OBSAH 1 ŘÍZENÝ STABILIZOVANÝ NAPÁJECÍ ZDROJ S INTEGROVANÝM STABILIZÁTOREM LM

Transkript

1 1

2 OBSAH 1 ŘÍZENÝ STABILIZOVANÝ NAPÁJECÍ ZDROJ S INTEGROVANÝM STABILIZÁTOREM LM ZADÁNÍ POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE NÁVRH OBVODU KONTROLA ČINNOSTI SIMULAČNÍM PROGRAMEM VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE IMPULSNÍ REGULÁTOR TEPLOTY MIKROPÁJEČKY ZADÁNÍ POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE NÁVRH OBVODU KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NS EAGLE NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE VÝVOJOVÁ DESKA PRO PIC16F84A/PIC16F ZADÁNÍ POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE NÁVRH OBVODU KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE BLIKAČ S SMD ZADÁNÍ POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE NÁVRH OBVODU KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM VYTVOŘENÍ SCHÉMA BLIKAČE SMD NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE ROZŠÍŘENÍ KNIHOVEN NS EAGLE PŘÍPRAVA PODKLADŮ TVORBA KNIHOVNY SOUČÁSTKY - MODULU

3 6 VYSÍLAČ DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ IQRF TX 868 MHz ZADÁNÍ POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE NÁVRH OBVODU VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE PŘIJÍMAČ DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ IQRF RX 868 MHz ZADÁNÍ POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE NÁVRH OBVODU KONTROLA ČINNOSTI SIMULAČNÍM PROGRAMEM VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE...89 PŘÍLOHY

4 PŘEDMLUVA V letech 2005 až 2006 řeší tři střední odborné školy SOŠ a SOU Lanškroun, SŠ, COP Sezimovo Ústí a SOŠE a S a SOU Pardubice s dalšími partnery projekt operačního programu EU Rozvoj lidských zdrojů s názvem Podpora výuky mechatroniky. Hlavním cílem projektu je připravit vhodné pomůcky pro výuku perspektivních oborů zaměřených na automatizaci, automatizační techniku a mechatroniku. Vedle základního materiálního vybavení partnerských škol učebními pomůckami včetně specializovaného software připravujeme sbírky úloh pro praktickou výuku zmíněných oborů. Jedna skupina úloh je zaměřena na výuku s použitím didaktických pomůcek, které demonstrují mechanické, pneumatické, elektrické i elektronické prvky mechatronických systémů a využívají různé typy řídicí techniky (např. PC, PLC). Druhá skupina úloh zahrnuje výpočty a simulaci částí mechatronických systémů s využitím výpočetní techniky. Žáci tak získají znalosti a dovednosti potřebné pro návrh a projektování těchto systémů. Příručka Ing. Antonína Juránka Eagle návrh plošných spojů a sbírka úloh vydaná s podporou zmíněného projektu je orientovaná na návrh obvodů a plošných spojů s využitím specializovaných programových prostředků, používajících pro kontrolní účely i simulaci funkce navrhovaných obvodů. Ing. Juránek je zkušený pedagogický odborník působící na SŠ, COP Sezimovo Ústí, který své kvality osvědčil už jednou úspěšnou publikací na podobné téma. V předložené publikaci připravil pro odborné učitele a jejich žáky podrobnou analýzu návrhu šesti typických elektronických obvodů, kde aplikoval i technologii povrchové montáže. Náplň publikace vhodně zapadá do zaměření projektu a bude jistě užitečnou pomůckou, která usnadní práci odborným učitelům středních škol. Současně může sloužit jako kvalitní studijní materiál jak pro žáky středních škol, tak i pro pracovníky v průmyslu, kteří se chtějí samostudiem zdokonalit v používání nejen programového systému Eagle, ale např. i MultiSIM. V Lanškrouně dne Doc. Ing. Ladislav Maixner, CSc. hlavní manažer projektu 3

5 ÚVOD Kniha EAGLE - NÁVRH PLOŠNÝCH SPOJŮ A SBÍRKA ÚLOH je určena všem zájemcům, kteří si chtějí rozšířit své znalosti a praktické dovednosti v oblasti návrhu plošných spojů na PC. Navazuje na knihu EAGLE PRO ZAČÁTEČNÍKY, která vyšla v roce 2007 již ve 2. vydání a byla určena širokému okruhu zájemců. V knize jsou uvedeny jednoduché příklady z oblasti elektroniky, a pozornost je věnována perspektivním součástkám a prvkům, se kterými se může uživatel setkat v oblasti elektroniky, elektrotechniky, automatizace a mechatroniky. Praktické úlohy jsem volil z oblasti napájecích zdrojů, regulačních obvodů, zapojení s jednočipovým počítačem PIC a zapojení s integrovanými obvody. Jsou zde i témata, která se do předcházející knihy již nevešla, např. návrh plošného spoje pro povrchovou montáž. Na příkladu moderní technologie inteligentních modulů IQRF pro bezdrátovou komunikaci je vysvětlen princip tvorby vlastní knihovny (prvku). Čtenář je dále nasměrován do oblastí využití této moderní technologie. Pozornost je věnována řešení napájení integrovaných obvodů. Příklady jsou doplněny nezbytnými zjednodušenými výpočty. Pro potvrzení výpočtů a návrhu obvodového řešení jsou podle možnosti zařazeny i ukázky simulace obvodů nebo částí obvodů pomocí programu typu elektronická laboratoř na PC MultiSIM (EWB). Všechny příklady využívají stávající součástkovou základnu a při jejich zpracování byl využit reálný katalog součástek. V textu jsou uvedeny odkazy na informační zdroje - odborné časopisy, literaturu a internetové stránky výrobců a distributorů součástek. V prvním příkladu je předložen návrh postupu a bodového hodnocení práce. Čtenář se tedy může sám hodnotit. Pro zvýšení názornosti je text doplněn množstvím obrázků. Výstupy příkladů jsou možnou variantou návrhu. Postupem doby každý zjistí, že návrh je umělecké dílo, a tedy originál každého autora. Především to platí o návrhu plošných spojů. Další využití záleží na uživateli. Jsem si vědom, že rozsah předkládaných příkladů je omezený; každý si příklady může upravit pro svou potřebu a oblast, která ho zajímá. Záměrně jsem se vyhnul problematice návrhu vícevrstvých plošných spojů a toto již nechávám zájemcům, kteří si chtějí znalosti samostatně rozšířit a nad návrhem přemýšlí. Doufám, že obě zpracované knihy k návrhovému systému EAGLE mu to umožní. 4

6 1 ŘÍZENÝ STABILIZOVANÝ NAPÁJECÍ ZDROJ S INTEGROVANÝM STABILIZÁTOREM LM ZADÁNÍ ELEKTRICKÉ PARAMETRY VSTUPNÍ : napětí ze sekundárního vinutí transformátoru TRHEI422-1X12. VÝSTUPNÍ: max. výstupní napětí UOUT MAX = 6 V, min. výstupní napětí UOUT MIN = 3,5 V, výstupní proud IOUT = 100 ma. KONSTRUKČNÍ PODKLADY: regulaci výstupního napětí řešit potenciometrem umístěným mimo desku, pro jeho připojení na desku použít svorkovnici typu ARK500 (X3), vstupní (X1) a výstupní (X2) konektory typu ARK500, signalizaci zapnutí napájení řešit pomocí zelené LED 5mm umístěné na desce, napájecí transformátor je umístěn mimo desku, jednostranný plošný spoj o rozměru 50 x 70 mm, max. výška 40 mm, upevňovací otvory jsou o průměru 3 mm, rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů, jsou uvedeny na obr.1. DOPORUČENÉ SOUČÁSTKY výběr součástek z Katalogu GME, usměrnění napětí řešit diodovým můstkem v pouzdru DIL, schéma zapojení integrovaného stabilizátoru - doporučené výrobcem, pouzdro stabilizátoru TO ROZMĚRY DESKY Rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů je na obr. 1. 5

7 Obr.1 Rozměr desky, zadané rozmístění prvků a otvorů 1.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE postup a hodnocení jednotlivých úkolů jsou uvedeny v tabulce 1., bod 3.- je uveden pro kontrolu výpočtu hodnot součástek a demonstraci vlivu jejich změny na činnost obvodu - do hodnocení práce v NS Eagle se nezapočítává, celkové hodnocení práce je dáno součtem bodů podle tabulky 2. Tabulka 1 Postup a hodnocení Max. počet bodů Úkol 1. Návrh obvodového řešení 5 2. Výpočet hodnot součástek Kontrola činnosti obvodu simulačním programem Vytvoření 4. schématu v NS EAGLE Výběr součástek z katalogu a knihoven NS 10 Úplnost editace součástek 10 Grafická úprava schématu 5 5. Návrh plošného Dodržení zadaných rozměrů spoje v NS Rozmístění pouzder součástek EAGLE Vedení, dimenzování, úprava

8 Max. počet bodů Úkol plošných spojů Schéma obvodu 6. Generování výstupů z NS Seznam součástek Pohled ze strany pouzder součástek 5 Pohled ze strany spojů Poznámka uvedené hodnocení napovídá, které úkony budou hodnoceny a na co se zaměřit při své práci. Tabulka 2 Celkové hodnocení práce Hodnocení Počet bodů výborný chvalitebný dobrý dostatečný nedostatečný 40-0 NÁVRH OBVODU NÁVRH OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ Při návrhu obvodového řešení vycházíme z údajů zadání. Můžeme přebírat již vytvořená schémata z různých příruček, časopisů, katalogů, dokumentace a technických popisů součástek od jejich výrobců. Neopomeneme využívat i internet. Stabilizovaný napájecí zdroj se bude skládat z: usměrňovače, který obsahuje diodový můstek v pouzdru DIL a vyhlazovací kondenzátor, obvodu signalizace zapnutí napájení s LED, stabilizátoru s řízeným výstupním napětím LM317 v pouzdru TO -220 v doporučeném zapojení výrobce. Při návrhu usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem vycházíme ze známého schématu, které je uvedeno na obr. 2. Zde již můžeme označovat 7

9 jednotlivé součástky podle zadání, v našem případě vstupní konektor X1. Obr. 2 Schéma usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem Obvod signalizace zapnutí napájení jsem umístil mezi usměrňovač a stabilizátor. Při umístění na výstupu zdroje by při změně výstupního napětí docházelo ke změně jasu signalizační LED. Doplněné schéma je obr. 3. Obr. 3 Schéma doplněné o obvod signalizace Při návrhu obvodu stabilizátoru vycházíme z doporučeného zapojení výrobce [1]. Na obr. 4 je zobrazen výpis z dokumentace výrobce National Semiconductor. Popis stabilizátoru si můžeme stáhnout z Obr. 4 Doporučené zapojení obvodu Schéma můžeme pro náš účel převzít z literatury [1], pouze upravíme označení součástek. Při označování součástek se snažíme dodržovat jejich pořadí podle sestavování celkového obvodu. Výpočtem hodnot součástek se budeme zabývat 8

10 v bodě Celkové navržené schéma řízeného stabilizovaného napájecího zdroje je na obr. 5. Obr. 5 Celkové zapojení obvodu Poznámka: později bude místo rezistoru P1 umístěna svorkovnice (X3) pro připojení potenciometru, kterým budeme řídit výstupní napětí v zadaném rozsahu. Tímto krokem jsme ukončili návrh obvodového řešení. Následně přistoupíme k výpočtu hodnot součástek VÝPOČET HODNOT SOUČÁSTEK Při pohledu na obr. 4 a 5 zjistíme, že musíme vypočítat hodnoty kondenzátoru C1, rezistoru R1 a potenciometru P1. Hodnoty rezistoru R2 a kondenzátorů C2 a C3 převezmeme z doporučeného zapojení výrobce (obr. 4), kde je i uveden vzorec pro výpočet hodnoty výstupního napětí. V závěru kapitoly se musíme rozhodnout, které součástky bude nutné opatřit chladičem. VÝPOČET KAPACITY VYHLAZOVACÍHO KONDENZÁTORU C1 Uvedeme si zjednodušený způsob výpočtu kapacity vyhlazovacího kondenzátoru [2]. Vycházíme z následujících předpokladů: 1. kondenzátor C1 se nabíjí na maximální hodnotu napětí UMAX C1 a následně se vybíjí na hodnotu minimální UMINC1,která však musí být dostatečná pro práci integrovaného stabilizátoru LM317. Toto napětí na vstupu integrovaného stabilizátoru musí být vždy o min. 3V vyšší než max. výstupní napětí obvodu; 2. celkový proud ICELK je dán součtem výstupního proudu IOUT a proudů, které jsou nutné pro činnost integrovaného stabilizátoru ISTAB a svitu LED ILED; 3. perioda pulsujícího usměrněného napětí na výstupu můstku, odpovídá kmitočtu 100 Hz. 9

11 VÝPOČET: U MAX C1=k 2 U IN RMS U D U MAX C1=0, ,5=14,27 V k - koeficient možného snížení napětí sítě o 10% - 0,9, UIN RMS- efektivní hodnota napětí na sekundárním vinutí zadaného transformátoru TRHEI422-1X12-12 V, UD- úbytek napětí na diodách můstku (proud vždy protéká přes dvě diody můstku), úbytek napětí na diodě je závislý na protékajícím proudu, pro náš účel předpokládáme úbytek 0,5 V. U MINC1=U OUT MAX 3V U MINC1=6 3=9V UOUT MAX max. výstupní napětí obvodu - 6 V I CELK =I OUT I LED I STAB I CELK = =120 ma=0,12 A IOUT - zadaný výstupní proud ma, ILED - proud potřebný pro činnost LED - 10 ma (viz. katalog, doporučený proud IF ), ISTAB - proud potřebný pro činnost integrovaného stabilizátoru - 10 ma (odhad ). Náboj kondenzátoru: Q= I t Q=C U C U =I t C= I t U Kapacita vyhlazovacího kondenzátoru C1 v našem obvodu bude: C1= I CELK t U C1 UC1 rozdíl max. a min. hodnoty napětí na C1 U C1=U MAXC1 U MINC1 U C1=14,27 9=5,27 V t perioda nabíjení a vybíjení C1 (u dvoucestného můstkového usměrnění odpovídá f = 100 Hz) 10

