2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Обоснование модернизации электробритвы
В данном дипломном проекте предлагается техническое решение, относящееся к области обеспечения жизнедеятельности человека, и может быть эффективно использовано для стрижки и бритья волос.
За прототип выбрана электробритва «Агидель-6», содержащая корпус с электродвигателем, редуктор, неподвижный нож, три  подвижных ножа, понижающий трансформатор, диодный мост и помехоподавляющий фильтр.
Недостатком данного устройства является невысокое качество бритья вследствие отдаленности режущих ножей от поверхности кожи на толщину неподвижного ножа и затрудненного попадания волос в щели ножевого блока.
Действительно, в процессе бритья меняется сила прижатия неподвижного ножа к поверхности кожи, что существенно влияет на величину среза волоса. Также неоднородность направления роста волос уменьшает процент их попадания в ножевой блок за один проход. Оба эти фактора вынуждают пользователя производить многократные движения по одному участку кожи, что ухудшает условия бритья и вызывает неприятные ощущения и раздражение.
В данном дипломном проекте предлагается устранение вышеуказанных недостатков за счет использования эффекта миостимуляции.
Известно, что действие электрического тока на тело вызывает сокращение мышечных тканей. Благодаря этому свойству кожа между двумя лучами неподвижного ножа растягивается, приближая линию возможного среза волоса к луковице и, кроме того, изменяет направление волоса ближе к нормали поверхности кожи, что в некоторой степени выравнивает направление роста волос. Более наглядно этот эффект иллюстрирует схема работы графической части 221.006.00.00.001 Д.
Вышеописанный метод повышения качества бритья успешно проверен на практике и кроме прямого своего назначения также выполняет функцию миостимуляции, имеющую ряд положительных действий с точки зрения медицины.
2.2. Описание предлагаемого решения
Предложенное техническое решение относится к области обеспечения жизнедеятельности человека и может быть эффективно использовано для бритья волос.
Данное техническое новшество определяет круг задач, решение которых необходимо для правильного и безопасного функционирования устройства.
При модернизации электробритвы первостепенной задачей я определил обеспечение защиты пользователя от воздействия превышенного электрического напряжения.
 Исходя из этого, электрическая схема спроектирована так, чтобы в двойной степени исключить вероятность возникновения недопустимого напряжения на выходе.
Практическим методом определено, что достаточный диапазон регулируемого тока составляет 5 – 50мкА. Такой ток не принесет никакого вреда здоровью человека. Максимальное напряжение не более 8 вольт.
Схема представляет собой блок питания со стабилизатором тока, гальванически развязанный с силовой сетью и цепью питания двигателя электробритвы.
В бритве предусмотрена регулировка режима бритья, удобного для пользователя. Осуществляется она за счет установки определенного стабилизируемого тока. Известно, что сопротивление тела у людей разное. Даже у одного человека оно меняется в зависимости от различных условий. Так же определенный ток разные люди будут ощущать по-разному. Поэтому у пользователя должна быть возможность устанавливать силу стабилизируемого тока, приемлемую для него. Стабилизатор поддерживает заданную величину тока при любом сопротивлении нагрузки.
На фотографии представлен пробный экземпляр, выполненный мною в соответствии с описаниями в данном дипломном проекте (не учитывая некоторые технологические поправки в силу отсутствия должного оборудования) и успешно прошедший испытания в разных режимах и условиях работы.
2.2.1. Описание функциональной схемы
Согласно функциональной схемы, представленной на листе 221.006.00.00.000 С2 графической части, модернизированная электрическая бритва «Агидель-6М» включает:
1- шнур
2 - сетевой выключатель
3 - понижающий трансформатор
4 - выпрямитель стабилизатора
5 – выключатель стабилизатора
6 - фильтр стабилизатора
7 - опорная цепь
8 – измерительная цепь
9 – регулирующий транзистор
10 - выпрямитель
11 - фильтр
12 – щетки
13 – коллектор
14 – якорь
15 – подшипниковый узел
 16 - редуктор
17 - ножевогй блок
2.2.2. Описание принципиальной схемы
Схема электрическая принципиальная, представленная на листе 221.006.00.00.000 Э3 графической части содержит:
в  ходной трансформатор, который понижает переменное напряжение сети 220 вольт до напряжений питания двигателя и стабилизатора.
