Дипломная работа: Импульсный усилитель кольцевого коммутационного поля цифровой АТС

Дипломная работа: Импульсный усилитель кольцевого коммутационного поля цифровой АТС

Реферат

Пояснительная записка к бакалаврской работе содержит 56 с., 13 рис., 6 табл., 7 источников.

Цель работы - исследование модуля преобразователя входных функциональных сигналов для цифровых АТС.

В бакалаврской работе проведен анализ исходной информации, в том числе рассмотрены существующие конструкции устройств данного класса. Сформулированы технические требования, выдвигаемые к модулю, и проведено определение метода проектирования технологического процесса сборки модуля. Также был проведен конструкторско-технологические анализ модуля как объекта производства.

Технологический процесс сборки и монтажа, технологичность, технологическая операция, технологическая документация, цифровая атоматическая телефонная станция.

Реферат

Пояснювальна записка до бакалаврської роботи містить 56 с., 13 рис., 6 табл., 7 джерел.

Мета роботи - дослідження модулю перетворювача вхідних функціональних сигналів для цифрових АТС.

В бакалаврській роботі наведено аналіз вихідної інформації, в тому числі розглянуті існуючі конструкції пристроїв даного класу. Сформульован технічні вимоги, що висуваються до модуля, та проведено визначення методу проектування технологічного процесу складання та монтажу модуля. Також було проведено конструкторсько-технологічний аналіз модуля як об’єкта виробництва.

Технологічний процес складання та монтажу, технологічність, технологічна операція, технологічна документація, цифрова автоматична телефонна станція.

Содержание

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

Введение

1. Анализ исходной информации и требований технического задания

1.1 Анализ технического задания

1.3 Определение вида сборки

1.4 Формулирование технических требований

1.5 Определение метода проектирования технологического процесса

2. Конструктивно-технологичный анализ изделия как объекта производства

2.1 Анализ схемы устройства

2.1.1 Анализ схемы устройства

2.1.2 Расчет схемы электрической и выбор элементной базы устройства

2.2 Анализ надежности

2.3 Анализ теплового режима блока

2.4 Анализ печатной платы модуля

2.5 Анализ требований технического задания на технологическое проектирование и анализ типовых технологических процессов

2.6 Построение технологической схемы сборки модуля и определение последовательности операций

2.7 Оценка технологичности изделия

Заключение

Перечень ссылок

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

DC/DC - direct current/direct current (постоянный ток / постоянный ток);

АТС - автоматическая телефонная станция;

ЭАТС - электронная автоматическая телефонная станция;

ПП - печатная плата;

САПР - система автоматического проектирования;

ТД - технологическая документация;

ТЗ - техническое задание;

ТП - технологический процесс;

ТТП - типовой технологический процесс;

ТЭЗ - типовой элемент замены;

ЭАТС - электронная автоматическая телефонная станция;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина;

ЭМИ - электромагнитные излучения;

ЭМС - электромагнитная совместимость;

ЭРЭ - электрорадиоэлемент;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

Введение

Радиоэлектронная аппаратура, в том числе и устройства связи, предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой ими электрической энергии, а в большинстве случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника. Поэтому одновременно с прогрессом в автоматике и радиоэлектронике происходит бурное развитие преобразовательной техники, которая осуществляет необходимые преобразования электрической энергии (часто многократные), обеспечивая при этом требуемые значения питающих напряжений, которые могут быть как постоянного, так и переменного тока. Преобразователи осуществляют электрическую изоляцию цепей питания друг от друга и от первичного источника, имеют высокую стабильность вторичных питающих напряжений в условиях значительного изменения первичного питающего напряжения и нагрузок; эффективно подавляют пульсации во вторичных питающих цепях постоянного тока; обеспечивают требуемую форму напряжения переменного тока, высокую стабильность их частоты и т.д.

