розрахунок рівня технологічності пристрої
Розрахунок рівня технологічності пристрою визначається за формулою:

Де:
К-комплексний показник технологічності;
До _{н-нормативний} показник технологічності;
Відповідно до формули і тим, що, К = 0,4, вибираємо До _Н = 0,5 з ряду допустимих значень.

Таким чином рівень технологічності буде дорівнює 0,8538, отже пристрій є не технологічним, тому що значення рівня технологічності менше одиниці.
Електрична принципова схема пристрою представлена ​​на кресленні ПР 230101.3619.00 Е3.