выпрямители, собранные по мостовой схеме на диодах VD1-VD4 и VD6-VD9, которые преобразуют переменное напряжение в постоянное.
сглаживающие конденсаторы С1 и С2
фильтрующие элементы L4, L5, C3
двигатель M1
цепь опорного напряжения R1, VD5
ограничивающие резисторы R2, R3
регулирующий транзистор VT1
2.2.3. Описание работы стабилизатора тока
Переменное напряжение, снимаемое с катушки трансформатора L3, выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 и сглаживается электролитическим конденсатором C1. Каких-либо дополнительных фильтров не требуется, так как стабилизатор тока представляет собой активную нагрузку.
Цепь из светодиода VD5 с балластным резистором R1, включенных параллельно источнику входного напряжения, поддерживает на последовательно включенных ограничивающих резисторах и эммитерном переходе регулирующего транзистора определенное напряжение, необходимое для работы транзистора в режиме стабилизации.
При любом изменении напряжения на переходе эммитер-база сопротивление его меняется, устанавливая исходное напряжение смещения. При этом меняется ток базы, изменяя сопротивление коллекторного перехода.
Таким образом, при изменении сопротивления нагрузки (или изменении тока, вызванного изменением входного напряжения) изменяется падение напряжения на резисторах R2 и R3. В результате этого изменяется напряжение на эммитерном переходе, а, следовательно, и сопротивление коллекторного перехода, что приводит к компенсации полного сопротивления схемы и к стабилизации тока.
Например, при уменьшении сопротивления нагрузки увеличится падение напряжения на резисторах R2 и R3, ток базы уменьшится, что приведет к увеличению сопротивления коллекторного перехода. В результате сумма сопротивлений нагрузки и транзистора останется неизменной.
Изменением сопротивления резистора R3 можно установить определенный ток стабилизации за счет регулировки коллекторного тока изменением тока базы. Резистор R2 служит для ограничения максимального тока стабилизации и поддержания транзистора в рабочем режиме.
2.3. Расчет основных элементов конструкции модернизированной электробритвы
Для эффективности работы прибора необходимо сделать расчет трансформатора, стабилизатора тока и спроектировать печатную плату устройства.
На рис.1.2 приведена схема стабилизатора тока, дающая наглядное представление о распределении токов в цепи. Схема состоит из регулирующего транзистора VТ1, ограничивающего резистора R2 и измерительного резистора R3, включенных последовательно с нагрузкой, светодиода VD5 с балластным резистором R1, включенных параллельно источнику входного напряжения.
2.3.1. Расчет стабилизатора тока
R2
R3
   
          
VD5
Ivd1
VT1
R1
    
Uст
Iб
Ivd1+Iб
Rн
 
Iн
Рисунок 1.2
Рассчитаем цепь опорного напряжения транзистора. В данной схеме светодиод АЛ102БМ используется как стабилитрон и его напряжение стабилизации Uvd5= 1,5В. Рекомендуемый ток светодиода Ivd5=5мА. Сопротивление резистора R1 определяется выражением:
R1=(Uст – Uvd5)/(Ivd5+Iб);
где Uст – напряжение питания стабилизатора,
Iб – ток базы.
Так как ток базы очень мал (в несколько десятков раз меньше, чем ток нагрузки ), то им можно пренебречь:
R1=(Uст – Uvd5)/Ivd5;
R1=(9 – 1,5)/5=1,5 кОм.
Мощность рассеивания резистора:
P= Ivd5 (Uст – Uvd5) ;
P= 0,005 (9 – 1,5) = 0,038 Вт.