Полученные в этой области качественно новые результаты, а именно обеспечение высокой надежности, экономичности и большого срока службы средств вторичного электропитания при их сравнительно малых габаритах и массе, обусловлены переходом на современную микроэлектронную элементную базу.

В данной бакалаврской работе исследован модуль преобразователя входных функциональных сигналов, который предназначен для использования в качестве встраиваемых элементов для электропитания аппаратуры ЦАТС стабилизированным напряжением 5 В от постоянного напряжения 60 В.

1. Анализ исходной информации и требований технического задания

1.1 Анализ технического задания

Разрабатываемый модуль преобразования входных функциональных сигналов предназначен для использования в качестве встраиваемых элементов для электропитания аппаратуры ЦАТС стабилизированным напряжением 5 В от постоянного напряжения 60 В, представляющий собой преобразователь напряжения постоянного тока (48-72) В в напряжение постоянного тока 5 В (МП-30, МП-60).

Целью проведения разработки является снижение стоимости аппаратуры ЦАТС за счет применения в ТЭЗах Б5 и Б5/1 модулей питания собственного производства взамен используемых в настоящее время модулей PKE 4411 PI и PKG 4611 PI фирмы ERICSSON Microelectronics.

Основные электрические параметры модулей сведены в табл.1.1

Таблица 1.1 - Основные электрические параметры проектируемых модулей

Модуль питания должен иметь встроенную защиту от превышения и понижения входного напряжения:

понижение Uвх<46 B;

повышение Uвх>85 B.

Срабатывание защиты должно привести к снятию выходного напряжения. При восстановлении номинального входного напряжения модуль должен автоматически перейти в рабочий режим.

Модуль питания должен иметь встроенную защиту от перегрузки по току и КЗ с порогом срабатывания (1,2 - 1,4) IH. MAX.

Срабатывание защиты должно привести к снятию выходного напряжения. Возврат в рабочее состояние должен происходить автоматически, после снятия перегрузки.

Модуль питания должен иметь гальваническую развязку между входом и выходом не менее 1000 В.

Конструктивно модуль питания должен быть выполнен в виде ЭРИ, устанавливаемого на ПП посредством пайки выводов модуля в отверстия печатного монтажа.

Габаритные размеры модуля должны приблизительно соответствовать габаритным размерам модуля PKE 4411 PI (д×ш×в = 75,6×75,6×10,5) мм.

Присоединительные размеры модуля (расположение, диаметры, длина, функциональное назначение выводов) должны соответствовать присоединительным размерам модуля PKE 4411 PI.

Основание модуля является теплоотводом для всех теплонагруженных ЭРИ модуля. Основание запрещается окрашивать либо наносить маркировочные надписи. Основание модуля должно быть изолировано от всех ЭРИ и выводов модуля.

Согласно условиям эксплуатации модули питания должны быть устойчивы к следующим климатическим воздействиям в соответствии с требованиями:

предельная рабочая температура от +1 °С до +50 °С;

верхнее значение относительной влажности воздуха - 80% при температуре +25 °С;

атмосферное давление от 101 до 107,6 кПа.

Модули питания в составе ТЭЗа должны быть устойчивы к следующим механическим воздействиям:

синусоидальной вибрации в диапазоне частот от 5 Гц до 100 Гц при амплитуде виброускорения 1,2 м/с (0,12g);

синусоидальной вибрации одной частоты, действующей в диапазоне от 20 до 25 Гц при амплитуде виброускорения 19,6 м/с (2g) в течение 30 минут;

Конструкция модуля питания не должна иметь резонанса при частотах вибрации от 5 до 100 Гц.

Согласно требованиям к транспортированию и хранению, модули питания в составе ТЭЗа или в упакованном виде должны быть прочными при транспортировании:

автомобильным транспортом по дорогам с твердым покрытием на расстояние до 1000 км, по грунтовым дорогам - до 250 км;

железнодорожным, воздушным, водным транспортом без ограничения расстояния.

Транспортировка должна осуществляться в условиях защиты оборудования от непосредственного воздействия атмосферных осадков.

