Vytvořeno na Microsoft Windows XP Home Edition SP2

Transkript

1 MULTIFUNKČNÍ ZDROJ Přenosný zdroj 1,2-25V / 0,5A při napájení ze sítě a 1,2-10V / 0,3A při napájení z akumulátoru Generátor obdélníkového signálu 0,1Hz - 30kHz Generátor melodie pro zkoušení audiotechniky s nastavitelnou intenzitou Při vytváření dokumentace byly použity následující programy: CorelDraw! 9 CZE (navrhnutí plošného spoje) EasySIGN Czech (vyříznutí plošného spoje) Mozilla Firefox (hledání datasheetů k součástkám) Electronics Workbench (kreslení schémat) OpenOffice.org 2.0 (psaní dokumentace) Vytvořeno na Microsoft Windows XP Home Edition SP2 Jan Hrach, červenec duben 2006

2 1. Obsah 1. Obsah 2. Úvod 2.1. Proč jsem zdroj postavil? 2.2. Technická specifikace 2.3. Proč má v sobě akumulátor? 2.4. Seznam součástek a jejich cena 3. Stavba 3.1. Návrh schématu a) Zdroj b) Generátor obdélníkového signálu c) Generátor melodie d) Indikátor nabitého akumulátoru 3.2. Návrh plošného spoje a proč 2 desky 3.3. Leptání 3.4. Vrtání 3.5. Osazení 3.6. Oživení 3.7. Ochranný lak 3.8. Krabička 3.9. Ovládací prvky Chlazení Bezpečnost 4. Doplnění 4.1. Měřicí protokol 4.2. Funkce jednotlivých součástek 5. Praktické využití 5.1. Nabíjení akumulátorů 6. Závěr

3 2. Úvod 2.1. Proč jsem zdroj postavil? Svůj první zdroj jsem si postavil v lednu Byl složen z transformátoru 230V/18V 330mA, můstkového usměrňovače, kondenzátoru, stabilizátoru LM317 a voltmetru. Napětí na výstupu sice bylo docela rovné, ale při zátěži kolísalo a zdroj hrozně hřál. Později jsem začal potřebovat generátor obdélníkového signálu a melodický generátor. Používal jsem samostatná zařízení, ale bylo to nepraktické. Na konci června jsem začal promýšlet multifunkční zařízení, které by tyto funkce obsahovalo, a začal jsem kreslit schéma. Postupně jsem přidával další a další funkce až do dnešní podoby Technická specifikace Napájení Odběr proudu Zdroj Generátor obdélníkového signálu Melodický generátor 15 40V < 600mA 1,2 25V/0,5A (síť), 1,2-10V/0,3A (akumulátor) 0,1Hz 30kHz 0 2V Doba nabíjení Kapacita akumulátoru Napětí akumulátoru 8 hodin 800mAh 12V 2.3. Proč má v sobě akumulátor? U svého staršího zdroje jsem za můstkový usměrňovač zapojil 2 kondenzátory 2200µF/35V, ale při připojení např. zesilovače byl slyšet silný brum. Ani po připojení dalších kondenzátorů na výstup se situace příliš nezlepšila. A tak jsem do tohoto zdroje zapojil akumulátor a zdroj používám z něj. Akumulátor má dokonale rovné napětí, a proto se brum neobjevuje. A zadruhé jsem zdroj chtěl používat bez dosahu zásuvky.