12 1 1 2 t= = =10 sec f 100 C1= 2 0, ,27 C1= F 220 μf U elektrolytického kondenzátoru C1 nás kromě kapacity, kterou jsme počítali pro případ poklesu napájecího napětí o 10% a zajištění spolehlivé práce stabilizátoru při zadaném odběru, bude zajímat i maximální napětí v případě zvýšení síťového napětí o 10%. Na toto zvýšené napětí U MAX C1 musíme vybírat (dimenzovat) konkrétní elektrolyt z katalogu [3], a proto ho určíme již nyní. Výpočet bude podobný, pouze koeficient bude k = 1,1. U MAX C1=k 2 U IN RMS U D=1, =17,66 V VÝPOČET HODNOTY REZISTORU R1 Předřadný rezistor R1 musí zabezpečit stav, kdy na LED je napětí UF a diodou protéká proud IF. Při tomto stavu LED dioda dostatečně svítí a není přetěžována. V katalogu GME [3] jsou pro zelenou LED L-HLMP uvedeny hodnoty: UF = 2,1 V, IF = 10 ma. R1= U R1 IF U R1=U MAX C1 U F =17,66 2,1=15,56 V Opět musíme počítat se stavem, kdy se napájecí napětí zvýší o 10 %, a proto ve vzorci je hodnota napětí U MAX C1. R1= 15,56 =1556 R1 = 1556 Ω Při výběru konkrétního rezistoru nás bude zajímat jeho výkonové zatížení PR1, které můžeme vypočítat podle známého vzorce. P R1=U R1 I F = U 2R1 2 = I F R1 R1 3 P R1=15, =0,1556W 11

13 VÝPOČET HODNOTY POTENCIOMETRU P1 PRO REGULACI VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ Při výpočtu hodnoty potenciometru P1 vycházíme ze vzorce, který je uveden v doporučeném zapojení výrobce na obr. 4, a ze zadaných hodnot výstupního napětí. Protože proud IADJ je řádově 100 µa, můžeme část vzorce IADJ. R2 vynechat. Po úpravě vzorce a s přihlédnutím k označení součástek podle schématu na obr. 5, dostaneme následující výraz pro výpočet hodnoty odporu potenciometru P1. P1=R2 U OUT 1 1,25 Pro regulaci výstupního napětí v zadaném rozsahu musí být hodnota odporu od P1MIN do P1MAX. Za UOUT tedy dosazujeme hodnoty UOUT MAX = 6 V a UOUT MIN = 3,5 V. P1MAX = =912 P1MAX = 912 Ω 1,25 P1MIN =240 3,5 1 =432 P1MIN = 432 Ω 1,25 URČENÍ VÝKONOVÉHO ZATÍŽENÍ PR2 V obvodu regulace výstupního napětí je rezistor R2, který má podle doporučeného zapojení výrobce hodnotu 240 Ω. Z předcházejících výpočtů vyplývá, že hodnota odporu potenciometru P1 bude mezi 432 Ω a 912 Ω. Tomu odpovídá podle katalogu potenciometr 1 kω. Je vytvořen dělič napětí, který se skládá z rezistoru R2 a potenciometru P1. Rezistor R2 musíme dimenzovat na max. protékající proud. V případě zařazení max. odporu potenciometru P1= 1kΩ bude výstupní napětí obvodu podle vzorce na obr. 4 a s přihlédnutím k označení součástek podle schématu na obr. 5: U OUT =1,25 1 P =1,25 1 =6,45 V R2 240 Velikost proudu protékajícího rezistorem R2: I R2 = U OUT 6,45 3 = =5,2 10 A R2 P V případě, že velikost odporu potenciometru P1 bude klesat a bude se blížit k 0, napětí na výstupu UOUT dosáhne hodnoty přibližně 1,25 V a rezistorem R2 protéká proud 5,2 ma. Výkonové zatížení PR2 v obou případech bude: P R2 =I R2 R 2= 5, =6,4 10 W 12

14 1.3.3 CHLAZENÍ SOUČÁSTEK Návrh plošného spoje obvodu bude ovlivňovat i fakt, zda některé součástky bude nutné chladit. Především se zaměříme na integrovaný stabilizátor LM317. Určíme si ztrátový výkon součástky při kritickém režimu práce obvodu: na vstupu integrovaného stabilizátoru je napětí, které odpovídá zvýšenému napájecímu napětí o 10 % U MAX C1 =17,66V, na výstupu je nejnižší možné napětí UOUT = 1,25 V, obvodem protéká proud IOUT = 100mA. Ztrátový výkon integrovaného stabilizátoru bude: P Z LM317 = U LM317 I OUT Rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem integrovaného stabilizátoru: U LM317 =U MAX C1 U OUT =17,66 1,25=16,41 V 3 P Z LM317 =16, =1,641W Chlazení elektronických součástek je široká oblast; zájemcům o hlubší studium doporučuji literaturu [5]. Při návrhu obvodu si musíme ujasnit, zda je nutné umístit integrovaný obvod na chladič nebo vypočítaný ztrátový výkon (1,641 W) je pouzdro schopné odvést do okolí bez chladiče. Tepelný odpor je definován RTH = T J T A PZ TJ - povolená teplota přechodu, čipu TA - teplota okolí (uvažujeme 25 C) Po úpravě vzorce bude ztrátový výkon PZ = T J T A RTH V doporučeném zapojení výrobce [1] jsou na str. 5 uvedeny parametry: RTHJA - tepelný odpor mezi čipem a okolím bez použití chladiče [Thermal Resistance, Junction to Ambient (No Heat Sink)] pro pouzdro TO (typ T str.1) je RTHJA = 50 /W. TJ - povolená teplota čipu, přechodu 125 C INTEGROVANÝ STABILIZÁTOR BEZ CHLADIČE Po dosazení do vzorce vypočítáme, jaký výkon je pouzdro bez chladiče schopné odvést do okolí: 13

15 PZ = T J T A = =2 W RTHJA 50 Závěr - pouzdro typu TO bez chladiče je schopné při zadaných teplotách čipu a okolí odvést do okolí ztrátový výkon 2 W. Požadovaný ztrátový výkon LM317 (1,641 W) nutný pro funkci našeho obvodu je nižší, a proto není nutné použití chladiče. Prakticky však doporučuji, pro snížení jeho teplotního namáhání, integrovaný stabilizátor LM317 umístit na jednoduchý chladič typu DO1A [3]. INTEGROVANÝ STABILIZÁTOR NA CHLADIČI Při použití chladiče vycházíme z náhradního schématu, které je na obr. 6. Obr. 6 Náhradní schéma při umístění stabilizátoru na chladič RTHJC RTHCR RTHRA tepelný odpor mezi čipem (přechodem) a pouzdrem tepelný odpor mezi pouzdrem a chladičem (0,2 C/W) tepelný odpor mezi chladičem a okolím Z náhradního schématu na obr. 6 můžeme pro paralelní kombinaci vypočítat celkový tepelný odpor RTHΣ. Platí, že RTHJC + RTHCR + RTHRA << RTHJA Pro návrh nemusíme počítat paralelní kombinaci tepelných odporů a vzorec pro celkový tepelný odpor při použití chladiče bude mít tvar: RTHΣ = RTHJC + RTHCR + RTHRA + RTH PODL RTH PODL tepelný odpor slídové podložky mezi pouzdrem a chladičem ( 1 C/W) V doporučeném zapojení výrobce LM317 [1] a katalogu [3] pro chladič DO1A jsou uvedeny následující údaje: RTHJC - 4 C/W, RTHRA - 21 C/W RTHΣ = 4 + 0, = 26,2 C/W Při použití chladiče DO1A je přenesený výkon do okolí: PZ = T J T A = =3,81W RTHΣ 26,2 ZÁVĚR: Pro potřebný ztrátový výkon LM317 v navrhovaném obvodu (1,641 W) se čip 14

16 integrovaného obvodu umístěného na chladič DO1A zahřeje pouze na teplotu TJ = 68 C a tím dojde ke snížení tepelného namáhání součástky. Nomogram pro přibližný návrh chladiče je v příloze 4. Tímto krokem jsme zakončili výpočet hodnot součástek a můžeme přistoupit k dalšímu kroku - překontrolovat si na PC činnost našeho navrženého obvodu simulačním programem. 1.4 KONTROLA ČINNOSTI SIMULAČNÍM PROGRAMEM Po ukončení výpočtu hodnot součástek si můžeme pomocí simulačního programu prověřit jeho činnost na PC. Vhodné jsou programy typu elektronická laboratoř na PC (MultiSIM, PSPICE, Micro- Cap,...). Na PC si zobrazíme výstupní signály (osciloskop, analyzátor spektra,...), změříme parametry v jednotlivých bodech obvodu (multimetr, W - metr, logická sonda, logický analyzátor...). Výhodou je, že můžeme odhalit případné chyby při návrhu elektronického obvodu před zpracováním dokumentace pro jeho výrobu. Po úpravě schématu provádíme opětovnou simulaci až do okamžiku, kdy funkce obvodu odpovídá zadání! Na obr. 7 je pohled na schéma obvodu zpracované v programu MultiSIM, vstupní napětí (V1) je sníženo o 10 %. Výstupní parametry odpovídají našemu zadání. Max. výstupní napětí při zadaném proudu odpovídá max. vypočítané hodnotě odporu potenciometru P1MAX = 912 Ω. Obr. 7 Pohled na schéma při max. hodnotě výstupního napětí Na obr. 8 je zobrazeno schéma při minimální hodnotě výstupního napětí, odpor potenciometru je P1MIN = 432 Ω. 15

17 Obr. 8 Pohled na schéma při min. hodnotě výstupního napětí Na osciloskopu simulačního programu MultiSIM si můžeme zobrazit průběh napětí na vyhlazovacím kondenzátoru C1, pohled na výřez obrazovky je na obr. 9. Obr. 9 Průběh napětí na vyhlazovacím kondenzátoru C1 Zobrazené hodnoty na obr. 7, 8 a 9 nám umožní vyplnit tabulku 3. V tabulce můžeme porovnat zadané a vypočítané hodnoty s hodnotami zjištěnými v simulačním programu. Tabulka 3 Výsledky simulace činnosti obvodu Výpočet / zadání Simulace UMAXC1, V 14,27 13 UMINC1, V 9 9,2 UOUTMAX, V 6 P1MAX = 912 Ω 6,05 UOUTMIN, V 3,5 P1MIN = 432 Ω 3, IOUT, ma 16

18 ZÁVĚR: Obvod bude pracovat i při poklesu napájecího napětí o 10 %. V tomto případě hodnota UMINC1 = 9,2 V bude dostačující pro práci integrovaného stabilizátoru a výstupní hodnoty obvodu odpovídají zadání. Můžeme konstatovat, že návrh byl proveden v souladu se zadáním. Následně přistoupíme ke zpracování dokumentace v návrhovém systému EAGLE. 1.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE Návrhový systém EAGLE se skládá ze tří modulů, které nám umožní vytvořit základní dokumentaci k elektronickému obvodu: 1. návrh schématu - schématický editor - SCH E, 2. návrh plošného spoje - editor plošného spoje - E PCB, 3. automatický návrh plošného spoje autorouter. Zadání je voleno tak, aby při jeho zpracování žák mohl využít verzi LIGHT, která je volně dostupná na pro OS WINDOWS nebo LINUX. V této části bude na příkladu našeho zadání uveden základní postup práce ve schématické editoru. Jednotlivé úkony jsou rozebrány v literatuře [4]. Nastavení pracovního prostředí editorů NS provedeme: Hlavní panel (Control Panel): Options / User interface Layout (pro E PCB): barva pracovní plochy - doporučuji volit černou barvu typ kurzoru - Large (velký). Schematic (pro SCH E): barva pracovní plochy - podle uživatele (bílá, barevná barvu lze nastavit), typ kurzoru - Small (malý) ZALOŽENÍ PROJEKTU Po spuštění programu se zobrazí okno Hlavního panelu, ze kterého můžeme přecházet do jednotlivých částí NS. Založení projektu spočívá ve vytvoření složky, do které se budou ukládat jednotlivé soubory. Pozornost věnujeme i popisu našeho nového projektu - zadání. Postup při založení projektu: volba adresáře - pravým tlačítkem myši (PTM) vybírám adresář, volba názvu projektu - v kontextovém menu volím New Project a název SNZ LM317, popis projektu - PTM volím Edit Description a uvádím údaje, např. zadání. Na obr. 10 je zobrazeno okno se založeným projektem a jeho popisem. 17

19 Obr. 10 Pohled na okno Hlavního panelu se založeným projektem NASTAVENÍ SCHÉMATICKÉHO EDITORU Využíváme ikony Display a Grid, doporučení a nastavení jsou uvedena v literatuře [4]. Pohled na pracovní prostředí schématického editoru je v příloze VÝBĚR SOUČÁSTEK Z KATALOGU A KNIHOVEN NS V bodech a jsme navrhli obvodové řešení a vypočítali hodnoty součástek. K vypočítaným hodnotám musíme přiřadit reálné součástky z katalogu [3] (které koupíme v obchodě nebo máme k dispozici v laboratoři školy) a součástky z knihoven NS EAGLE. VÝBĚR Z KATALOGU Respektujeme řady hodnot součástek, vliv změny hodnot součástek na činnost obvodu, rozměry pouzder součástek. Všechny údaje je vhodné uspořádat do tabulky. Příklad je uveden v tabulce 4. Tabulka 4 Výběr součástek Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis U IN RMS B250C1000DIL I CELK =0,12 A 220 μf Knihovna Označení rectifier B-DIL rcl/cpol-eu CPOL-EUE5-10,5 =13,2 V B1 C1 NS EAGLE Katalog [3] DIL E330M/25V (rozměry: 10x13 / RM= 5 mm) 18