Выбираем резистор марки МЛТ-0,125
Напряжение на цепи R2 – R3 – переход эммитер-база равно стабилизированному светодиодом напряжению Uvd5. Для кремниевых транзисторов в режиме открытого коллектора падение напряжения на эммитерном переходе составляет Uэб = 0,5 В.
Максимальный ток на нагрузке Iнmax стабилизатор будет поддерживать при минимальном сопротивлении измерительного резистора R3 (R3=0). Ток в этом режиме ограничивается только резистором R2:
R2 = (Uvd5-Uэб)/Iнmax;
R2 = (1,5-0,5)/0,05 = 20 кОм.
Минимальный ток Iнmin установится при максимальном значении сопротивления R3 и будет ограничиваться суммой R2 + R3:
R2 + R3 = (Uvd5-Uэб)/Iнmin;
R2 + R3 = (1,5 – 0,5)/0,005 = 200 кОм.
R3 = 200 – 20 = 180 кОм.
Мощность, рассеиваемая на резисторах, будет очень мала. Так максимальная мощность будет при Iнmax на резисторе R2:
P = Iнmax(Uvd5-Uэб);
P = 0,05(1,5-0,5) = 0,05 мВт.
Примем резистор R2 марки МЛТ-0,125.
R3 – малогабаритный переменный резистор с дисковым регулятором.
Рассчитаем максимальную мощность Pmax, рассеиваемую транзистором. Известно, что она будет максимальна при токе Iнmax и при максимальном падении напряжения на транзисторе (сопротивление нагрузки минимально):
Pmax = 1,3 Iнmax(Uст – (Uvd5-Uэб));
Где 1,3 – коэффициент запаса мощности.
Pmax = 1,3*0,05(9 – (1,5-0,5)) = 0,5 мВт
Из списка транзисторов, выпускаемых отечественными производителя-ми выберем прибор, отвечающий следующим требованиям:
- предельно допустимая рассеиваемая мощность Ркмакс должна быть больше или равна значению Pmax;
- предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором Uкэ - больше Uст;
- максимально допустимый ток коллектора Iкмакс - больше Iнmax.
Выберем распространенный и недорогой среднечастотный транзистор малой мощности КТ3107А. Его параметры сведены в таблицу 2.1.
Таблица 2.1
Тип
транзистора
|
Структура
|
Uкб0,В
|
Uкэ,
В
|
Iкмакс,
мА
|
Ркмакс
мВт
|
h21Э
|
Iкб0
мкА
|
frp,
МГц
|
Кш
дБ
|
КТ3107А
|
р-п-р
|
50
|
45
|
100(200)
|
0,5
|
70-140
|
≤0,1
|
≥200
|
≤10
|
Определим максимальный ток базы Iб:
Iб = Iнmax/ h21Эmin;
где h21min – коэффициент передачи тока транзистора
Iб = 0,05/ 70 = 0,7 мкА.
Максимальный потребляемый стабилизатором ток:
Iст = 2(Ivd5 + Iнmax + Iб);
Iст =2(5 + 0,05 + 0,0007) = 10 мА.
2.3.2. Расчет выпрямителя
Рассчитать выпрямитель - значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (Uст) и потребляемый ею максимальный ток (Iнmax).
Определим переменное напряжение, которое должно быть на обмотке L3 сетевого трансформатора:
U3 = B*Uст,
где Uст - постоянное напряжение на стабилизаторе, В;
В - коэффициент, зависящий от тока нагрузки, для малых токов В = 0,8
U3 = 0,8*9 = 7,2 В
По току нагрузки определим максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:
Iд = 0,5 С Iст,
где: Iд - ток через диод, А;
Iст - максимальный ток стабилизатора, А;
С - коэффициент, зависящий от тока нагрузки, С = 2,4.
Iд = 0,5*2,4*10 = 12мА
Подсчитаем обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:
Uобр = 1,5 Uст;
Uобр = 1,5*9 = 13,5 В
Выберем диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.
По своим параметрам подходят диоды КД503А.
