В качестве корпуса будем использовать корпус из алюминиевого сплава АМц. Корпус будет состоять из крышки, лицевой панели и задней панели. Лицевая панель будет выполнена из ударопрочного полистирола. Такой корпус прост, надежен и удобен для быстрого ремонта устройства. Он соответствует условиям эксплуатации по классу II группы BF по ГОСТ Р 50267.0-92.
Разрабатываемое устройство является переносным прибором, к которому с помощью кабеля будут подключаться сменные излучатели. Для обеспечения виброзащиты используются амортизаторы.
Прибор предполагается использовать не только в лечебно-профилактических учреждениях, но и в домашних условиях. Поэтому при разработке прибора должна быть обеспечена электробезопасность. На корпусе необходимо установить сетевой выключатель и обязательно индикацию включения питающего напряжения.
Устройство должно быть просто в обращении. Поэтому на корпусе будут установлены переключатели: выключатель режима работы и переключатель диапазонов, регулировка частоты и времени воздействия на пациента.
Конструкция преобразователя электрических сигналов в механические колебания должна обеспечивать преобразование необходимого диапазона частот. Для этого будет использован пьезоэлектрический преобразователь.
Прибор должен быть надежен в эксплуатации и иметь время наработки на отказ не менее 10000 часов, время восстановления - 1,2 часа, коэффициент готовности - 0,95.
Необходимо, чтобы прибор был технологичен в изготовлении в условиях мелкосерийного производства с программой выпуска до 1000шт/год. Комплексный показатель технологичности должен быть не менее 0,65. Для достижения нормативных данных по технологичности необходимо выполнить ряд мероприятий конструктивного и технологического направления. Во-первых, применить большее число унифицированных сборочных единиц, деталей и элементов, во-вторых, широко использовать микросхемы, применить полу- и автоматическое оборудование для сборки и монтажа прибора.
3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
3.1 Разработка структурной схемы
Исходя из анализа современных устройств для лечебного и терапевтического воздействия была разработана структурная схема устройства, которая включает в себя следующие блоки: задающий генератор, электронный таймер реального времени, электронный ключ, дешифратор, формирователь импульсов, генератор управляемый напряжением (ГУН), усилитель мощности (УМ), счетчик, модулятор, блок индикации режима работы, излучатель, совместная работа которых должна обеспечивать технические данные в соответствии с техническим заданием (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1-Стуктурная схема физиотерапевтического устройства
Задающий генератор собран на двух логических элементах “ИЛИ-НЕ” микросхемы К561ЛЕ5. Ее реализация обеспечивается последовательным соединением МДП-транзисторов с каналом р-типа и параллельным соединением МДП-транзисторов с каналом n-типа. С его выхода сигнал в форме меандра (рисунок 3.2,а) поступает через электронный ключ на счетчик К561Е16. Сброс счетчика в нуль осуществляется импульсом положительной полярности длительностью не менее 500 нс по входу R. Содержимое счетчика увеличивается по отрицательному перепаду импульса по входу С. Максимальная частота входных импульсов при Uпит=12 В достигает 66 кГц.
Рисунок 3.2 – Эпюры рабочих сигналов устройства
После счетчика сигнал меньшей частоты (рисунок 3.2,б) поступает на формирователь импульсов, который из меандра формирует треугольные импульсы такой же частоты (рисунок 3.2, в). Изменяющееся напряжение с формирователя управляет частотой ГУНа (рисунок 3.2,г), выполненного на микросхеме CD4046. Усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с параллельным включением транзисторов КТ815Г передает сигнал с качающейся частотой в выходной контур и далее - на нагрузку. Время качания частоты задается длительностью импульса, поступающего со счетчика. Данный режим работы применяется обычно в медицинских физиотерапевтических устройствах и при построении исследовательских комплексов, в которых необходимо изменять частоту генерации во всем диапазоне с различной скоростью.