20 Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis NS EAGLE Katalog [3] U MAX C1 =17,66V C2 Označení rcl/c-eu C-EU X044 rcl/cpol-eu CPOL-EUE2-5 rcl/r-eu R-EU_0207/10 rcl/r-eu R-EU_0207/10 led/led LED5mm v-reg LM317TS *1) CK100N/63V (rozměry: 5x3 / RM= 5 mm) 100n, keramický Knihovna *2) C3 E1M/50V (rozměry: 5x11 / RM= 2 mm) 1 μf, 10V *1) 1556 Ω R1 P R1= 0,1556 W RRU1K5 (rozměry: 0207/10) *3) RRU240R (rozměry: 0207/10) *3) 240 R R2 3 P R2 =6,4 10 W LED1 Zelená, 5 mm L-HLMP-3507 IC1 LM317, TO-220 IOUT= 100 ma P1 432R 912R, 1k lineární PC1621 NK001 *5) X1 ARK500, dva vývody ARK500/2, RM= 5 mm *6) con-ptr 500 AK500/2 X2 ARK500, dva vývody ARK500/2, RM= 5 mm *6) con-ptr 500 AK500/2 X3 ARK500, tři vývody ARK500/3, RM= 5 mm *6) con-ptr 500 AK500/3 Chladič DO1A heatsink DO1S KK1 LM317T *4) v návrhu tato součástka nebude na desce plošného spoje Poznámky k výběru součástek: 1*) - z důvodu stárnutí elektrolytických kondenzátorů a zajištění spolehlivé funkce integrovaného stabilizátoru, volíme pro C1 následující hodnotu kapacity z řady hodnot, kapacita C3 podle zapojení výrobce. Rozměry elektrolytických kondenzátorů - průměr pouzdra... mm x výška pouzdra... mm / rozteč vývodů RM= mm, 2*) - rozměry keramického kondenzátoru CK - vertikální průměr pouzdra... mm x tloušťka... mm / rozteč vývodů RM=... mm, 3*) - z důvodu snížení typů konstrukčního provedení rezistorů volíme jedno provedení - uhlíkový rezistor 0,25 W, rozměry rezistoru - provedení 0207/ rozteč vývodů, 4*) - volíme typ integrovaného stabilizátoru v pouzdru TO -220 pro proud 1,5 A, 5*) - potenciometr P1 není součástí schématu a není umístěn na plošném spoji - při návrhu musíme určit jeho hodnotu a průběh změny odporu, které zajistí regulaci výstupního napětí v zadaném rozsahu, 6*) - typ ARK/ počet vývodů, rozteč vývodů RM= 5 mm. 19

21 VÝBĚR Z KNIHOVEN NS - z hlavního panelu přejdeme do SCH E a vytvoříme nové schéma: File / New / Schematic Následně vybíráme součástky z knihoven NS a vyplňujeme tabulku 3. Součástky umísťujeme na plochu do zvoleného formátu: - ohraničíme pracovní plochu formátem nového schématu, např. A4: Add (Use) / frames / DINA4-L / OK Na obr. 11 a 12 jsou zobrazena okna s charakteristikou konkrétní součástky v knihovně. Zde jsou na příkladu kondenzátorů ukázány rozměry pouzdra, které musí odpovídat rozměrům součástky z katalogu. ELEKTROLYTICKÉ KONDENZÁTORY C1 - knihovna: rcl/cpol-eu/cpol-eue5-10,5. Okno knihovny rcl/cpol je zobrazeno na obr. 11. Obr. 11 Okno knihovny rcl/cpol KERAMICKÉ KONDENZÁTORY C2 - knihovna: rcl/c-eu/c-eu x044. Okno knihovny rcl/c-eu je zobrazeno na obr. 12. Obr. 12 Okno knihovny rcl/c-eu 20

22 1.5.4 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V této části se zaměřím jen na shrnutí příkazů, které využíváme při práci ve SCH E. ROZMÍSTĚNÍ SOUČÁSTEK A OBJEKTŮ SCHÉMATU Tabulka 5 Příkaz Popis MOVE Přemístění schématické značky, nápisu... ROTATE Rotace schématické značky, nápisu...(můžeme i PTM) MIRROR Zrcadlení INFO Informace o zvolené součástce SHOW Zvýraznění součástek DISPLAY Viditelnost / neviditelnost, barvy jednotlivých vrstev schématu PROPOJENÍ SOUČÁSTEK Tabulka 6 Příkaz Popis NET Vytvoření elektricky vodivého spoje BUS Vytvoření sběrnice LABEL Pojmenování spoje, sběrnice EDITACE SOUČÁSTEK Tabulka 7 Příkaz Popis NAME Určení jména součástky VALUE Určení hodnoty součástky ZÁVĚREČNÁ GRAFICKÁ ÚPRAVA Tabulka 8 Příkaz Popis MOVE Přemístění schématické značky, nápisu... ROTATE Rotace schématické značky, nápisu...(můžeme i PTM) 21

23 Příkaz Popis MIRROR Zrcadlení DELETE Vymazání objektu COPY Kopírování CUT Kopírování do zásobníku PASTE Kopírování obsahu zásobníku na plochu SMASH Oddělení jména a hodnoty od schématické značky TEXT Vložení textu GROUP Vytvoření bloku k další práci v editoru CHANGE CHANGE Změna parametrů zvoleného objektu Widht Šířka čáry Style Druh čáry Size Výška textu Font Font textu Ratio Šířka čáry textu Text Text nápisu Obr. 13 Schéma obvodu Vytvořené schéma obvodu je zobrazeno na obr.13. Při zpracování schématu často chybujeme při grafické úpravě. Zvýraznění chyb je na obr

24 Obr. 14 Chyby při zpracování schématu V tabulce 9 je uveden popis chyb při zpracování schématu ve SCH E. Tabulka 9 Popis chyb při zpracování schématu Popis chyby 1. Nedodržení směru vytvořeného spoje, text zasahuje do spoje 2. Neuspořádaný popis vývodů svorkovnice X1 3. Spoj od vývodu součástky není umístěn symetricky 4. Graficky nevyrovnaný popis jména a hodnoty součástky 5. Hodnota součástky je umístěna nejednotně - svisle a není jasné, ke které součástce patří 6. Nevyrovnané umístění součástek ve větvi obvodu, popis LED1 zasahuje do schématické značky 7. Graficky nevyrovnaný popis jména a hodnoty součástky 8. Graficky nevyrovnaný popis jména a hodnoty součástky 9. Graficky nevyrovnaný popis jména a hodnoty součástky 10. Text popisu zasahuje do vedení spojů 11. Graficky nevyrovnaný popis chladiče, symbol je umístěn mimo schématickou značku chlazeného stabilizátoru 12. Příklad zbytečného spoje - problém v E PCB!!!!! 13. Nevyrovnané umístění součástky ve větvi obvodu 14. Nesprávné uvedení hodnoty kapacity kondenzátoru (používáme M = μf, m = mf) 15. Graficky neuspořádané umístění textu, text zasahuje do vedení spojů 23

25 Popis chyby Schéma obvodu není ve středu formátu výkresu Nerovnoměrné využití formátu - zhuštění součástek a popisů... Jména součástek nerespektují zásadu zleva doprava... Nesprávné uvedení hodnot součástek, např. Ω, μ... Neúplná editace rohového razítka 1.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE V této části bude na příkladu našeho zadání uveden základní postup práce v editoru plošného spoje. Jednotlivé úkony jsou rozebrány v literatuře [4] PŘECHOD DO EDITORU PLOŠNÉHO SPOJE (E PCB) Existují dva způsoby přechodu do E PCB: přímý ze schématického editoru (ve SCH E použiji ikonu Board) načtení již dříve navržené desky, např. k následné úpravě (CP: File / Open / Board) NASTAVENÍ E PCB Využíváme ikony Display a Grid, doporučení a nastavení jsou uvedena v literatuře [4]. Zaměřím se jen na shrnutí příkazů, které využíváme při práci v E PCB. Pohled na pracovní prostředí editoru je v příloze 2, význam vrstev je v příloze POSTUP PŘI NÁVRHU PLOŠNÉHO SPOJE OHRANIČENÍ DESKY Tabulka 10 Příkaz Popis WIRE Vytvoření rohových značek budoucí desky Hladina 20 Umístění rohových značek do hladiny Dimension WIRE Wire Bend Směr vedení čáry Widht Šířka čáry ve zvolených jednotkách Style Forma čáry - celá čára, čárky, tečky... MOVE Přemístění vytvořené čáry na nové místo DELETE Vymazání čáry 24

26 ROZMÍSTĚNÍ POUZDER SOUČÁSTEK Tabulka 11 Příkaz Popis DISPLAY Volba hladiny umístění pouzdra součástky MOVE Přemístění pouzdra na určené místo na desce ROTATE Rotace pouzdra součástky...(můžeme i PTM) MIRROR Pozor - v E PCB příkaz znamená přemístění pouzdra součástky do jiné vrstvy, např. do vrstvy spojů HOLE HOLE Vložení otvoru na určené místo Drill Určení průměru otvoru ve zvolených jednotkách Postup rozmístění na desce: 1. Pouzdra součástek a prvků, které mají ze zadání definované umístění (X1, X2, X3, upevňovací otvory), 2. Ostatní součástky a prvky, polohu určuje návrhář. VYTVOŘENÍ MOTIVU PLOŠNÝCH SPOJŮ Tabulka 12 Příkaz Popis DISPLAY Volba hladiny umístění plošného spoje RATSNEST Přepočet gumových spojů na nejkratší vzdušné spoje ROUTE RIPUP ROUTE Vytvoření plošného spoje mezi vývody součástek Select layer Určení hladiny, kde je veden plošný spoj Wire bend Směr vedení plošného spoje Widht Šířka plošného spoje ve zvolených jednotkách Přeměna plošného spoje na vzdušný spoj Poznámky: vytvoření motivu plošných spojů je složité a komplexní téma, které je rozebráno v literatuře [5] a [6], pro určení šířky plošného spoje je vhodný graf zobrazený na obr.15 [7]. 25

27 Obr. 15 Graf pro určení šířky plošného spoje GRAFICKÁ ÚPRAVA MOTIVU PLOŠNÝCH SPOJŮ Tabulka 13 Příkaz Popis MOVE Přemístění plošného spoje SPLIT Rozdělení plošného spoje na segmenty OPTIMIZE Opětovné sloučení segmentů plošného spoje 26

28 GRAFICKÁ ÚPRAVA POPISŮ Tabulka 14 Příkaz Popis DISPLAY Volba hladiny zobrazení obrysů pouzder, uchopovacích značek, jmen součástek, textů ROTATE Rotace popisu a textů (můžeme i PTM) SMASH Oddělení jména a hodnoty od obrysu pouzdra součástky TEXT Vložení textu VYTVOŘENÍ POLYGONŮ - ROZLITÍ MĚDI Tabulka 15 Příkaz POLYGON Popis POLYGON Vytvoření polygonu ve zvolené vrstvě Select layer Určení hladiny, kde vytvoříme polygon Wire bend Směr vedení ohraničení polygonu Widht Šířka obrysové čáry a čáry vyplňující polygon ve zvolených jednotkách Pour Způsob vyplnění polygonu (Solid - celkové vyplnění, Hatch - šrafování) Thermals Způsob připojený plošek pro vývody součástek (On - vytvoření symbolů termálních můstků Thermals, Off - ne) Spacing Vzdálenost čar při šrafování polygonu (Hatch) Orphans Zachování (On) a nebo vymazání (Off) částí polygonu při jeho rozpadu na části (ostrůvky) Isolate Izolační vzdálenost mezi spoji a částmi polygonu Rank Určuje vztah jednotlivých polygonů RATSNEST Přepočítávání polygonu - jeho vytvoření NAME Pojmenování polygonu 27

29 CELKOVÁ ÚPRAVA NÁVRHU A PŘÍPADNÉ ZMĚNY Tabulka 16 Příkaz CHANGE Popis CHANGE Změna parametrů zvoleného objektu Layer Hladina Widht Šířka plošného spoje Style Druh čáry Size Výška textu Font Font textu Ratio Šířka čáry textu Text Text nápisu Diameter Průměr plošky, prokoveného otvoru Drill Průměr otvoru plošky, otvoru prokovu, otvoru Shape Tvar plošky prokovu Via Velikost prokovu Pour Způsob vyplnění plochy Rank Vztah polygonů při jejich přepočítávaní Isolate Izolační vzdálenosti Spacing Vzdálenost čar při šrafování polygonu Thermals Termální můstky Orphans Rozpad polygonu na ostrůvky Class Třída propojovací sítě Package Změna pouzdra součástky Na obr. 16, 17 a 18 jsou příklady řešení - pohled ze strany pouzder, motiv spojů a motiv spojů s rozlitou mědí. Obrázky nejsou zobrazeny v měřítku. 28

30 Obr. 16 Pohled ze strany pouzder Obr. 17 Motiv spojů 29

31 Obr. 18 Motiv spojů s rozlitou mědí 1.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ V této části jsou uvedeny pouze nastavení pro tisk základních výstupů. Jednotlivé úkony jsou rozebrány v literatuře [4]. SCHÉMA OBVODU Vytvořené schéma je zobrazeno na obr. 13, jeho tisk provedeme následujícím postupem. Nastavení jsou uvedena v tabulce 17. SCH E.: File / Print (Print setup) Tabulka 17 Nastavení pro tisk schématu Příkaz Style Popis Mirror Zrcadlení tisku NE Rotate Otočení tisku o 90 VOLBA Upside down Otočení tisku o 180 VOLBA Black Tisk je proveden černo bílý VOLBA Solid Tisk hladin s pevnou výplní VOLBA Scale faktor Měřítko tisku Page limit Zadaný počet stran tisku Sheets All Tisk všech stránek From Tisk zadaných stránek 30