Таблица2.2
Наименование
|
Uобр.,В
|
Iпр. max, A
|
Iобр.max, мкА
|
Fdmax, мГц
|
КД503А
|
30
|
0,05
|
10
|
350
|
Определим емкость конденсатора фильтра:
Сф = 3200 Iст / Uн Kп,
где: Сф - емкость конденсатора фильтра, мкФ;
Iст - максимальный ток нагрузки. A;
Uн - напряжение на нагрузке, В;
Kп - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).
Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в динамической головке или громкоговорителе будет прослушиваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в пределах 10-3...10-2, усилителей ВЧ и ПЧ - 10-4...10-3, предварительных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей - 10-5...10-4. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабилизатором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5...10 раз.
Примем Kп = 10-2.
Сф = 3200*0,01/ 9* 10-2 =355,6 мкФ.
Так как степень пульсаций не очень важна для стабилизатора тока, то емкость можно уменьшить в 5…10 раз.
Примем Сф = 47 мкФ
Предельно допустимое напряжение конденсатора примем 16 В.
2.3.3. Расчет трансформатора.
По измеренному току I2 в цепи вторичной обмотки трансформатора и по напряжению U2 на ней в момент максимальной нагрузки определим выходную мощность трансформатора Pвых. Для этого вместо двигателя подключим переменный резистор сопротивлением 3 кОм. Уменьшая его сопротивление, будем измерять ток в цепи и напряжение на вторичной обмотке трансформатора. В момент падения напряжения зафиксируем значение тока.
Измерения показали, что:
I2 = 56 мА;
U2 = 65 В.
Следовательно:
P2 = I2 U2 = 0,056*65 = 3,6 Вт.
В обычном режиме двигатель потребляет мощность порядка 1,7 Вт.
При проектировании блоков питания размеры магнитопровода, необходимые для получения от трансформатора заданной мощности и мощность первичной обмотки рассчитываются на 20-30% больше выходной мощности.
Если к имеющемуся трансформатору добавить обмотку для питания стабилизатора тока, то его выходная мощность увеличится на некоторую величину:
P3 = I3 U3 = 1,5 Iст U3;
где 1,5 - коэффициент запаса тока
P3 =1,5*0,01*7,2 = 0,11 Вт
Составив пропорцию:
3,6 Вт – 100%
0,11 Вт – х %
можно определить, на сколько процентов увеличится выходная мощность трансформатора.
х = 0,11*100/3,6 = 3%
При запасе мощности трансформатора на 20-30% увеличение потребляемой мощности на 3% абсолютно не существенно. Остается только рассчитать диаметр намоточного провода d обмотки L3 и количество витков w.
Диаметр провода:
d = 1,13I3 / j
где j — плотность тока, А/мм кв.
d = 1,130,015 / 2,8 = 0,08 мм
Количество витков:
w = 45U3(1- U3/100)/BSст;
где U3 - падение напряжения в обмотке, выраженное в процентах от номинального значения, U3=30%;
Sст— сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки, Sст = 1,05 см кв.;
В — магнитная индукция, В=1,1 Тл.
w = 45*7,2(1- 0,3)/1,1*1,05 = 196 витков
Обмотку L3 следует мотать поверх остальных, положив под нее 2-3 слоя лакоткани. Это предохранит обмотку от замыкания с высоковольтными катушками трансформатора и, следовательно, предотвратит опасность поражения человека высоким напряжением.
2.3.4. Компоновка радиоэлементов и трассировка печатной платы.
Перед компоновкой нужно определить размеры печатной платы (ПП), которые ограничиваются размерами электробритвы. Габариты ПП рассчитываются исходя из общей площади, занимаемой радиодеталями, которая умножается на коэффициент плотности монтажа(1,5-5). В нашем случае целесообразнее рассчитать площадь деталей и определить, возможен ли их монтаж на ПП определенных размеров и с какой плотностью.
