Ультразвуковой отпугиватель собак

Введение

Ультразвуковой отпугиватель собак является эффективным устройством против собак.
Область применения отпугивателя собак довольно обширна: начиная с защиты гуляющих людей, детей по дороге в школу и домой, людей, занимающихся спортом (велосипедистов, бегунов), работников социальной сферы (почтальонов, милиции) и многих других.
Принцип действия устройства заключается в излучении ультразвука, частотой порядка 25 кГц. Диапазон звуковых частот, воспринимаемых человеком составляет около 20 Гц - 20 кГц. У животных же этот диапазон намного шире. Поэтому, излучение, вырабатываемое устройством неслышно человеку, однако вызывает дискомфорт животным.

Конструкция печатной платы ультразвукового отпугивателя

Назначение, основные технические характеристики, работа схемы

Схема ультразвукового отпугивателя собак представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема ультразвукового отпугивателя собак


Данный курсовой проект подразумевает использование ультразвукового отпугивателя собак
со следующими характеристиками:
Потребляемый ток – 1А.
Мощность – 12 Вт.
Технические характеристики ультразвукового отпугивателя собак
:
Максимальный ток – 1А.
Напряжение питания – 12В.

Генератор частоты в схеме реализован на логических элементах И-НЕ КМОП типа. Элементы C1, R1и R2 задают частоту генератора. Резистор R1 выбран подстроечным, для возможности регулировки частоты вырабатываемой генератором. Резистор R2 обеспечивает защиту элемента DD1.1 от короткого
замыкания входа и выхода при установке подстроечного резистора R1 в нулевое положение. В момент включения схемы конденсатор С1 разряжен, на входе DD1.1 низкий уровень напряжения, а на выходе высокий. Сразу после включения конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1 и R2 . В какой-то момент напряжение на нем превышает пороговое напряжение срабатывания элемента DD1.1. При этом переходит переключение выхода элемента DD1.1 и на нем устанавливается низкий уровень напряжения. Таким образом конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R1 и R2. Таким образом, процесс постоянно повторяется и на выходе элемента DD1.1 образуется меандр. Элемент DD1.2 является буферным и обеспечивает необходимый уровень сигнала, независящий от сопротивления R1.
Частота выходного сигнала может быть вычислена по формуле (1).

Элементная база
1.2.1 Резисторы
1.2.1.1 Резистор МЛТ-1 100К (R1, R2, R3, R6, R7)

Резисторы с углеродным проводящим слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

Основные параметры [5]:
Диапазон номинальных сопротивлений: 1 Ом... 10 Мом.
Номинальная мощность: 1 Вт.
Предельное напряжение: 500 В.
Допустимые отклонения: ±2%, ±5%, ±10%.
Диапазон температур: -60... +70 °С.

1.2.1.2 Резистор типа МЛТ-2 33К (R5)
Резисторы регулировочные однооборотные. Предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока.
Переменные резисторы используются при многократных регулировках аппаратуры, обладают большой износоустойчивостью (до нескольких сот тысяч циклов).

Основные параметры [5]:
Диапазон номинальных сопротивлений: 500 Ом... 2 Мом.
Номинальная мощность: 2,0 Вт.
Предельное напряжение: 750 В.
Допустимые отклонения: ±2%, ±5%, ±10%.
Диапазон температур: -60... +70 °С.

1.2.2 Конденсаторы
1.2.2.1 Конденсаторы типа ECAP (К50-35) (С1, С2, С3, С5, С6, С7)
Алюминиевые электролитические конденсаторы постоянной ёмкости применяются в цепи постоянного или пульсирующего тока, импульсных режимах.



Конструкторско-расчетная часть «Разработка конструкции печатной платы – ультразвукового отпугивателя собак»


2.1 Анализ технического задания

Техническое задание — исходный документ на проектирование технического объекта (изделия). ТЗ устанавливает основное назначение разрабатываемого объекта, его технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предписание по выполнению необходимых стадий создания документации (конструкторской, технологической, программной и т. д.) и её состав, а также специальные требования.
Данная схема подразумевает использование в нормальных условиях (20±5°). На плату будут действовать нагрузки, следовательно, требуется защитное устройство и т.п.
ПП крепится к корпусу с помощью клея-герметика (не токопроводящего).

2.2 Выбор материала диэлектрического основания печатной платы

Основанием ПП являются твердые диэлектрические материалы. Диэлектрик – вещество (материал), относительно плохо проводящее электрический ток. Для оснований ПП чаще всего используют следующие виды слоистых пластиков (композитный листовой материал, состоящий из слоев наполнителя, пропитанных термореактивными смолами и спрессованных под давлением) [5]:
гетинакс — слоистый жесткий электроизоляционный материал, представляющий собой спрессованные бумажные листы, пропитанные фенольной или эпоксидной смолой;
текстолит – слоистый электроизоляционный материал, представляющий собой спрессованные слои ткани, пропитанные бакелитом (нерастворимая искусственная смола), полиэфирной или эпоксидной смолой;
стеклотекстолит – слоистый электроизоляционный материал, представляющий собой спрессованные слои стеклоткани, пропитанные между собой бакелитом (нерастворимая искусственная смола), полиэфирной или эпоксидной смолой.


2.4 Расчет параметров печатного монтажа (ПМ)

Исходные данные:
- Максимальный ток, Imax = 1А.
- Класс точности изготовления ПП – первый.
- Метод изготовления ПП – химический.
- Толщина фольги, δ = 50 мкм. = 0,05 мм.
- Толщина платы, Н = 1 мм.