Согласно требованиям по надежности:

средний срок службы модулей должен составлять 200 лет;

средняя наработка на отказ не менее 100000 часов.

1.2 Обзор современных сопоставимых конструкций

Целью данной бакалаврской работы является исследование модуля DC-DC преобразователя для ЦАТС. Для решения этой задачи и получения лучшего конструкторского решения необходимо произвести обзор конструктивных аналогов. Фирма ERICSSON Microelectronics в настоящее время производит одни из лучших аналогов разрабатываемому устройству:

PKE 4411 PI (аналог МП-30);

PKG 4611 PI (аналог МП-60).

Модуль PKE 4411 PI относится к серии PKE 4000 DC-DC преобразователей (рис.1.1).

Рисунок 1.1 - Общий вид DC-DC преобразователей серии PKE 4000

Модули этой серии обладают следующими особенностями:

КПД > 86% при полной нагрузке;

низкий профиль (10,7 мм);

прочность изоляции вход/выход 1500 В;

наработка на отказ >2 млн. часов при нагреве корпуса до +75 °С;

самодостаточны (не требуют внешних фильтров и радиаторов).

Модули серии PKE являются низкопрофильными DC-DC преобразователями для архитектур с распределенным питанием в системах 48/60В (телекоммуникационные системы и системы передачи данных). Они обеспечивают от 25 до 40 В выходной мощности в исполнении с одним, двумя или тремя выходами. Имеют малую площадь, занимаемую на плате. Данные модули могут быть установлены на ПП, а также на специальные стандартные установочные блоки.

В табл.1.2 приведены максимально допустимые значения параметров PKE 4411 PI, в табл.1.3 - входные характеристики PKE 4411 PI.

Таблица 1.2 - Максимально допустимые значения параметров PKE 4411 PI

Таблица 1.3 - Входные характеристики PKE 4411 PI

На рис.1.2 изображены габаритно-присоединительные размеры DC-DC преобразователя PKE 4411 PI, а на рис.1.3 - общий вид DC-DC преобразователей серии PKG 4000, в том числе модуля PKG 4611 PI.

Рисунок 1.2 - Габаритно-присоединительные размеры модуля PKE 4411 PI

Рисунок 1.3 - Общий вид DC-DC преобразователей серии PKG 4000, в том числе модуля PKG 4611 PI

Масса модуля PKE 4411 PI не превышает 75 г.

Среди аналогов преобразователя МП-60 можно выделить DC-DC преобразователь PKG 4611 PI, который относится к серии преобразователей PKG 4000.

Модули серии PKG 4000 обладают следующими особенностями:

КПД > 86% при полной нагрузке;

низкий профиль 11мм;

прочность изоляции вход/выход 1500 В;

наработка на отказ >200 лет при нагреве корпуса до +75 °С;

максимальный нагрев корпуса до +100 °С.

Модули серии PKG 4000 также используются в качестве DC-DC преобразователей для архитектур с распределенным питанием в системах 48/60 В. Они обеспечивают до 60 Вт выходной мощности в исполнении с одним/двумя выходами. Занимают небольшую площадь на плате, могут быть установлены на стандартные установочные блоки. Благодаря высокому КПД при усиленной конвекции (при обдуве 1 м/с) могут работать без внешнего радиатора при полной выходной мощности вплоть до температуры воздуха +65 °С. С внешним радиатором температурный диапазон может быть расширен до 100 °С на корпусе.

В табл.1.4 приведены максимально допустимые значения параметров PKG 4611 PI, а в табл.1.5 - входные характеристики PKG 4611 PI.

Таблица 1.4 - Максимально допустимые значения параметров PKG 4611 PI

Таблица 1.5 - Входные характеристики PKG 4611 PI

На рис.1.4 изображены габаритно-присоединительные размеры DC-DC преобразователя PKG 4611 PI.

Рисунок 1.4 - Габаритно-присоединительные размеры модуля PKG 4611 PI

Масса модуля PKG 4611 PI не превышает 75 г.