32 Příkaz Popis This Printer Tisk aktuální stránky schématu Volba tiskárny Border, Calibrate Page Vertical, Horizontal Caption Nastavení parametrů stránky, rozměry a zarovnání Volba tisku hlavičky schématu SEZNAM SOUČÁSTEK Do dokumentace patří seznam součástek. Jeho automatické vygenerování provedeme: SCH E.: Ulp / bom.ulp Tabulka 18 Nastavení parametrů seznamu součástek Příkaz List type Popis Parts Values Forma výstupu View Náhled seznamu součástek Save Uložení ve zvoleném formátu Output format Text Textový formát výstupu HTML Formát HTML Výstup: Textový formát - PARTS: Partlist exported from C:/Program Files/EAGLE-4.11/projects/SNZ LM317/snz1.sch at :01:17 Part Value Device B1 C1 C2 C3 IC1 KK1 LED1 R1 R2 X1 X2 X3 B250C1000DIL E330M/25V 100N E1M/50V LM317T D01S B-DIL B-DIL CPOL-EUE E5-10,5 C-EU X044 C X044 CPOL-EUE2-5 E2-5 LM317TS 317TS D01S D01S LED5MM LED5MM R-EU_0207/ /10 R-EU_0207/ /10 AK500/2 AK500/2 AK500/2 AK500/2 AK500/3 AK500/3 1K5 240 Package 31 Description RECTIFIER POLARIZED CAP. CAPACITOR POLARIZED CAP. VOLTAGE REGULATOR HEATSINK LED RESISTOR RESISTOR CONNECTOR CONNECTOR CONNECTOR

33 Výstup: Textový formát - VALUES: Partlist exported from C:/Program Files/EAGLE-4.11/projects/SNZ LM317/snz1.sch at :26:42 Qty Value 1K5 100N 240 D01S E1M/50V E330M/25V LM317T Device Parts AK500/2 AK500/3 LED5MM R-EU_0207/10 C-EU X044 C2 R-EU_0207/10 B250C1000DIL B-DIL D01S CPOL-EUE2-5 CPOL-EUE LM317TS X1, X2 X3 LED1 R1 R2 B1 KK1 C3 C1 IC1 POHLED ZE STRANY POUZDER SOUČÁSTEK Pohled ze strany pouzder součástek (osazovací plán) slouží ke správnému osazení vyrobené desky a je zobrazen na obr. 16. V tabulce 19 je uvedeno nastavení pro jeho tisk. Tabulka 19 Nastavení pro tisk Příkaz Popis 17 Pads Display Zobrazené hladiny 20 Dimensions 21 tplace 25 tnames Style, Scale faktor Page limit, Sheets E PCB.: File / Print (Print setup) Význam a nastavení stejné jako v tabulce 17 Printer, Page V případě, že chceme slabě zobrazit při tomto pohledu i motiv plošného spoje, zapneme hladinu 16 Bottom a nastavíme její barvu, např. odstín šedé. Tento pohled můžeme využít pro podrobnou kontrolu celého návrhu plošného spoje. POHLED ZE STRANY SPOJŮ Pohled ze strany spojů (motiv plošného spoje) je zobrazen na obr. 17, 18 a nastavení pro tisk je v tabulce

34 Tabulka 20 Nastavení pro tisk Příkaz Popis 16 Bottom Display Zobrazené hladiny 17 Pads 18 Vias 20 Dimension Mirror Rotate Style File / Print (Print Upside down setup) Black Solid Zrcadlení tisku ANO Otočení tisku o 90 VOLBA Otočení tisku o 180 VOLBA Tisk je proveden černo bílý VOLBA Tisk hladin s pevnou výplní VOLBA Scale faktor Page limit Sheets E PCB.: File / Print (Print setup) Význam a nastavení stejné jako v tabulce 17 Printer Page 1.8 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE Hodnocení jednotlivých úkolů je v tabulce 21. Počet bodů CELKEM 5 10 X Dosažený počet bodů Počet bodů X Hodnocení 33

35 2 IMPULSNÍ REGULÁTOR TEPLOTY MIKROPÁJEČKY 2.1 ZADÁNÍ ELEKTRICKÉ PARAMETRY VSTUPNÍ : napětí pro napájení řídícího obvodu UCC1 = 9V je z vnějšího zdroje, napětí pro napájení spínacího tranzistoru mikropájky UCC2 = 12 V je z vnějšího zdroje 12V/5 A. VÝSTUPNÍ: regulace teploty mikropáječky 12 V/ 40 W, pulsně šířková modulace PWM. KONSTRUKČNÍ PODKLADY regulaci teploty řešit potenciometrem umístěným mimo desku, pro jeho připojení na desku použít konektorové kolíky lámací S1G (X1), svorkovnice pro připojení napájecího napětí řídícího obvodu UCC1 je typu ARK500 (X2), svorkovnice pro připojení napájecího napětí spínacího tranzistoru UCC2 je typu ARK500 (X3), svorkovnice pro připojení mikropájky je typu ARK500 (X4), signalizaci činnosti řídícího obvodu řešit pomocí dvou zelených LED 5mm - umístěné mimo desku, pro jejich připojení použít konektorové kolíky lámací S1G (X5, X6). jednostranný plošný spoj o rozměru 50 x 80 mm, max. výška konstrukce je 50 mm, upevňovací otvory jsou o průměru 3 mm, rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů, jsou uvedeny na obr.19. DOPORUČENÉ SOUČÁSTKY výběr součástek z Katalogu GME. 34

36 ROZMĚRY KONSTRUKCE Zadané rozměry, jsou uvedeny na obr. 19. rozmístění prvků konstrukce a montážních otvorů Obr. 19 Rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů 2.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE postup a hodnocení jednotlivých úkolů jsou uvedeny v tabulce 1., bod 3.- je uveden pro kontrolu výpočtu hodnot součástek a demonstraci vlivu - jejich změny na činnost obvodu - do hodnocení práce v NS Eagle se nezapočítává, celkové hodnocení práce je dáno součtem bodů podle tabulky 2. NÁVRH OBVODU NÁVRH OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ Při návrhu obvodového řešení vycházíme z údajů zadání. Můžeme přebírat již vytvořená schémata z různých příruček, časopisů, katalogů, dokumentace a technických popisů součástek od jejich výrobců. Neopomeneme využívat i internet. Impulsní regulátor teploty mikropáječky se skládá z: řídícího obvodu, obvodu spínání zátěže (mikropáječky, vrtačky plošných spojů...) s tranzistorem. 35

37 Řídící obvod pro zadanou pulsně šířkovou modulaci PWM musí zajistit výstupní obdélníkový signál o stálé periodě s plynule regulovatelnou délkou impulsu (regulovanou střídou). Nabízí se použití osvědčeného integrovaného obvodu LM555 [8], podrobnější popis je na Použití univerzálního integrovaného obvodu 555 je v literatuře [9] a odtud je převzato zapojení řídícího obvodu. Na obr. 20 je schéma zapojení, které umožňuje měnit střídu výstupního signálu v širokém rozsahu (1 99 %). Obr. 20 Schéma řídícího obvodu s LM555 Pro spínání zátěže doporučuji použít tranzistor typu MOSFET jako spínač v zapojení se společnou elektrodou S. Pro případ spínání zátěže s induktivním charakterem je doplněna ochranná dioda D3. Zapojení obvodu je na obr. 21. Obr. 21 Obvod spínání zátěže Celkové navržené schéma impulsního regulátoru teploty mikropáječky je na obr

38 Obr. 22 Schéma impulsního regulátoru teploty mikropáječky Poznámka: - v reálném schématu budou na pozicích P1, LED1, LED2, UCC1, UCC2, R6 zadané svorkovnice. Tímto krokem jsme ukončili návrh obvodového řešení. Následně přistoupíme k výpočtu hodnot součástek VÝPOČET HODNOT SOUČÁSTEK Z doporučené literatury převezmeme hodnoty - C2, IC1, P1, R1, R2, D1 a D2. Vypočítáme: - hodnoty a výkonové zatížení R3, R4 a R5. Určíme: hodnotu kondenzátoru C1, typ tranzistoru Q1 a jeho chladiče, typ diody D3. VÝPOČET HODNOT REZISTORŮ R3, R4 Předřadné rezistory R3 a R4 musí zabezpečit stav, kdy na LED je napětí UF a diodou protéká proud IF. Při tomto stavu LED dioda dostatečně svítí a není přetěžována. V katalogu GME [3] jsou pro zelenou LED L-HLMP-3507 uvedeny hodnoty: UF = 2,1 V, IF = 10 ma. R3= U R3 IF U R3=U OUT IC1 U F =9 2,1=6,9V UOUT IC1 zanedbáme úbytek napětí a počítáme, že napětí na výstupu se rovná napájecímu UCC1 37

39 R3= 6,9 = Stejným způsobem určíme i hodnotu R4 R3 = R4 = 690 Ω Výkonové zatížení PR3 = PR4 P R3=U R3 I F = U 2R3 2 = I F R3 R3 3 P R3=6, =0,069W VÝPOČET HODNOTY REZISTORU R5 Rezistor R5 slouží k omezení výstupního proudu LM555, který přivádíme na spínací tranzistor Q1. Předpokládáme, že proud omezíme proud na hodnotu IOUT IC1 = 5 ma. R5= U OUT IC1 9 = =1800 Ω I OUTIC R5 = 1800 Ω Výkonové zatížení PR5 P R5 =U OUT IC1 I OUTIC1 P R3= =0,045 W URČENÍ HODNOTY C1 V zapojení obvodu s 555 [9] je hodnota C1 = 10 nf a výstupní kmitočet obdélníkového signálu je udáván přibližně 1,2 khz. Pro účel regulace teploty mikropáječky doporučuji kmitočet snížit. Snížení kmitočtu je dosaženo změnou hodnoty kondenzátoru C1 na 100 nf. Při simulaci činnosti obvodu byl zjištěn kmitočet výstupního signálu obvodu 555 fout = 124,37 Hz. C1 = 100 n URČENÍ TYPU SPÍNACÍHO TRANZISTORU Q1 Vycházíme z charakteristiky zátěže - mikropáječka na U = 12 V, P = 40 W (případně vrtačka na plošné spoje). Při činnosti bude mít odebíraný proud hodnotu: I= P 40 = =3,33 A U 12 Mikropáječka bude v obvodu představovat zátěž s odporem RZ: R z= U = =3,6 Ω P 40 Zvolený tranzistor musí být schopen spínat napětí U = 12 V a proud I = 3,33 A. Volba typu tranzistoru - použitý tranzistor je unipolární typu MOSFET s kanálem N - BUZ11. 38

40 Důvod: parametry: UDS = 50 V, ID = 30 A, Ptot = 75 W, RDS = 0,04 Ω [3], nízký ztrátový výkon při sepnutí, minimální úbytek napětí sepnutí (nízký odpor kanálu v sepnutém stavu), spínání je možné kladným napětím UGS (budeme spínat kladným impulsem z LM555). Podrobný popis BUZ11 je uveden v literatuře [10]. Výpočet provedeme pro dva případy: trvalé sepnutí, režim PWM. TRVALÉ SEPNUTÍ Proud při sepnutí I D= U CC1 RZ R DS ON RDS(ON) odpor kanálu tranzistoru v sepnutém stavu I D= 12 =3,3 A 3,6 0,04 Úbytek napětí na sepnutém tranzistoru Q1 U DS ON = RDS ON I D=0,04 3,3=0,132 V Ztrátový výkon na sepnutém tranzistoru Q1 P ZQ1 =U DS ON I D=0,132 3,3=0,436 W Výkon na zátěži Rz P Z = U CC2 U DS ON I D = 12 0,132 3,3=39,16W Přípustný ztrátový výkon tranzistoru Q1 bez chladiče: PZ= T J T A = =1,33W RTHJA 75 RTHJA - tepelný odpor mezi čipem a okolím bez použití chladiče RTHJA = 75 C /W [4] TJ - teplota čipu, přechodu, volíme 125 C TA - teplota okolí, volíme 25 C Závěr - při trvalém sepnutí tranzistoru Q1 je ztrátový výkon (0,436 W) nižší než přípustný ztrátový výkon tranzistoru bez chladiče (1,33 W) není nutné umístit tranzistor BUZ 11 na chladič. REŽIM PWM Tranzistor Q1 je sepnut (zátěží protéká proud), když na elektrodu G je z řídícího obvodu přiveden kladný impuls. 39

41 Změnou střídy S - poměru doby trvání kladného impulsu (ta) a periody (T) řídíme výkon na zátěži (teplotu mikropáječky, otáčky motoru vrtačky plošných spojů...). Časové průběhy jsou zobrazeny na obr. 23. Střída signálu (duty cycle) t S= a 100 [%] T Např. při S = 25 % bude: Výkon na zátěži RZ P Z =0,25 U CC2 U DS ON I D=0, ,132 3,3=9,79 W Ztrátový výkon na tranzistoru v sepnutém stavu je zanedbatelný P ZQ1 =0,25 U DS ON I D =0,25 0,132 3,3=0,109 W Obr. 23 Časové průběhy PWM Úkol - proveďte srovnání účinnosti regulace výkonu pomocí PWM s účinností při regulaci výkonu změnou proudu v zátěži, např. při použití bipolárního tranzistoru. URČENÍ TYPU OCHRANNÉ DIODY Při spínání zátěže, která má jen ohmický charakter, ochrannou diodu D3 nemusíme použít. V našem případě topné tělísko mikropáječky nebo vinutí motoru vrtačky má induktivní charakter - použití ochranné diody je nutné pro ochranu spínacího tranzistoru v okamžiku vypínání zátěže. Můžeme použít např. 1N5408 na 1000V, 3A [3]. 2.4 KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM Simulačním programem si ověříme, zda obvod pracuje podle zadání a určíme 40