При втором режиме работы сигнал в форме меандра поступает через электронный ключ на усилитель мощности, а затем на излучатель. Электронный таймер КР1006ВИ1 (времязадающая схема) формирует импульсы напряжения длительностью от нескольких микросекунд до десятков минут. Он предназначен для использования в стабильных датчиках времени, генераторах импульсов, преобразователях напряжения и т.д. Таймер в данной схеме служит для дозирования ультразвуковой энергии по времени, а блок индикации - для визуального контроля частоты и интенсивности колебаний.
Блок питания состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя, сглаживающих фильтров и стабилизатора напряжения. Микросхема КР142ЕН8А представляет собой стабилизатор напряжения с фиксированным выходным напряжением и защитой от перегрузок по току.
3.2 Расчет питающего трансформатора
Схема генератора, чтобы обеспечивать заданные параметры, должна питаться постоянным напряжением 12±0,5В. Поэтому, учитывая, что напряжение в сети может изменяться на 5%, и зная падение напряжения на выпрямителе, будем использовать трансформатор с напряжением вторичной обмотки ~15В. Трансформатор должен иметь малые габариты и небольшую массу. Он должен быть рассчитан на ток в нагрузке 0,25 А. Но таких, которые удовлетворяли бы вышеуказанным условиям, наша промышленность не выпускает. Исходя из этого, произведем расчет трансформатора по методике изложенной в [18].
1.Определяем напряжение и ЭДС обмоток по формуле:
Е1»0,95U1,(3.1)
E1»0.95*220=209 В,
U2»(U0+2)/1.1,(3.2)
U2»(15+2)/1.1=15.5 B
где U1 и U2 – напряжение первичной и вторичной обмоток соответственно;
U0 – выходное напряжение.
2. Находим ток обмоток:
I2=1.8×I0,(3.3)
I2=1.8*0.25=0.45A,
I1,2=1.8*I0U2/U1, (3.4)
I1,2=1.8*0.25*15.5/220=0.032 A
где I1,2 и I2 - токи первичной и вторичной обмоток;
I0 – ток в нагрузке.
I1»I2×N,(3.5)
N=U2/U1,(3.6)
N=15.5/220=0.07,
I1»0.45×0.07=0.03 A
где N – коэффициент трансформации.
3. Определяем габаритную мощность трансформатора:
Pгаб=U1×I1=U2×I2,(3.7)
Pгаб=15,5×0,45=6,98 Вт.
4.Выберем магнитопровод. Выбор магнитопровода производится с помощью выражения:
QсQo = Pгаб×100/(2,22¦ВJhkckмs),(3.8)
где Qо - площадь окна магнитопровода, приходящаяся на обмотки стержня, см2;
h - коэффициент полезного действия трансформатора, h=0,82;
s – число стержней несущих обмотки;
kм – коэффициент заполнения окна медью обмотки, kм=0.23;
J – плотность тока в обмотках, А/мм2;
B – магнитная индукция в магнитопроводе, Тл;
¦ - частота питающей сети;
kc – коэффициент заполнения магнитопровода сталью, kс=0.93;
Qс – полное сечение стержня магнитопровода, см2.
QсQo = 6,98×100/(2,22×50×1,2×6,2×0,82×0,93×0,23) = 2,47 см2.
По справочным таблицам выберем магнитопровод Ш10х10 имеющий QсQo=2,5см2; Qc=1см2; Qo=2,5см2; a=b=1см; h=2,5 см; c=1см; lc=8.6см; lм=7,1см; G=0.059 кг.