2.4.1 Расчет ширины печатного проводника
Данный расчет проводится по двум параметрам: по допустимому перегреву печатного проводника и по допустимому падению напряжения на печатном проводнике.
Расчет по второму условию не проводится, т.к. схема работает на малом токе и падение напряжения на проводнике минимально, что не влияет на работоспособность схемы.
Расчет по допустимому перегреву ведется по допустимой плотности тока [ j ], которая определяется по выбранному материалу ПП и методу изготовления печатного проводника.

2.5 Эскизная компоновка радиоэлементов на печатной плате

Эскизная компоновка (рис.10) выполняется методом аппликации с учетом следующих конструктивных рекомендаций:
РЭ сгруппированы и установлены параллельными рядами - резисторы и транзисторы;
элементы, выделяющие наибольшее тепло, установлены по краям платы - полевые транзисторы;
выводы РЭ расположены в узлах координатной сетки;
РЭ с жесткими выводами установлены одним выводом в узел координатной сетки, остальные выводы установлены по линиям сетки – транзисторы;
шаг координатной сетки 2,5 мм, масштаб 4:1;
за начало координатной сетки взят левый нижний угол.
Рисунок 10 – Эскизная компоновка РЭ на ПП.


2.6 Эскизная разводка ПМ

Эскизная трассировка печатного монтажа (рис. 11) выполняется с учетом конструктивных рекомендаций:
ширина печатного проводника постоянная;
проводники расположены по линиям координатной сетки;
максимальное количество разветвлений - 3;
в случае пересечения проводников используются перемычки;
разводка выполнена в масштабе 4:1.

Проверочные расчеты геометрических параметров ПМ

Исходные данные:
Эскизная трассировка печатного монтажа (рисунок 12)
Класс точности печатной платы – первый.
Минимальное допустимое расстояние между элементами печатного монтажа bmin = 0,45мм.

2.7.1 Минимальное расстояние между параллельными проводниками:
S"min1"=L"01" - (b"max"+δ"l"),мм (11)
где L01 – расстояние между центрами проводников, L01=2,5 мм.
bmax- максимальная ширина проводника, bmax=1,15 мм.
δl- допуск на расположение проводников, δl=0,15 мм.
S"min1"=2,5 - (1,15+0,15)=1,2 мм

2.7.2 Минимальное расстояние между контактными площадками:
S"min2"=L"02" - (D"max КП"+δ"р"), мм (12)
где L02-расстояние между центрами контактных площадок, L02=2,5 мм.
Dmax КП- максимальный диаметр контактной площадки,
Dmax КП= 1,75 мм ;
δр- допуск на расположение контактных площадок, δр=0,35 мм.
S"min2"=2,5 - (1,7+0,35)=0,45 мм.

2.7.3 Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:
S"min3"=L"03"- ((D"max КП" +b"max" ))/2, мм (13)
где L03- расстояние между проводником и контактной площадкой,
L03= 2,5 мм.
S"min3"=2,5- ((1,7+1,15))/2=1,075 мм.
Минимальное допустимое расстояние между элементами печатного монтажа Smin≥0,45 мм, геометрические параметры не превышают минимально допустимого расстояния, следовательно корректировку рисунка выполнять не нужно.

Проверочные расчеты электрических параметров ПМ

Расчет паразитной емкости между параллельными проводниками:
С = К∙ L"пр"∙ε , Пф (14)
где К – коэффициент, зависящий от ширины проводников и их взаимного расположения,
b – ширина проводника,
d - расстояние между проводниками.
Lпр – длина взаимного перекрытия проводников, см;
ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического основания ПП.
Минимально допустимое значение С≤5 пФ
d = L"0 "- b , мм (15)
d = 1,4 мм
d/b=1,3 К=0,14 (по справочным данным)
С = 0,14∙ 2,25∙5=1,575 пФ
Следовательно, разработанная конструкция ПП работоспособна, т.к. С < 5 пФ
В результате проведенных расчетов были разработаны компоновка и трассировка ПП ультразвукового отпугивателя собак.

Расчет параметров надежности печатной платы

Исходные данные:
Статистические значения интенсивностей отказов элементов электронного устройства.
Условия эксплуатации:
- стационарные (нормальные): температура (20±5) С; давление 760 мм. РТ. столба; относительная влажность 60% ;
- атмосферные.

 
Заключение


Целью курсового проекта являлось разработать конструкцию печатной платы ультразвукового отпугивателя собак. Цель достигнута. Было произведено ознакомление с принципом действия платы, ее характеристиками. Была составлена элементная база, в которую вошли:
резисторы типов МЛТ-2 33К, МЛТ-1 100К (рис.2), 16K1 (рис.3);
конденсаторы типов ECAP (K50-35) (рис.4), К10-17Б имп. 0.022мкФ X7R (рис.5);
транзисторы типов КТ3102А (рис.6), КТ315А (рис.7), КТ3107А (рис.8).
Печатная плата подразумевает использование в нормальных условиях, изготовление негативным химическим методом по первому классу точности. Плата будет крепиться к корпусу с помощью клея-герметика (не токопроводящего). В качестве материала диэлектрика был выбран стеклотекстолит фольгированный медью марки СФ-1-50-1, т.к. в ходе сравнения было определено, что у стеклотекстолита фольгированного наибольший диапазон рабочих температур, предел прочности и наименьший тангенс угла диэлектрических потерь.