42 rozsah regulace výkonu mikropáječky. Na obr. 24 je zobrazena činnost obvodu při nastaveném minimálním výkonu mikropáječky: P = 364,4 mw ta = 90,452 * 10-6 sec, T = 8,216 * 10-3 sec 6 ta 90, S= 100= 100=1,1 % T 8, Obr. 24 Minimální výkon mikropáječky Na obr. 25 je zobrazena činnost obvodu při nastaveném maximálního výkonu mikropáječky: P = 38,813 W ta = 7,839 * 10-3 sec, T = 8,216 * 10-3 sec 3 ta 7, S= 100= 100=95 % T 8, Obr. 25 Maximální výkon mikropáječky 41

43 Navrženým obvodem jsme schopni pulsně šířkovou modulací regulovat výkon (teplotu) mikropáječky v rozsahu od 0,36 W do 38,8 W. 2.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NS EAGLE Postup a popis je uveden v literatuře [4] a kapitole VÝBĚR SOUČÁSTEK Z KATALOGU A NS EAGLE Přehled součástek je uveden v tabulce 22. Tabulka 22 Výběr součástek z katalogu a NS EAGLE Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis NS EAGLE Katalog [3] Knihovna Označení R1 1k R W0185 1K, (rozměry: 0204) rcl/r-eu R-EU_0204/7 R2 1k R W0185 1K, (rozměry: 0204) rcl/r-eu R-EU_0204/7 R3 690, 0,069 W R W R, (rozměry: 0204) rcl/r-eu R-EU_0204/7 R4 690, 0,069 W R W R, (rozměry: 0204) rcl/r-eu R-EU_0204/7 R5 1k8, 0,045 W R W0185 1K8, (rozměry: 0204) rcl/r-eu R-EU_0204/7 C1 100n, keramický CK100N/63V (rozměry: 5x3 / RM= 5 mm) rcl/c-eu C-EU X044 C2 10n, keramický CK10N/100V (rozměry: 5x3 / RM= 5 mm) rcl/c-eu C-EU X044 D1 1N4148 1N4148, DO35 diode 1N4148 D2 1N4148 1N4148, DO35 diode 1N4148 D3 1N5406 1N5408, DO201 diode 1N5400 LED1 Zelená, 5 mm L-HLMP-3507 LED2 Zelená, 5 mm L-HLMP-3507 v návrhu tyto součástky nebudou na desce plošného spoje IC1 LM555 NE555 linear/555 LM555N Q1 BUZ 11 BUZ 11 transistor-power BUZ1/ BUZ11BV P1 100k lineární PC1621 NK100 X1 konektorové kolíky lámací 3 S1G20/3 X2 ARK500, dva vývody X3 X4 v návrhu tato součástka nebude na desce plošného spoje pinhead PINHD-1X3 ARK500/2, RM= 5 mm con-ptr 500 AK500/2 ARK500, dva vývody ARK500/2, RM= 5 mm con-ptr 500 AK500/2 ARK500, dva vývody ARK500/2B, RM= 5 mm con-ptr 500 AK500/2 42

44 Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis NS EAGLE Katalog [3] Knihovna Označení X5 konektorové kolíky lámací 2 S1G20/2 pinhead PINHD-1X2 X6 konektorové kolíky lámací 2 S1G20/2 pinhead PINHD-1X SCHÉMA OBVODU Schéma regulátoru je zobrazeno na obr

45 Obr. 26 Schéma regulátoru 2.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE Postup a popis je uveden v literatuře [4] a v kapitole 1. Na obr. 27, 28 a 29 jsou příklady řešení - pohled ze strany pouzder, motiv spojů a motiv spojů s rozlitou mědí. 44

46 Obr. 27 Pohled ze strany pouzder Obr. 28 Motiv spojů Obr. 29 Motiv spojů s rozlitou mědí 45

47 2.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ Popis jednotlivých operací je uveden v literatuře [4] a kapitole 1. SCHÉMA OBVODU Vytiskneme schéma zapojení obvodu, které je na obr. 26. SEZNAM SOUČÁSTEK Výstup: Textový formát - PARTS: Partlist exported from C:/Program Files/EAGLE-4.11/projects/REG TEPL/proulohu.sch at :48:49 Part Value Device Package Description C1 C2 D1 D2 D3 IC1 Q1 R1 R2 R3 R4 R5 X1 X2 X3 X4 X5 X6 100n 10n 1N4148 1N4148 1N5400 LM555N BUZ11BV 1k 1k k8 C-EU X044 C-EU X044 1N4148 1N4148 1N5400 LM555N BUZ11BV R-EU_0204/7 R-EU_0204/7 R-EU_0204/7 R-EU_0204/7 R-EU_0204/7 PINHD-1X3 AK500/2 AK500/2 AK500/2 PINHD-1X2 PINHD-1X2 C X044 C X044 DO35-10 DO35-10 DO DIL08 TO220BV 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 1X03 AK500/2 AK500/2 AK500/2 1X02 1X02 CAPACITOR CAPACITOR DIODE DIODE DIODE TIMER N-CHANNEL RESISTOR RESISTOR RESISTOR RESISTOR RESISTOR PIN HEADER CONNECTOR CONNECTOR CONNECTOR PIN HEADER PIN HEADER POHLED ZE STRANY POUZDER SOUČÁSTEK Pohled ze strany součástek je na obr. 27. POHLED ZE STRANY SPOJŮ Můžeme zvolit tisk varianty motivu spojů - obr. 28 nebo obr ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE Hodnocení jednotlivých úkolů je v tabulce 23. Počet bodů CELKEM 5 10 X Dosažený počet bodů Počet bodů X Hodnocení 46

48 3 VÝVOJOVÁ DESKA PRO PIC16F84A/PIC16F ZADÁNÍ ELEKTRICKÉ PARAMETRY VSTUPNÍ: napájení napětí 9 V AC ze síťového adaptéru. FUNKCE: vývoj aplikací s PIC16F84A /16F88 na desce, ovládání pomocí tlačítek (4 ks), indikace pomocí LED (8 ks), RC oscilátor. KONSTRUKČNÍ PODKLADY připojení napájecího napětí je pomocí svorkovnice do plošných spojů ARK (X1), PIC je umístěn do patice, ovládací tlačítka do plošných spojů, indikace výstupů pomocí nízkopříkonových LED (červené), jednostranný plošný spoj o rozměru 80 x 100 mm, max. výška 50 mm, otvory pro upevnění PVC nožiček mají průměr 3 mm. DOPORUČENÉ SOUČÁSTKY výběr součástek z Katalogu GME. ROZMĚRY KONSTRUKCE Na obr.30 jsou uvedeny rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů. 47

49 Obr. 30 Rozměry, rozmístění součástek a otvorů 3.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE postup a hodnocení jednotlivých úkolů jsou uvedeny v tabulce 1, bod 3.- je uveden pro kontrolu výpočtu hodnot součástek a demonstraci vlivu jejich změny na činnost obvodu - do hodnocení práce v NS Eagle se nezapočítává, celkové hodnocení práce je dáno součtem bodů podle tabulky 2. NÁVRH OBVODU NÁVRH OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ Při návrhu obvodového řešení vycházíme z údajů zadání. Můžeme přebírat již vytvořená schémata z různých příruček, časopisů, katalogů, dokumentace a technických popisů součástek od jejich výrobců. Neopomeneme využívat i internet. Vývojová deska pro jednočipový mikropočítač PIC16F84A/16F88 se skládá ze: vstupních obvodů - tlačítek, výstupních obvodů - LED, obvodu oscilátoru, napájecího obvodu vývojové desky. 48

50 Popis mikropočítačů PIC16F84A a PIC16F88 je v literatuře [11], [16] a na Další návrh je proveden pro variantu s PIC16F84A. Vstupní obvody se skládají z tlačítek a rezistorů. V našem navrženém schématu jsou zvoleny za vstupní porty RA0, RA1, RA2, RA3. Na obr. 31 je zapojení pro ovládání vstupních portů PIC. Obr. 31 Ovládání vstupních obvodů portů U každého zvoleného portu se výstupní obvod skládá z rezistoru a nízkopříkonové LED. Zapojení je zobrazeno na obr. 32. Za výstupní porty jsou zvoleny RB0 RB7. 49

51 Obr. 32 Výstupní obvody vývojové desky PIC Oscilátor může být s krystalem a nebo pro méně náročné aplikace s obvodem RC. Volíme RC oscilátor, který je na obr. 33. Obr. 33 Schéma RC oscilátoru Napájení (VDD = 5V) je řešeno pomocí integrovaného stabilizátoru v doporučeném zapojení od výrobce, který je umístěn na vývojové desce. Schéma je na obr

52 Obr. 34 Napájecí zdroj vývojové desky Složením jednotlivých obvodů získáme celkové schéma vývojové desky zobrazené na obr. 35. Převzaté hodnoty součástek jsou zobrazeny, hodnoty, které budeme určovat zobrazeny nejsou. Výpočtu hodnot bude věnován následující text. Obr. 35 Celkové schéma vývojové desky VÝPOČET HODNOT SOUČÁSTEK Vypočítáme a určíme hodnoty součástek vývojové desky: vstupní obvody: RN1, výstupní obvody: RB0 RB7, LED0 LED7, oscilátor: R4, C1, napájecí obvod: IC2, B1, C2,C4, C5, C6, C7. VSTUPNÍ OBVODY Na obr. 36 jsou zobrazeny dva stavy vstupů - při úrovni L a úrovni H. Je patrné, že musíme určit hodnotu rezistoru RV1. V celkovém schématu tyto rezistory budou přiřazeny ke každému tlačítku. 51

53 Obr. 36 Zapojení vstupních obvodů Při úrovni H - sepnuté tlačítko TL1 - je napětí VDD (UDD = + 5 V) přivedeno na vstup RA0. Proud, který teče do portu je omezen vnitřními obvody PIC na I IH = 1 µa. Odpor rezistoru RV1 volíme tak, aby přes něj protékal proud 10 * IIH. RV 1= U DD 5 = =0,5 106 Ω 6 10 I IH RV1 = 500 kω Při úrovni L - rozepnuté tlačítko TL1 - z PIC teče omezený proud IIL = 1 µa přes rezistor RV1. Napětí na něm nesmí přesáhnout maximální uroveň VIL (UIL = 0,8 V) - napětí na vstupu při úrovni L. RV 1= U IL 0,8 = =0,8 106 Ω I IL RV1 = 800 kω Pro práci PIC je omezením pouze max. hodnota rezistoru RV1 = 800 kω. Hodnotu volíme s ohledem na zatížení zdroje. Při sepnutí tlačítka TL1 obvodem protéká proud v závislosti na veličině RV1. Zvolíme-li hodnotu RV1= 10 kω, potom velikost proudu bude 0,5 ma a zdroj bude zatížen minimálně. I= U DD 5 = =0, A=0,5 ma RV Výkonové zatížení rezistoru RV1 3 3 P R 1=U R 1 I =5 0,5 10 =2,5 10 W V V VÝSTUPNÍ OBVODY Na obr. 37 je zapojení výstupního obvodu portu RB0, kde jsou zobrazeny dva stavy. 52

54 Obr. 37 Zapojení výstupního obvodu portu LED1 svítí - výstup je v log. 1, úroveň H Při pokojové teplotě 25 C je hodnota vnitřního rezistoru ROH= 90 Ω [11]. Při připojení vnějšího obvodu začne protékat výstupní proud v úrovni H IOH. Předřadný rezistor R2 musí zabezpečit stav, kdy na LED je napětí UF a diodou protéká proud IF = IOH. Při tomto stavu LED dioda dostatečně svítí a není přetěžována. V literatuře [3] jsou pro červenou nízkopříkonovou LED L-HLMP-4700 uvedeny hodnoty: UF = 1,7 V, IF = 2 ma. Výstupní napětí při úrovni H bude sníženo o úbytek napětí na ROH: U OUT H =U DD I OH R OH = =4,82V Hodnota rezistoru R2 R2= U OUT H U F 4,82 1,7 = =1560 Ω IF Rezistory na výstupech portů RB0 RB7 mají stejnou hodnotu 1560 Ω. Výkonové zatížení PR2 P R2 =I 2F R 2= =6, W RC OSCILÁTOR Zapojení RC oscilátoru převezmeme z literatury [11] a je uvedeno na obr. 33. Hodnoty součástek jsou: R4 = 4k7, C1 = 22 p. NAPÁJECÍ OBVOD Napájecí obvod je zobrazen na obr Je tvořen integrovaným můstkovým usměrňovačem, monolitickým stabilizátorem + 5 V, filtračními elektrolytickými a blokovacími keramickými kondenzátory. Blokovací kondenzátor C2 je součástí ošetření napájení PIC a je konstrukčně umístěn co nejblíže vývodům VDD a VSS patice PIC. Návrh napájecího zdroje byl rozebrán v úloze 1. Pro činnost vývojové desky je nutné stabilizované napětí VDD U DD= 5 V a minimálně proud I = 50 ma. Vybraný monolitický stabilizátor 78L05 [3] je schopen při výstupním napětí + 5 V dodat proud 100 ma. 53