Одним из показателей качества DC-DC преобразователей является удельная мощность, измеряемая в Вт/см. Чем больше мощности приходится на см модуля, тем более технологичной считается конструкция.

Удельная мощность рассчитывается по формуле

, (1.1)

где Рвых - выходная мощность преобразователя,

V - объем модуля.

Необходимые данные и результаты расчета представлены в табл.1.6

Таблица 1.6 - Расчет удельной мощности отечественных и зарубежных аналогов

Несмотря на то, что зарубежные аналоги по данному показателю превосходят отечественные, предприятие-производитель заинтересовано в производстве собственных DC-DC преобразователей по следующим причинам:

меньшие затраты на производство;

отсутствие перебоя в поставках;

привлечение собственных специалистов.

1.3 Определение вида сборки

На основе действующих нормативных документов определим вид сборки платы модуля преобразователя МП-30 (МП-60).

В нормативной документации по технологической подготовке производства, а также в некоторых литературных источниках, например, в [2] содержатся сведения о видах сборки РЭС.

Согласно данным источникам, классификация видов сборки осуществляется по следующим признакам: объект сборки, стадия сборки, организация производства, последовательность сборки, подвижность объекта сборки, механизация и автоматизация сборки, точность сборки.

Объектом сборки в процессе сборки являются составные части изделия или изделие в целом.

Стадия сборки характеризует процесс сборки по степени его законченности.

Организация производства характеризует сборку изделия или его составных частей в различных условиях организации выполнения технологического процесса.

Последовательность сборки характеризует процесс сборки изделия или его составных частей, при котором сборочные операции выполняются одна за другой или одновременно.

Подвижность объекта сборки отражает возможность перемещения изделия или его составных частей в зависимости от степени замены ручного труда машинным.

Точность сборки характеризует процесс сборки по методам достижения точности замыкающего звена.

Таким образом, видами сборки являются:

а) по объекту сборки - узловая сборка (производится сборка радиоэлектронного узла - модуля преобразователя);

б) по стадии сборки - окончательная сборка (сборка, монтаж и контроль изделия возможны на отдельном производственном участке);

в) по организации производства - типовая поточная сборка без использования транспортных средств;

г) по последовательности сборки - последовательная;

д) по подвижности объекта сборки - подвижная с периодическим перемещением;

е) по механизации и автоматизации сборки - автоматизированная сборка;

ж) по точности сборки - сборка с полной взаимозаменяемостью.

1.4 Формулирование технических требований

На этапе анализа исходной информации и требований ТЗ на проектирование ТП необходимо сформулировать технические требования к процессу проектирования технологического процесса и к самому ТП.

Технические требования формулируются на основе требований нормативно-технической документации по технологической подготовке производства.

Технические требования к процессу проектирования ТП платы модуля преобразователя МП-30 (МП-60):

а) проектирование ТП производится в соответствии с новейшими достижениями науки и техники;

б) проектирование ТП производится для изделия, конструкция которого отработана на технологичность.

Технические требования к проектируемому ТП:

а) спроектированный ТП должен обеспечивать реализацию базовых показателей технологичности конструкции изделия;

б) спроектированный ТП должен соответствовать требованиям техники безопасности и производственной санитарии, предъявляемым к подобным производствам.

1.5 Определение метода проектирования технологического процесса

Определим метод проектирования ТП и метод оформления ТД, разработанной в результате проектирования технологического процесса сборки и монтажа платы модуля преобразователя МП-30 (МП-60). Существуют следующие методы проектирования технологического процесса:

ручное проектирование;

ручное проектирование с применением средств механизации;

ручное проектирование с применением средств автоматизации;

автоматизированное проектирование.

Выбираем метод ручного проектирования с применением средств автоматизации. При этом учитывается наличие соответствующего технического обеспечения и наличие программного обеспечения, позволяющее автоматизировать ряд операций по проектированию технологического процесса.