Столкнувшись с проблемой расположения данного числа радиоэлементов в корпусе бритвы, я пришел к выводу, что эффективнее диоды VD1-VD4 расположить на стороне дорожек в месте расположения трансформатора. Конденсатор С2 заменить на импортный меньших размеров. Также корпус электробритвы позволяет несколько увеличить размеры ПП. Часть платы занимает трансформатор, следовательно, в расчет плотности монтажа ее можно не включать и также исключить из расчетов диоды VD1-VD4. В таблице 2.1 приведен список монтируемых деталей, их количество и площадь.
Наименование
|
Кол-во,шт
|
Площадь ед., мм2
|
Общая площадь, мм2
|
Диод КД503А
|
4
|
-
|
-
|
Диод КД105
|
4
|
30
|
120
|
Светодиод АЛ107Б
|
1
|
5
|
5
|
Транзистор КТ3107А
|
1
|
19
|
19
|
Конденсатор 47мкФх16В
|
1
|
28
|
28
|
Конденсатор 47мкФх100В
|
1
|
78
|
78
|
Резистор МЛТ-0,125 1,5кОм
|
1
|
14
|
14
|
Резистор МЛТ-0,125 20кОм
|
1
|
14
|
14
|
Резистор переменный 180кОм
|
1
|
70
|
 70
|
Дроссель ДПМ-0,1
|
2
|
45
|
90
|
Суммарная площадь элементов составляет 438 мм2. Площадь ПП – 969 мм2. Коэффициент плотности монтажа (969/438) равен 2,2, что вполне допустимо.
По плотности рисунка печатные платы делятся на четыре класса:
Первый и второй характеризуются наименьшей плотностью и точностью изготовления;
Третий характеризуется повышенной плотностью и точностью изготовления;
Четвертый характеризуется высокой плотностью и точностью изготовления.
Класс точности определяется в зависимости от плотности проводящего рисунка и выбирается из ряда: 0.65; 0.5; 0.25; 0.15мм. , т.к. из расчета расстояние между соседними элементами составляет 0.6 мм. , то выбран второй класс точности.
В печатной плате при пересечении проводников получается электрический контакт. Если он не нужен, необходимо изменять линию проведения одного из проводников. Длина проводников должна быть минимальной. Рисунок проводников должен наилучшим способом использовать отведенную для него площадь. Для обеспечения гарантий от повреждения проводников при обработке минимальная ширина проводников должна быть 0,25 мм. При ширине проводника более 3 мм могут возникнуть трудности, связанные с пайкой. Чтобы при пайке не появилось мостиков из припоя, минимальный зазор между проводниками должен быть 0,5 мм.
Толщина печатной платы должна соответствовать одному из чисел 0.8, 1, 1.5, 2 мм.
Монтажные и переходные металлизированные отверстия следует выполнять без зенковки, но для обеспечения надежного соединения металлизированного отверстия с печатным проводником вокруг него на наружных сторонах печатной платы со стороны фольги делают контактную площадку. Контактные площадки выполняют круглой или прямоугольной формы.
Печатные проводники должны выполняться прямоугольной формы параллельно сторонам платы и координатной сетки или под углом 450 к ним. Ширина проводника должна быть одинаковой по всей длине. Расстояние между неизолированными корпусами радиоэлементов, между корпусами и выводами, между выводами соседних элементов или между выводом и любой токопроводящей деталью следует выбирать с учетом допустимой разностью потенциалов между ними и предусматриваемого теплоотвода, но не менее 1 мм (для изолированных деталей не менее 0,5 мм). Расстояние между корпусом радиоэлемента и краем печатной платы не менее 1 мм, между выводом и краем печатной платы не менее 2 мм, между проводником и краем печатной платы не менее 1 мм.
На основе рассмотренных конструктивных требований и ограничений мною была разработана топология печатной платы на персональном компьютере с помощью прикладной программы P-CAD 2001.
2.4. Расчет надежности электрической части бритвы
Данное устройство содержит элементы и соединения, которые потенциально могут оказаться причиной отказа всего устройства в целом. Поэтому необходимо рассчитать надежность устройства, учитывая все элементы, входящие в его состав.