55 3.4 KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM Celková kontrola činnosti navrženého obvodu je ztížena, ve většině případů nemáme k dispozici modul, který nám simuluje vlastní činnost jednočipového mikropočítače. Zaměříme se jen na prověrku dílčích výpočtů, např. výstupních obvodů. Na obr. 38 je zapojení pro kontrolu činnosti výstupních obvodů. Ověříme si, zda vypočítaná hodnota rezistoru zajistí zvolenou hodnotu proudu ILED (2 ma) při UOUT H = 4,82 V. Obr. 38 Činnost výstupních obvodů Změřené hodnoty potvrzují náš výpočet a volbu. 3.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE Postup a popis je uveden v literatuře [4] a kapitole VÝBĚR SOUČÁSTEK Z KATALOGU A NS EAGLE Výběr součástek je uveden v tabulce 24. Tabulka 24 Výběr součástek z katalogu a NS EAGLE Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis RN1 R4 RB0RB7 Katalog [3] NS EAGLE Knihovna Označení 10k pro obvod každého tlačítka, 2,5 Rezistorová síť RR 4X10K mw resistor-sil G04R 4700 Ω RRU 4K7 rcl/r-eu R-EU_0207/ Ω, 6,24 mw RRU 1K6 rcl/r-eu R-EU_0207/10 54

56 Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis Katalog [3] NS EAGLE Knihovna Označení C1 22 p, keramický CK22P/500V(rozměry: 5x3 / RM= 5 mm) rcl/c-eu C-EU050024X044 C2 100n, keramický CK100N/63V(rozměry: 5x3 / RM= 5 mm) rcl/c-eu C-EU050024X044 C4 100 µf, 11,6 V E100M/50V (8 x 11,5, RM=5 mm) rcl/cpoleu CPOL-EUE5-8,5 C5 100n, keramický CK100N/63V(rozměry: 5x3 / RM= 5 mm) rcl/c-eu C-EU050024X044 C6 100n, keramický CK100N/63V(rozměry: 5x3 / RM= 5 mm) rcl/c-eu C-EU050024X044 C7 100 µf, 5 V E100M/50V (8 x 11,5, RM=5 mm) rcl/cpoleu CPOL-EUE5-8,5 L-HLMP-4700 led LED/ LED 5mm LED0 červená, nízkopříkonová, LED7 5 mm, IC1 PIC16F84A na desce plošných spojů bude patice DIL18 ic-package DIL18/DIL189S IC2 + 5 V, 50 ma 78L05 v-reg 78LXX B1 9V AC, 50 ma B250C1000DIL rectifier B- DIL tlačítka do plošných spojů P-DT6GN switchmisc DT/ DT6 konektorové kolíky lámací 2 S1G20/2 pinhead PINHD-1X2 TL0 TL3 X SCHÉMA VÝVOJOVÉ DESKY Schéma obvodu je zobrazeno na obr

57 Obr.39 Vývojová deska Poznámka k obr. 39: - ve schématu je na pozici IC1 zobrazen jednočipový mikropočítač, na desce však bude osazena patice DIL18. Zájemci mohou celé schéma přepracovat a umístit v něm patici DIL18, musí však respektovat čísla jednotlivých vývodů. 3.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE Postup a popis je uveden v literatuře [4] a kapitole 1. Na obr. 40, 41 jsou varianty řešení - pohled ze strany pouzder a motiv plošných spojů. Obr. 40 Pohled ze strany pouzder 56

58 Obr. 41 Motiv spojů 3.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ SCHÉMA OBVODU Provedeme tisk schématu vývojové desky na obr. 39 SEZNAM SOUČÁSTEK Výstup: Textový formát - PARTS: Partlist exported from C:/Program Files/EAGLE-4.11/projects/VD2/vdeska84b.sch at :55:08 Part Value Device Package Description B1 C1 C2 C4 C5 C6 C7 IC1 IC1A IC2 LED0 LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 B250C1000DIL 22p 100n E100M/50V 100n 100n E100M/50V PIC16F84AP B-DIL C-EU X044 C-EU X044 CPOL-EUE5-8.5 C-EU X044 C-EU X044 CPOL-EUE5-8.5 PIC16F84AP DIL18S 78LXX LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM B-DIL C X044 C X044 E5-8,5 C X044 C X044 E5-8,5 DIL18 SOCKED-18 78LXX LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM RECTIFIER CAPACITOR CAPACITOR POLARIZED CAPACITOR CAPACITOR CAPACITOR POLARIZED CAPACITOR MICROCONTROLLER Dual In Line VOLTAGE REGULATOR LED LED LED LED LED LED LED LED 78L05 57

59 R4 RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 RN1 TL0 TL1 TL2 TL3 X1 4k7 1k6 1k6 1k6 1k6 1k6 1k6 1k6 1k6 10k DT6 DT6 DT6 DT6 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 R-EU_0207/10 G04R DT6 DT6 DT6 DT6 AK500/2 0207/ / / / / / / / /10 SIL5 DT6 DT6 DT6 DT6 AK500/2 RESISTOR RESISTOR RESISTOR RESISTOR RESISTOR RESISTOR RESISTOR RESISTOR RESISTOR SIL RESISTOR ITT SWITCH ITT SWITCH ITT SWITCH ITT SWITCH CONNECTOR POHLED ZE STRANY POUZDER SOUČÁSTEK Tiskneme pohled ze strany pouzder součástek, který je na obr. 40. POHLED ZE STRANY SPOJŮ Na obr. 41 je zobrazen pohled ze strany spojů, který je připraven k tisku. 3.8 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE Hodnocení jednotlivých úkolů je v tabulce 25. Počet bodů CELKEM 5 10 X Dosažený počet bodů Počet bodů X Hodnocení V předcházejících obvodech jsme využívali klasické vývodové součástky. Zmenšování konstrukcí a zvyšování počtu součástek na deskách nutně vede k použití povrchově montovatelných součástek SMD (Surface Mounted Devices) a použití technologie povrchové montáže SMT (Surface Mounted Technology). Návrh obvodů a plošných spojů má svá specifika, která jsou podrobně popsána v literatuře [5]. Na příkladu blikače s SMD si ukážeme použití NS Eagle při návrhu plošného spoje pro SMT. 58

60 4 BLIKAČ S SMD 4.1 ZADÁNÍ ELEKTRICKÉ PARAMETRY VSTUPNÍ: napájení napětí 5 V DC. FUNKCE: ovládání modré LED, cyklus - dva krátké záblesky LED a následná delší pauza. KONSTRUKČNÍ PODKLADY připojení napájecího napětí je pomocí konektorových kolíků lámacích, na výstupu je použita modrá LED, jednostranný plošný spoj pro SMT, rozměr 26 x 45 mm. DOPORUČENÉ SOUČÁSTKY výběr SMD z Katalogu GME. ROZMĚRY KONSTRUKCE Na obr.42. jsou uvedeny rozměry desky, zadané rozmístění konektorových kolíků. Obr. 42 Rozměry, rozmístění součástek a otvorů 59

61 4.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE postup a hodnocení jednotlivých úkolů jsou uvedeny v tabulce 1, bod 3.- je uveden pro kontrolu výpočtu hodnot součástek a demonstraci vlivu jejich změny na činnost obvodu - do hodnocení práce v NS Eagle se nezapočítává, celkové hodnocení práce je dáno součtem bodů podle tabulky 2. NÁVRH OBVODU NÁVRH OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ Obvod se skládá z časovače 555 a IO Časovač je zapojen v astabilním módu činnosti a vyrábí řídící hodinové signály pro 5ti stupňový Johnsonův čítač Po připojení hodinových impulsů se začnou v okamžiku náběžné hrany postupně objevovat na výstupech 4017 log. 1. Při příchodu další náběžné hrany hodinového impulsu se log. 1 přesune na další výstup. Proces se cyklicky opakuje. Na výstupech Q0 a Q2 je zapojen spínací tranzistor pro LED. Zapojením výstupů zajistíme zadaný cyklus záblesků LED. Zapojení blikače je na obr. 43. Obr. 43 Zapojení blikače SMD VÝPOČET HODNOT SOUČÁSTEK VÝPOČET HODNOT SOUČÁSTEK ČASOVAČE Pro návrh časovače v astabilním modu můžeme využít literaturu [8, 9]. Výstupní kmitočet časovače pro zadaný cyklus záblesků je vhodný přibližně od 2 do 3 Hz. Za použití monogramu v literatuře [9] zvolíme hodnoty R1 = R2 = M22, C1 = 1µF. Dodatečně si můžeme návrh zkontrolovat výpočtem a případnou simulací. 60

62 f= 1,49 1,49 = =2,25 Hz [ R1 2R 2 C1] [ ] VÝPOČET HODNOT OBVODU SPÍNÁNÍ LED REZISTOR R5 K signalizaci použijeme LED 5MM MODRA 3000mcd/30 [3]. Zvolená dioda má následující parametry: UF = 3,5V, IF = 20 ma. R5= U CC U F 5 3,5 = =75 IF Z důvodu snížení namáhání tranzistoru Q1 volíme hodnotu R5 = 100 Ω. Proud IF = IC klesne na 15 ma. REZISTORY R3, R4 Tranzistor Q1 BC848B je zapojen jako spínač má parametry [3]: hfe = (ß), Ptot = 0,25 W. I C =I B I B= IC Volíme ß= 300 Činitel nasycení volíme s = 2, potom I B= I C = = A 300 I 'B =s I B= = A U R3=U LOG1 U BE =5 0,7=4,3 V R3= 4.4 U R3 I ' B = 4,3 =43000 R3 = R4 = 43 kω KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM Zaměříme se na obvodové veličiny spínacího tranzistoru Q1- I B, UBE, IC. Na obr. 44 jsou zobrazeny jejich hodnoty, které odpovídají výpočtu. 61

63 Obr. 44 Obvodové veličiny spínacího tranzistoru Q1 4.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMA BLIKAČE SMD Postup při vytvoření schéma je stejný jako v předchozích případech. Při výběru součástek z knihoven vybíráme součástky, které jsou vhodné pro povrchovou montáž. V otevřené knihovně si jednotlivá pouzdra můžeme prohlédnout a vybrat vhodné pro SMT. Na obr. 45 je otevřené okno knihovny s integrovaným obvodem 4017D. Obr. 45 Knihovna s integrovaným obvodem 4017D Na obrázku vidíme, že máme možnost si vybrat z dvou provedení pouzdra, vybíráme vhodné pro náš účel SO16. 62

64 4.5.1 NAPÁJENÍ INTEGROVANÝCH OBVODŮ Při umístění integrovaného obvodu na plochu pozorný čtenář zjistí, že nemá vývody pro napájení. Při pohledu na obr. 45 jsou napájecí vývody vidět - vývod 8 VSS (-) a vývod 16 VDD (+). Z knihoven Supply1 a Supply2 si vybereme odpovídající značky pro napájení, umístíme na vhodné místo ve schématu a připojíme na odpovídající potenciály napájení. Při návrhu plošného spoje se automaticky připojí napájení na odpovídající vývody integrovaného obvodu. POZNÁMKA: Využíváme vlastnost NS - všechna místa ve schématu a nebo na desce plošných spojů se stejným jménem se automaticky propojí. Tuto metodu můžeme využít i v ostatních případech, kdy chceme mít schéma jednoduché - zbytečné vodiče (z grafického pohledu) rozvádějící napájení do jednotlivých míst odstraníme použitím symbolů z knihoven Supply 1 a 2. Obdobně můžeme postupovat i u ostatních spojů a signálů s využitím ikony Label a při tvorbě sběrnic Bus VÝBĚR SOUČÁSTEK Z KATALOGU A NS EAGLE Přehled součástek je uveden v tabulce 26. Tabulka 26 Výběr součástek z katalogu a NS EAGLE Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis Katalog [3] NS EAGLE Knihovna Označení R1 M22 RR+220K SMD,vel.: 1206 rcl/r-eu M1206 R2 M22 RR+220K SMD,vel.: 1206 rcl/r-eu M1206 R3 43k RR+43K SMD,vel.: 1206 rcl/r-eu M1206 R4 43k RR+43K SMD,vel.: 1206 rcl/r-eu M1206 R5 100R RR+100R SMD,vel.: 1206 rcl/r-eu M1206 C1 1µF, tantalový, 16V CTS 1M/16V A, pouzdro: A rcl/cpol-eu EUCT3528 D1 1N4148 1N4148SMD, SOD80C diode/diode SOD80C LED 5MM MODRA 3000mcd/30 led/led LED5MM LED1 Modrá, 5 mm IC1 LM555 NE555 SMD linear/555 SE555D IC SMD 40xx/ D Q1 BC848B BC848B transistornpn/bc848 BC848B SMT JP1 konektorové kolíky lámací 1 S1G20 pinhead PINHD-1X1 JP2 konektorové kolíky lámací 1 S1G20 pinhead PINHD-1X SCHÉMA BLIKAČE Schéma blikače je zobrazeno na obr

65 Obr. 46 Blikač SMD 4.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE Při návrhu plošného spoje pro povrchovou montáž si musíme uvědomit, v jakých vrstvách pracujeme a jaké používáme součástky. Možné varianty: V KONSTRUKCI JSOU POUZE SMD pracujeme ve vrstvách: plošné spoje : 1 - Top, gumové spoje: 19 - Unrouted, ohraničení desky: 20 - Dimensions, obrysy pouzder: 21 - tplace, uchopovací značky: 23 - torigins, potisk - jména pouzder součástek: 26 - tnames, potisk - obrysy pouzder: 51 - tdocu. V KONSTRUCI JSOU OBA DRUHY SOUČÁSTEK - náš případ pracujeme ve vrstvách: pro SMD - 1, 19, 20,21, 23, 26, 51 - pro vývodové součástky + 16, 17, 18, 22, 24, 25, 52. Na obr. 47 a 48 jsou zobrazeny možné varianty návrhu plošného spoje blikače. 64