2. Конструктивно-технологичный анализ изделия как объекта производства

2.1 Анализ схемы устройства

С точки зрения принципа работы все источники питания можно разделить на линейные и импульсные.

Линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, превосходные значения нестабильности по напряжению и току и быстрое время восстановления. Но их главным недостатком является низкий КПД. Согласно техническому заданию на проектирование модуля преобразователя МП-30 (МП-60), КПД должен быть не менее 75%, что не допускает использование линейных источников питания.

Импульсные источники питания становятся популярными из-за высокой эффективности и высокой удельной мощности. При сравнении линейных и импульсных источников питания можно сделать следующие выводы:

нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, иногда на порядок величины, но в импульсных источниках питания часто используются линейные выходные стабилизаторы, улучшающие стабильность выходного напряжения;

пиковые значения выходных пульсаций импульсных источников питания находятся в диапазоне 25…100 мВ, что значительно больше, чем у линейных источников питания. Необходимо заметить, что для импульсных источников питания значения пульсаций выходного напряжения нормируются от пика до пика. У разрабатываемого модуля значение выходной переменной составляющей выходного напряжения от пика до пика должно быть не более 50мВ, что вполне могут обеспечить импульсные источники питания;

импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений. Диапазон входных напряжений линейных источников питания обычно не превышает +10% от номинального значения, что оказывает прямое влияние на КПД. У импульсных источников питания влияние диапазона входного напряжения на КПД очень незначительное или вообще отсутствует, он находится в пределах ±20% и даёт возможность работать при сильных изменениях напряжений сети.

DC-DC преобразователи используют принцип действия импульсных источников питания, но применяются для того, чтобы преобразовать одно постоянное напряжение в другое, обычно хорошо стабилизированное. Эти устройства используются там, где электронное оборудование должно питаться от батареи или другого автономного источника постоянного тока [3].

2.1.1 Анализ схемы устройства

По техническому заданию напряжение на входе преобразователя находится в пределах 48-72 В, а на выходе преобразователя напряжение должно составлять 5±0,2 В. Следовательно преобразователь относится к стабилизаторам понижающего типа.

Наиболее известной в семействе DC/ DC преобразователей понижающего типа является чопперная (Chopper - прерыватель) схема, изображенная на рис.2.1

Рисунок 2.1 - Базовая схема чопперного стабилизатора

Схема, приведенная на рис.2.1, состоит из следующих обязательных элементов:

силового ключа Кл, осуществляющего высокочастотную коммутацию тока (обычно роль ключа выполняет мощный биполярный или полевой транзистор);

разрядного диода VD;

низкочастотного сглаживающего фильтра LС;

схемы управления и обратной связи, осуществляющей стабилизацию напряжения или тока.

Другое известное название чопперной схемы - импульсный последовательный стабилизатор понижающего типа. Как видно из рис.2.1, ключевой элемент Кл и дроссель фильтра L включены последовательно с нагрузкой Rн. Рабочий цикл чоппера состоит, как показано на рис.2.2, из двух фаз: фазы накачки энергии и фазы разряда на нагрузку. Рассмотрим их подробнее.

Рисунок 2.2 - Фазы работы чопперного стабилизатора

Фаза 1 - накачки энергии.

Эта фаза протекает на протяжении времени tи. Ключевой элемент замкнут и проводит ток Ін, который течет от источника питания Uп к нагрузке через дроссель L, в котором в это время происходит накопление энергии. В это же время подзаряжается конденсатор С. Работа элементов в этой фазе показана на рис.2.3

Рисунок 2.3 - Фаза накачки энергии

Фаза 2 - разряд.

Любой индуктивный элемент при скачкообразном изменении характеристик цепи (обрыв, замыкание на нагрузку с другим значением сопротивления) всегда стремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку. Поэтому, когда по окончании фазы 1 происходит размыкание ключа Кл, ток Ін, поддерживаемый индуктивным элементом, вын