Электрическая часть бритвы состоит из одной печатной платы, установленных на ней комплектующих элементов и разъемов. Плата размещена внутри негерметичного корпуса прибора.
Наиболее вероятными для данного устройства являются элементные и эксплуатационные отказы, имеющие как внезапный, так и постепенный характер.
Электробритва не имеет резервирующих элементов. Неисправность любого из элементов схемы ведет либо к отказу всего устройства в целом, либо к потере его частичной работоспособности, которая отождествляется с неработоспособным состоянием всего прибора.
Большинство составных частей прибора может находиться в двух состояниях - исправном и неисправном. Наиболее вероятной причиной отказа является обрыв монтажа (дефект пайки) и выход из строя двигателя или транзистора. Обе эти причины приводят бритву в неработоспособное состояние.
Для удобства расчетов, данные по всем составляющим элементам, сведены в таблицу 1.
Интенсивность отказов всей схемы рассчитываем по формуле:
где - интенсивность отказов всей схемы
n – интенсивность отказов элементов схемы
Nn – количество элементов схемы
Или по равнозначной формуле:
= 1 *N1 +2 *N2 +3 *N3 +4 *N4 +5 *N5 +6 *N6 +7 *N7 +
+8 *N8+ +9 *N9 +10 *N10 +11 *N11 +12 *N12
где 1 – интенсивность отказов кремниевых диодов
N1 – количество кремниевых диодов
2 – интенсивность отказов кремниевых транзисторов
N2 – количество кремниевых транзисторов
3 – интенсивность отказов керамических монолитных конденсаторов
N3 – количество керамических монолитных конденсаторов
Таблица 1
Элементы схемы подлежащие расчету
|
Кол-во, шт.
|
Значение интенсивности отказа, , 1/ч
|
Кремниевые диоды
|
9
|
1,8х10-6
|
Кремниевые транзисторы
|
1
|
0,3х10-6
|
Керамические монолитные конденсаторы
|
1
|
0,44х10-6
|
Электролтические конденсаторы
|
2
|
1,1х10-6
|
Металлодиэлектрические резисторы
|
2
|
0,04х10-6
|
Переменные пленочные резисторы
|
1
|
2,3х10-6
|
Печатная плата
|
1
|
0,005х10-6
|
Контактные площадки
|
52
|
0,02х10-6
|
Отверстия
|
50
|
0,0001х10-6
|
Пайки
|
53
|
0,5х10-6
|
Проводники
|
6
|
0,005х10-6
|
Разъемы
|
6
|
2,5х10-6
|
4 – интенсивность отказов электролитических конденсаторов
N4 – количество электролитических конденсаторов
5 – интенсивность отказов металлодиэлектрических резисторов
N5 – количество металлодиэлектрических резисторов
6 – интенсивность отказов переменных пленочных резисторов
N6 – количество переменных пленочных резисторов
7 – интенсивность отказов печатных плат
N7 – количество печатных плат
8 – интенсивность отказов контактных площадок
N8 – количество контактных площадок
9 – интенсивность отказов отверстий
N9 – количество отверстий
10 – интенсивность отказов паек
N10 – количество паек
11 – интенсивность отказов проводников
N11– количество проводников
12 – интенсивность отказов разъемов
N12 - количество разъемов
Подставляя значения в выражение 3, получаем:
= 62,12х10-6 1/ч
Рассчитаем среднюю наработку до первого отказа по формуле
Тср = 1/
где Тср - средняя наработка до первого отказа
Тср = 1/62,12х10-6 = 16097,9 часов
Далее найдем вероятность безотказной работы в течении одного месяца работы по формуле (5)
Р(t) = 1-*tср
где Р(t) – вероятность безотказной работы
tср время работы, учитывая что в месяце 30 суток, а в сутках 24 часа – среднее время работы составит 720 часов
Подставив значения в выражение 5 получаем
Р(t) = 1- 0,00006212*720 = 0,955
|