66 Obr. 48 Pohled ze strany pouzder Obr. 47 Motiv plošného spoje 4.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ SCHÉMA OBVODU Vytiskneme schéma blikače, které je na obr. 46 SEZNAM SOUČÁSTEK Výstup: Textový formát - PARTS: Partlist exported from D:/tonda1205/SMDblik/SMD1.sch at :15:03 Part C1 D1 IC1 IC2 JP1 JP2 LED1 Q1 R1 R2 R3 R4 R5 Value CTS1M/16V 1N4148SMD SE555D 4017D PINHD-1X1 PINHD-1X1 BLUE BC848BSMD M22 M22 43k 43k 100 Device CPOL-EUCT3528 DIODE-SOD80C SE555D 4017D 1X01 1X01 LED5MM BC848BSMD R-EU_M1206 R-EU_M1206 R-EU_M1206 R-EU_M1206 R-EU_M1206 Package CT3528 SOD80C SO08 SO16 LED5MM SOT23 M1206 M1206 M1206 M1206 M1206 Description POLARIZED CAPACITOR DIODE TIMER COUNTER/DIVIDER PIN HEADER PIN HEADER LED NPN Transistor RESISTOR, European symbol RESISTOR, European symbol RESISTOR, European symbol RESISTOR, European symbol RESISTOR, European symbol POHLED ZE STRANY POUZDER SOUČÁSTEK Před tiskem obr. 48 v E PCB si zobrazíme vrstvy: 17, 18, 20, 21,

67 POHLED ZE STRANY SPOJŮ Před tiskem obr. 47 v E PCB si zobrazíme vrstvy: 1, 17, 18, ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE Hodnocení jednotlivých úkolů je v tabulce 27. Počet bodů CELKEM 5 10 X Dosažený počet bodů Počet bodů X Hodnocení 66

68 5 ROZŠÍŘENÍ KNIHOVEN NS EAGLE Při zpracování technické dokumentace musíme často řešit rozšíření stávajících knihoven NS o nové součástky a obvody. Můžeme využít informace na domovské stránce výrobce, kde si stáhneme nové knihovny. Složitější situace nastává, když využíváme při návrhu nové součástky a obvody - součástky si můžeme vytvořit v editoru knihovny. Jako příklad jsem zvolil vytvoření knihovny inteligentního modulu pro bezdrátovou komunikaci v pásmu 868 MHz. Technologie IQRF je Inteligentní řešení pro bezdrátovou komunikaci. Představuje kompletní systém obsahující vše potřebné pro vývoj bezdrátových aplikací. Od samotné vysokofrekvenční části, doplněné o mikroprocesor (u f. MICRORISC architektury PIC dle modulu PIC16LF819, nebo nově připravované PIC16LF88 či dspic) a běžící na vlastním operačním systému umožňujícím jednoduchý a rychlý vývoj aplikací. K dispozici tak jsou jak obsluhovaná datová rozhraní, tak binární vstupy a výstupy, případně i A/D převodník. Všechny tyto vlastnosti výrazně rozšiřují možnosti použití technologie IQRF[12]. Příklady použití - dálkové ovládání, bezdrátová teplotní a vlhkostní čidla, inteligentní termostaty se vzdálenou správou, bezdrátový přenos dat po I2C, bezdrátový přenos dat pro SPI, dálkové ovládání pro zabezpečovací zařízení, obousměrné dálkové ovládání pro zabezpečovací zařízení s pagerem, router - převaděč signálu pro větší dosah, implementace v tzv. inteligentních domech [12]. Rozhodně tuto technologii můžeme využít v různých mechatronických sestavách, a proto jsem zařadil následující příklady do tohoto materiálu. Stručná charakteristika modulů - modulární systém pro 433, 868 nebo 916 MHz (jen USA a Jižní Afrika). Vysílací výkon 1 mw dosah až 200 m ve volné krajině. Vnitřní rychlost modulů (RF část) s operačním systémem je 20kb/s, "true speed" je dynamická a při 32B paketech je cca 12kb/s, ve vývoji je verze s předpokládanou rychlostí 600 kb/s postavená na dspic, A/D, I2C, SPI a univerzálními vstupně - výstupními rozhraními. K dispozici je kompletní rodina transceiverů, včetně vývojových kitů. VF část od f. RFM má vysokou stabilitu a přesnost nosné frekvence, použitá modulace je ASK [12]. Pohled na modul je na obr. 49. Obr. 49 Pohled na modul IQRF 67

69 Moduly IQRF využiji při návrhu vysílače a přijímače pro dálkové ovládání v dalších úlohách. Tvorbu nové součástky (obvodu) je vhodné si rozdělit do následujících kroků: příprava podkladů, tvorba knihovny součástky - modulu, kontrola součástky (obvodu) ve schématu a při návrhu desky plošného spoje. 5.1 PŘÍPRAVA PODKLADŮ Vycházíme z dokumentací k modulům, které jsou k dispozici na a V literatuře [13] je uveden kompletní popis Transceiver module MHz TR Především nás bude zajímat rozmístění připojovacích plošek, jejich určení a mechanické rozměry celého modulu. Na obr. 50 je pohled na rozmístění a určení vývodů při pohledu shora, na obr. 51 jsou mechanické rozměry modulu. Pro ilustraci je na obr. 52 zobrazen osazený modul. Obr. 50 Rozmístění a určení vývodů modulu IQRF 68

70 Obr. 51 Rozměry modulu Obr. 52 Pohled na osazený modul 5.2 TVORBA KNIHOVNY SOUČÁSTKY - MODULU Do editoru knihoven se dostaneme z Control Panelu (CP). Postup: File New - Library. Název knihovny si uložíme: File - Save as. V případě, že chceme novou součástku umístit do existující knihovny, použijeme v CP: File- Open- Library. Postup vytvoření nové součástky je založen na principu - nejdříve vytvoříme schématickou značku (Symbol), které přidáme pouzdro (Package). V závěru provedeme sloučení a vytvoříme součástku (Device). Otevřené okno editoru knihoven je na obr

71 Obr. 53 Editor knihoven VYTVOŘENÍ SCHÉMATICKÉ ZNAČKY V okně editoru knihoven klikneme na ikonu Symbol (Schématická značka), založíme s využitím dokumentace [13] novou schématickou značku - iqrf. Pohled na obrazovku při kreslení schématické značky je na obr. 54. Obr. 54 Kreslení schématické značky 70

72 Postup: Symbol kreslíme okolo počátku souřadnic, budoucí uchopovací značky. Schématickou značku vytvoříme pomocí nástrojů pro kreslení ve vrstvě 94 - Symbols. Tloušťku čáry volíme 10 mil.. Vhodný rastr je 100 (50) mil. a v průběhu návrhu ho neměníme. Pomocí ikony Pin a rozvinuté nabídky typů vložíme připojovací místa. Pomocí ikony Change (Změna) můžeme upravit vzhled (Function), typ (Direction), délku (Lenght), viditelnost (Visible). Pomocí ikony Name změníme pojmenování vývodů. Do vrstvy 95 - Names vložíme >NAME. Do vrstvy 96 - Values vložíme >VALUE. Výsledek uložíme. Pohled na okno editoru knihoven s vytvořenou schématickou značkou modulu IQRF je na obr. 55. Obr. 55 Vytvořená schématická značka modulu IQRF Při vytváření nové klasické součástky přistoupíme k editaci pouzdra. Pouzdro můžeme převzít i z jiné knihovny a nebo si ho vytvořit nové. V našem případě je to konstrukce na plošném spoji modul, který má rozměry a přesně definované vývody TVORBA MODULU (POUZDRA) Při tvorbě vycházíme z obr. 50 a 51 a respektujeme rozmístění a funkci vývodů, rozměry modulu. 71

73 Postup: Práci zahájíme kliknutím na ikonu Package (Pouzdro). V okně EDIT si nové pouzdro nazveme IQRF a po kliknutí na OK se přepneme do okna určeného k vytvoření pouzdra, které je zobrazeno na obr. 56. Obr. 56 Okno pro vytvoření pouzdra Podle rozměrů na obr. 51 vložíme pájecí plošky. Předpokládáme, že modul upevníme na základní desku konstrukce pomocí konektorových kolíků lámacích RM 2,54 S1G. Volíme podlouhlou plošku (Long, poměr stran je 1:2) o rozměru 56 mil. (1,42 mm), průměr otvoru je 12 mil. (0,3 mm). Poznámka - průměr otvoru se zdá být malý, ale při vrtání desky nám vystředí vrták do středu plošky. Na obr. 57 je zobrazen pohled na okno ve kterém zadáváme parametry plošky. Obr. 57 Zadání parametrů plošky Plošky se automaticky ukládají do vrstvy 17 - Pads. Při návrhu plošného spoje jsou plošky pro klasické vývodové součástky ve vrstvě 16 - Bottom, pro SMD ve vrstvě 1 - TOP. Pomocí ikony Name můžeme změnit názvy plošek. Viditelnost názvů plošek volíme Option- Set- Misc- Display pad names. Do vrstvy 21 - tplace umístíme motiv potisku (obrys pouzdra, znaky 72

74 pro orientaci, číslování vývodů...). Do vrstvy 25 - tnames vložíme >NAME. Do vrstvy 27 - tvalues vložíme >VALUE. V okně Description můžeme editovat popis, v našem případě - MODUL IQRF MICRORISC Jičín, CZ. Výsledek uložíme VYTVOŘENÍ SOUČÁSTKY Postup: Kliknutím na ikonu Device (Součástka) otevřeme editační okno. Kliknutím na ikonu ADD (Přidat) vložíme potřebný symbol modulu. Pomocí ikony Name můžeme ještě změnit jména vývodů. Pohled na okno editace součástky je na obr. 58. Obr. 58 Okno editace součástky Podle obr. 50 propojíme vývody součástky s pájecími ploškami - ikona New a ikona Connect. Pomocí ikony Prefix určíme označení modulu, které bude zobrazeno zobrazeno při návrhu plošného spoje (Name) u pouzdra. Po kontrole výslednou součástku uložíme. Otevřené okno pro připojení vývodů a plošek modulu je na obr

75 Obr. 59 Okno připojení vývodů a plošek modulu KONTROLA VYTVOŘENÉ SOUČÁSTKY Okno nově vytvořené knihovny iqrf.lbr je na obr. 60. Obr. 60 Otevřené okno nové knihovny iqrf 74

76 Při závěrečné kontrole v editorech NS prověříme, zda vytvořená knihovna odpovídá požadavkům dokumentace k modulu IQRF: SCH E - popis a úplnost vývodů schématické značky, popis (NAME, VALUE), E PCB - rozměr pájecích plošek, průměr otvoru pro vývody, vzdálenosti mezi vývody, celkový rozměr modulu, zobrazení popisů (NAME, VALUE). Na závěr vytvoříme pracovní schéma s modulem a prověříme, zda po přechodu do E PCB došlo k propojení vývodů a zkontrolujeme celkové rozměry a rozteče vývodů. Na obr. 61 je příklad kontroly. Kontroloval jsem připojení konektoru pro programování, propojení všech vývodů GND a rozměry. Pro přehlednost jsou v pohledu E PCB barvy invertovány. Obr. 61 Kontrola návrhu modulu ZÁVĚR - došlo k propojení odpovídajících vývodů, rozměry odpovídají dokumentaci a obr. 51. Vytvořenou knihovnu můžeme využít při další práci. V dalších příkladech si ukážeme použití inteligentních modulů IQRF v jednoduchém dálkovém ovládání. Navrhneme vysílač a přijímač dálkového ovládání v pásmu 868 MHz. 75

77 6 VYSÍLAČ DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ IQRF TX 868 MHz 6.1 ZADÁNÍ ELEKTRICKÉ PARAMETRY: napájení z baterie umístěné na desce 3V CR1/2, výstupní kmitočet f = 868,35 MHz, vertikální vysílací anténa λ/4, počet kanálů - 2, programování přes konektor SPI, indikace vysílání - nízkopříkonová LED červená. KONSTRUKČNÍ PODKLADY: jednostranný plošný spoj o rozměru 50 x 75 mm, max. výška 40 mm, otvory o průměru 3 mm jsou pro upevnění pomocí distančních sloupků DA5M3X10 na zkušební desku, rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů, jsou uvedeny na obr.62. DOPORUČENÉ SOUČÁSTKY: modul TR od f. IQI s.r.o., Jičín, výběr součástek z Katalogu GME, připojení antény λ/4 pomocí patice precizní typu AWRF20Z-6,9, připojení modulu k desce pomocí konektorových kolíků lámacích S1G, konektor pro SPI - konektorové kolíky lámací S1G, zapnutí napájení pomocí přepínače DIP, aktivace kanálů DO pomocí tlačítek P-B1720E. ROZMĚRY DESKY Rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů je na obr

78 Obr. 62 Rozměry a rozmístění prvků a otvorů konstrukce 6.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE postup a hodnocení jednotlivých úkolů jsou uvedeny v tabulce 1, bod 3.- je uveden pro kontrolu výpočtu hodnot součástek a demonstraci vlivu jejich změny na činnost obvodu - do hodnocení práce v NS Eagle se nezapočítává, celkové hodnocení práce je dáno součtem bodů podle tabulky 2. NÁVRH OBVODU NÁVRH OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ Obvodové řešení jsem převzal z firemní dokumentace f. MICRORISC s.r.o [13], které jsem upravil. Doplnil jsem spínač napájení S1, konektor SPI X2 a konektor pro volbu napájení modulu IQRF (6,7) X3. Na obr. 63 je převzaté schéma zapojení vysílače dálkového ovládání. 77

79 Obr. 63 Schéma zapojení vysílače DO VÝPOČET HODNOT SOUČÁSTEK Pro indikaci jsem zvolil červenou LED L-3MM2MA/R, která má následující parametry: UF = 1,9 V IF = 2 ma Výpočet hodnoty předřadného rezistoru R1: R1= U OUT 1 U F 3 1,9 = =550 IF Z řady E24 vybíráme hodnotu R1= 560R. 6.4 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE Postup a popis je uveden v literatuře [4] a kapitole VÝBĚR SOUČÁSTEK Z KATALOGU A NS EAGLE Přehled součástek je uveden v tabulce 28. Tabulka 28 Výběr součástek z katalogu a NS EAGLE Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis NS EAGLE Katalog [3] Knihovna Označení R1 550 Ω MRR 560R rcl/r-eu R-EU_0204/7 V1 červená, nízkopříkonová, 3 mm L-3MM2MA/R led LED/ LED 3mm A1 TR TR iqrf (vlastní) TR X1 patice precizní AWRF20Z-6,9 pinhead PINHD-1X1 78