5. Подсчитаем число витков обмоток:
n1=E×104/(4.44¦BQckc),(3.9)
n1=209×104/(4.44×50×1.2×1×0.93)=8436
n2=E2×n1/E1,(3.10)
n2=8436*15.5/209=626
6. Находим диаметр провода:
d=1.13,(3.11)
d1=1.13=0.081,
d2=1.13=0.3
7. Определяем потери в стали:
Pc=pуд×G, Вт(3.12)
где pуд – удельные потери в стали, Вт/кг;
G – масса магнитопровода, G=0.059 кг
Pc=1.5×0.059=0.0885
8. Найдем потери в меди. Для этого определяем сопротивление обмоток:
r=2.2×10-4×lм×n/d2,(3.13)
где lм – средняя длина витков обмоток, см
r1=2.2×10-4×7.1×8436/0.062=3660.3 Ом,
r2=2.2×10-4×7.1×626/0.252=15.6 Ом,
тогда потери в меди Pм равны:
Pм=I12×r1+I22×r2,(3.14)
Pм=0.0322×3660.3+0.452×15.6=3.04 Вт
Охлаждающую поверхность броневого магнитопровода найдем по формуле:
Sc»2[ac+(a+c)(2a+2b+h)],(3.15)
Sc»2×[1×1+(1+1)(2×1+2×1+2.5)]=28 см2
Для оценки превышения температуры трансформатора определяют удельные охлаждающие поверхности стали sc и меди sм. Если полученные значения sc и sм не менее 20 см2, то превышение температуры можно считать допустимым (40-60?С).
9. Удельную поверхность охлаждения магнитопровода находим по формуле:
sc=Sc/Pc,(3.16)
sc=28/0.0885=316 см2/Вт >> 20 см2,
т.е. нагрев магнитопровода будет незначительным.
10. Найдим охлаждающую поверхность катушки:
Sм»2[(2a+c)(2b+h)+2b(4b+3h)],(3.17)
Sм»2[(2×1+1)(2×1+2.5)+2×1(4×1+3×2.5)]=64 см2
Удельная поверхность охлаждения обмотки:
sм=Sм/Pм,(3.18)
sм=64/3.04=21 см2 > 20 см2,
т.е. нагрев катушки будет ниже допустимого.
Таким образом, трансформатор будет иметь следующие габаритные размеры: 50x30x30 мм.
3.3 Расчет задающего генератора и таймера
Расчет задающего генератора проводится в следующей последовательности:
1. Находим частоту модуляции счетчика К561ИЕ16:
fo=1/Т,(3.19)
где Т-период качания частоты, сек.
fo=1/3=0,33 Гц
2. Частота задающего генератора определяется по формуле:
fг=fo×2n,(3.20)
где n – разряд счетчика.
fг=0,33×214=5,4 кГц
Эта частота является начальной для работы счетчика.
3. Затем находим сопротивление R1 для верхней рабочей частоты задающего генератора, при R2 равному нулю и зададимся С1 равному 540 пФ:
R1=(3.21)
R1=100 кОм
4. Определяем из формулы для fг R2 для нижней рабочей частоты задающего генератора:
fг=(3.22)
R2=4,8 кОм
Расчет электронного таймера проводится по следующей методике:
5. Время работы таймера:
t=R×C(3.23)
Зададимся С4, равное 220 мкФ, при нижней границе срабатывания t=1мин (R6=0).
R5= t/C4= 5,1 кОм
6. Находим R6, при верхней границе срабатывания таймера t=30 мин:
R6=(3.24)
R6= 100 кОм
3.4 Расчет ГУНа
Расчет ГУНа заключается в определении по специальным номограммам [19], приведенным на рисунке 3.3, частотные характеристики ГУНа: а) зависимость центральной частоты ГУНа f0 от R9 и C8; для частоты сдвига fсдв; зависимость пределов частот от отношения R11/R9.
а)
б)
в)
Рисунок 3.3 – Частотные характеристики ГУНа
Исходными данными являются: R9=R11= 100 кОм, С8=6800 пФ. Определяем по номограммам центральную частоту f0=40 кГц. Выбранную частоту следует сместить (сдвинуть) на величину Dfсдв=22 кГц, если вывод 12 микросхемы CD4046B и нулевой провод соединить через резистор R11.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