80 Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis NS EAGLE Katalog [3] Knihovna Označení X2 konektorové kolíky lámací S1G20/4 pinhead PINHD-1X4 X3 konektorové kolíky lámací + zkratovací propojka S1G20/2 jumper JP1E S1 přepínač DIP DIP2B switch- dil DIP02YL P-B1720E switch- omron 10- XX B-CR1/2AASLF battery CR1/2 S2, S3 spínače tlačítkové G baterie SCHÉMA VYSÍLAČE DO Schéma vysílače DO je zobrazeno na obr. 64. Obr. 64 Schéma vysílače DO 6.5 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE Podle zadání navrhneme jednostranný plošný spoj metodou jednotných vodičů. Vzhledem k tomu, že se jedná o vysokofrekvenční zapojení, je využita i metoda rozlití mědi a vytvořená plocha tvoří GND. Tím je zajištěna i spolehlivá činnost vysílací antény λ/4, zejména její vyzařovací charakteristika. Pohled ze strany pouzder je na obr. 65 a motiv plošného spoje je na obr

81 Obr. 65 Pohled ze strany pouzder Obr. 66 Motiv plošného spoje 6.6 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ SCHÉMA OBVODU Provedeme tisk schéma vysílače DO, které je na obr. 64. SEZNAM SOUČÁSTEK Výstup: Textový formát PARTS: Partlist exported from D:/tonda1205/IQRFprojekt/eagle/tx868.sch at :58:47 Part Value Device Package Description A1 G1 R1 TR CR1/2 560 IQRF CR1/2 R-EU_0204/7 IQRF CR1/2 0204/7 RF modul MHz, LI BATTERY RESISTOR, European symbol 80

82 S1 S2 S3 V1 X1 X2 X3 DIP02YL 10-XX 10-XX RED ANT PINHD-1X1 PINHD-1X4 JP1E DIP02YL B3F-10XX B3F-10XX LED3MM 1X01 1X04 JP1 DIL/CODE SWITCH OMRON SWITCH OMRON SWITCH LED3MM LED PIN HEADER PIN HEADER JUMPER POHLED ZE STRANY POUZDER SOUČÁSTEK Pohled ze strany pouzder je na obr. 65 a je možné ho vytisknout. POHLED ZE STRANY SPOJŮ Na obr. 66 je připravena možná varianta plošných spojů. 6.7 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE Hodnocení jednotlivých úkolů je v tabulce 28. Počet bodů CELKEM 5 10 X Dosažený počet bodů Počet bodů X Hodnocení 81

83 7 PŘIJÍMAČ DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ IQRF RX 868 MHz 7.1 ZADÁNÍ ELEKTRICKÉ PARAMETRY: napájení z vnějšího zdroje 12V (X1, typ svorkovnice - ARK), pracovní kmitočet f = 868,35 MHz, vertikální přijímací anténa λ/4, počet kanálů - 2, programování přes konektor SPI, možnost sepnutí zátěže v každém kanále 24V/ 1A. KONSTRUKČNÍ PODKLADY: jednostranný plošný spoj o rozměru 80 x 100 mm, max. výška 40 mm, otvory o průměru 3 mm jsou pro upevnění pomocí distančních sloupků DA5M3X10 na zkušební desku, výstupy kanálů pro sepnutí zátěže řešit pomocí svorkovnice typu ARK X2-1. kanál, X3-2. kanál), konektor pro SPI - konektorové kolíky lámací S1G (X4), rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů jsou uvedeny na obr. 67. DOPORUČENÉ SOUČÁSTKY: modul TR od f. IQI s.r.o., Jičín, výběr součástek z Katalogu GME, připojení antény λ/4 pomocí patice precizní typu AWRF20Z-6,9, připojení modulu k desce pomocí konektorových kolíků lámacích S1G. ROZMĚRY DESKY Rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů je na obr

84 Obr. 67 Rozměry a rozmístění prvků 7.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE postup a hodnocení jednotlivých úkolů jsou uvedeny v tabulce 1, bod 3.- je uveden pro kontrolu výpočtu hodnot součástek a demonstraci vlivu jejich změny na činnost obvodu - do hodnocení práce v NS Eagle se nezapočítává, celkové hodnocení práce je dáno součtem bodů podle tabulky 2. NÁVRH OBVODU NÁVRH OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ Schéma přijímače se skládá z: obvodu VF modulu TR , napájecí obvod, obvodů spínání 1. a 2. kanálu. Obvod VF modulu je zapojen podobným způsobem jako v předcházející úloze. Opět byla použita dokumentace výrobce IQRF modulů [13]. Napájecí obvod zabezpečuje napájení obvodů spínání jednotlivých kanálů (12V DC) a napájení vlastního modulu IQRF (3V DC STAB). Vytvoření napětí 3V DC STAB je řešeno pomocí integrovaného 3V stabilizátoru s nízkou spotřebou HOLTEK HT K jeho napájení je využito napětí 12V DC, které je také určeno pro napájení obvodů spínání kanálů. Charakteristiky a doporučené zapojení stabilizátoru, které bylo převzato, jsou uvedeny v [14]. Na obr. 68 je zobrazen upravený napájecí obvod přijímače. 83

85 Obr. 68 Napájecí obvod přijímače DO Obvody spínání obou kanálů jsou identické. Skládají se ze spínacího tranzistoru a relé s ochrannou diodou. Zapojení je na obr. 69. Obr. 69 Obvody spínání 84

86 7.3.2 VÝBĚR A VÝPOČET HODNOT SOUČÁSTEK RELÉ K1, K2 - našemu zadání vyhoví RELEM4-12H, které má následující parametry [3]: UCÍVKY = 12 V, RCÍVKY = 960 Ω, UMAX.SP = 125 V AC/ 30 V DC, PMAX.SP = 125 VA/ 30 W. TRANZISTORY Q1, Q2 Tranzistory pracují v režimu spínač. Při sepnutí tranzistoru poteče kolektorový proud IC, který bude omezen odporem cívky relé. IC= U CC 12 = =12, A=12,5 ma RCÍVKY 960 Z katalogu vybíráme pro náš účel tranzistor BC337-16, který má parametry [3]: hfe = (ß), UCE0 = 45 V, IC MAX = 0,5 A, Ptot = 0,8 W. I C =I B I B= Volíme ß=100 I B= IC I C 12, = =12, A 100 Činitel nasycení volíme s = 2, potom I 'B =s I B=2 12,5 10 5= A U R1 =U OUT U BE=3 0,7=2,3 V R1= U R1 I ' B = 2,3 = z řady E24 vybíráme R1 = R2 = 10 kω DIODY D1, D2 Ochranné diody volíme z katalogu [3] - 1N KONTROLA ČINNOSTI SIMULAČNÍM PROGRAMEM Při kontrole činnosti se zaměříme na ověření režimu práce tranzistorů Q1, Q2 ve spínacím režimu. Na obr. 70 je zobrazen stav při rozepnutém a sepnutém tranzistoru Q1 v 1. kanálu. Zobrazené hodnoty IC, IB potvrzují správnost našeho výpočtu. O funkci obvodu svědčí i poloha pracovních kontaktů relé K1. Obdobným 85

87 způsobem se chová zapojení spínacího obvodu 2. kanálu. Obr. 70 Ověření činnosti spínacího obvodu Poznámka- odchylka hodnoty IC je způsobena tím, že v simulačním programu EWB má cívka relé odpor RCÍVKY = 1000 Ω. 7.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE Postup a popis je uveden v literatuře [4] a kapitole VÝBĚR SOUČÁSTEK Z KATALOGU A NS EAGLE Přehled součástek je uveden v tabulce 29. Tabulka 29 Výběr součástek z katalogu a NS EAGLE Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis A1 Katalog [3] NS EAGLE Knihovna Označení TR TR iqrf (vlastní) TR BC337 BC transistor-npn BC337 3V stabilizátor HOLTEK HT v-reg 79LXX D1,D2 dioda 1N4148 diode 1N4148 K1,K2 relé RELEM4-12H relay G6A-234P C1,C2 10 μf E10M/50VT rcl/cpol-eu E2-5 R1 10 kω R W K rcl/r-eu R-EU_0204/7 R2 10 kω R W K rcl/r-eu R-EU_0204/7 patice precizní AWRF20Z-6,9 pinhead PINHD-1X1 X1 svorkovnice ARK500/2 con-ptr 500 AK500/2 X2 svorkovnice (2ks) ARK500/3 con-ptr 500 AK500/6 X3 Svorkovnice (2ks) ARK500/3 con-ptr 500 AK500/6 Q1,Q2 IC1 ANT1 86 1)

88 Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis NS EAGLE Katalog [3] Knihovna Označení X4 konektorové kolíky lámací S1G20/4 pinhead PINHD-1X4 JP1 konektorové kolíky lámací + zkratovací propojka S1G20/2 jumper JP1E 1) dodává firma [15] SCHÉMA PŘIJÍMAČE DO Schéma přijímače DO je zobrazeno na obr. 71. Obr.71 Schéma přijímače DO 7.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE Podle zadání navrhneme jednostranný plošný spoj metodou jednotných vodičů. Vzhledem k tomu, že se jedná o vysokofrekvenční zapojení, je využita metoda rozlití mědi a vytvořená plocha tvoří GND. Tím je zajištěna i spolehlivá činnost přijímací antény λ/4, zejména její přijímací charakteristika. Pohled ze strany pouzder je na obr. 72 a motiv plošného spoje je na obr

89 Obr. 72 Pohled ze strany pouzder Obr. 73 Motiv plošného spoje 7.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ SCHÉMA OBVODU Na obr. 71 je zobrazeno schéma přijímače dálkového ovládání, které můžeme vytisknout. 88

90 SEZNAM SOUČÁSTEK Výstup: Textový formát - PARTS: Partlist exported from E:/RX/RX.sch at :09:48 Part Value Device Package Description A1 IC1 Q1 D1 D2 Q2 ANT1 C1 C2 R1 R2 JP1 K1 K2 X1 X2 X3 X4 IQRF HT BC N4148 1N4148 BC IQRF 79LXX BC337 1N4148 1N4148 BC337 ANTENNA CPOL-EUE2-5 CPOL-EUE2-5 R-EU_0204/7 R-EU_0204/7 JP1 G6A-234P G6A-234P AK500/2 AK500/6 AK500/6 PINHD-1X4 IQRF 79LXX TO92 DO35-10 DO35-10 TO92 PAD-01 E2-5 E /7 0204/7 JUMPER G6A-234P G6A-234P AK500/2 AK500/6 AK500/6 1X04 RF modul MHz, VOLTAGE REGULATOR NPN Transistor DIODE DIODE NPN Transistor E10M/50VT E10M/50VT 10k 10k JP1E G6A-234P G6A-234P POLARIZED CAPACITOR POLARIZED CAPACITOR RESISTOR RESISTOR RELAY RELAY CONNECTOR CONNECTOR CONNECTOR PIN HEADER POHLED ZE STRANY POUZDER SOUČÁSTEK Tiskneme pohled ze strany pouzder součástek, který je na obr. 72. POHLED ZE STRANY SPOJŮ Pohled ze strany spojů, kde část návrhu je řešena metodou rozlité mědi, je připraven k tisku na obr ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE Hodnocení jednotlivých úkolů je v tabulce 30. Počet bodů CELKEM 5 10 X Dosažený počet bodů Počet bodů X Hodnocení 89

91 ZÁVĚR Čtenář, který projde všechny příklady, získá představu o možnostech návrhového systému EAGLE a bude schopen provést návrh a zpracování dokumentace k jednoduchému elektronickému obvodu. Toto jsou nezbytné předpoklady k dalšímu samostatnému rozšíření svých znalostí a praktických dovedností. A komu knížka nestačí, musí stejně po období pokusů sáhnout k originálnímu manuálu. Dále jsem přesvědčen, že úspěšné zvládnutí návrhového systému EAGLE vám umožní rychlý přechod na ostatní profesionální komplexní návrhové systémy pro automatizovaný návrh elektronických zařízení typu EDA (Electronic Design Automation). V závěru předem děkuji za připomínky, náměty a trpělivost při čtení tohoto textu. Antonín JURÁNEK, ajuranek@centrum.cz 90

92 DORUČENÁ LITERATURA A INFORMAČNÍ ZDROJE [1] Materiály z [2] Usměrňovač síťového zdroje, Časopis Praktická elektronika A Radio, č. 4/2001, [3] GM ELECTRONIC Součástky pro elektroniku, 2005, [4] Juránek, A., Hrabovský,M.: EAGLE návrhový systém plošných spojů, BEN, 2007 [5] Abel, M.: Plošné spoje se SMD, návrh a konstrukce, Nakladatelství Platan, 2000, [6] Záhlava, V.: Metodika návrhu plošných spojů, Vydavatelství ČVUT, 2000, [7] Materiál z [8] Materiály z [9] 555- univerzální IO, Časopis Amatérské rádio pro konstruktery, č. 5/1994, [10] Materiály z [11] Materiály z [12] Materiály z -Ano-%E2%80%93-IQRF.html [13] Materiály z Transceiver module MHz TR [14] Materiály z HT71XX-1 30 ma Voltage Regulator [15] Materiály z [16] Překlady manuálů PIC, Laboratoř mikroprocesorové techniky VOŠ, SŠ, COP Sezimovo Ústí, 91

93 PŘÍLOHY Příloha 1 Pracovní prostředí schematického editoru 92

94 Příloha 2 Pracovní prostředí editoru plošného spoje 93

95 Příloha 3 Význam vrstev editoru plošného spoje 94