4 2.4. Seznam součástek a jejich cena Stabilizátor LM317T 2ks 30Kč Odpor 4,7Ω/2W 1ks 3Kč Chladič na stabilizátor 1ks 15Kč Odpor 12Ω 1ks 1Kč Chladič na odpor 1ks 10Kč Odpor 22Ω 1ks 1Kč Dioda (křemíková) 5ks 5Kč Odpor 100Ω 1ks 1Kč LED 3ks 9Kč Odpor 180Ω/5W 1ks 5Kč Zenerova dioda 13V 1ks 3Kč Odpor 220Ω* 2ks 2Kč Zenerova dioda 3,9V 1ks 3Kč Odpor 560Ω 1ks 1Kč Tranzistor NPN 2ks 4Kč Odpor 820Ω 1ks 1Kč Kondenzátor 1mF/35V 1ks 5Kč Odpor 2,2kΩ 1ks 1Kč Kondenzátor 100µF/25V 2ks 6Kč Odpor 5,6kΩ 1ks 1Kč Kondenzátor 10µF/25V 1ks 3Kč Odpor 6,8kΩ 1ks 1Kč Kondenzátor 100nF 6ks 6Kč Odpor 10kΩ 1ks 1Kč Kondenzátor 100pF 1ks 1Kč Trimr 5k 1ks 10Kč Melodický generátor UM66T 1ks 25Kč Krokosvorky 2ks 10Kč IO555 1ks 10Kč * Má být 240, ale 240 lze špatně sehnat Potenciometr 25kΩ 1ks 15Kč Potenciometr 5kΩ 1ks 15Kč Potenciometr 500Ω 1ks 15Kč DIP 6* 1ks 10Kč Páčkový spínač 1ks 5Kč Akumulátor 12V 800mAh 1ks 150Kč Patice 8 pinů (4+4) 1ks 5Kč Patice 6 pinů (3+3) 2ks 10Kč Patice 24 pinů (1 řada) 1ks 20Kč Hmatník na potenciometr 3ks 15Kč Konektory do plošného spoje 9ks 18Kč Koncovky na kabely 9ks 18Kč Kufřík 1ks 99Kč Svorky+kabely+kalafuna+chlorid železitý+cín+deska+vrták... *Stačilo by 5, ale 5 lze špatně sehnat 70Kč

5 3. Stavba 3.1. Návrh schématu 3.1.a Návrh schématu - zdroj Na počátku bylo tohle jednoduché schéma: Stabilizátor LM317 se snaží, aby mezi vývody OUT a GND bylo napětí 1,25V. Pokud tedy LM317 zapojíme podle obr.1, na výstupu OUT bude proti zemi 1,25V (na vstupu IN musí být minimálně 5 V a z výstupu OUT by se mělo odebírat minimálně 2mA). Kondenzátory brání tomu, aby se stabilizátor rozkmital. obr.1 Zapojením potenciometru 5kΩ a odporu 240Ω vytvoříme dělič. Když bude potenciometr nastaven na maximální odpor, bude na výstupu OUT stejné napětí jako na výstupu GND, stabilizátor nedosáhne rozdílu mezi OUT a GND 1,25V a bude napětí výstupu stále zvyšovat. Když bude potenciometr nastaven na minimální odpor, bude mezi výstupem OUT a GND skutečné napětí mezi OUT a zemí a tak stabilizátor bude napětí snižovat až na 1,25V. A nyní ke kompletnímu schématu. Po zapojení adaptéru 30V se přes odpor R1 a diodu D1 rozsvítí zelená indikační LED D2. Dioda D1 je tam kvůli tomu, aby se LED při náhodném přepólování nepřepálila. Vysoká hodnota R1 je zde kvůli výkonové ztrátě na něm, kdyby LED diodou teklo 20mA, byla by jeho hodnota R = 28V/0,02A = 1400Ω = 1,4kΩ a jeho výkonová ztráta P = 28Vx0,02A = 0,56 W. Dále se přes diodu D3 nabíjí kondenzátor C1, který potlačuje zvlnění napětí ze zdroje. D3 je tam opět jako ochrana při přepólování. Z kondenzátoru C1 je napájena hlavní část zdroje, stabilizátor LM317. Z výstupu stabilizátoru vedeme elektřinu přes odpor R4 a ampérmetr M1 na výstupní svorky. Napětí je ještě vyhlazeno C4, C5 a C6 a měřeno voltmetrem M2. Odpor R4 měl sloužit jako velmi jednoduchá ochrana proti zkratu na

6 výstupu. Tak také slouží, ale osvědčil se jako nabíječka (viz kapitolu 5.1.). Pokud omezení proudu nebo nabíjení akumulátorů momentálně nevyžadujeme, sepneme spínač 2. Pokud je zdroj mimo dosah elektrické sítě, sepneme spínač 5 a zdroj začne pracovat z akumulátoru. Po delším používání z akumulátoru je potřeba akumulátor dobít sepnutím spínače 6. Akumulátor se nabíjí asi 8 hodin (proudem mA). 3.1.b Návrh schématu - generátor obdélníkového signálu Funguje takto: Po zapnutí je kondenzátor vybitý, na vývodu 3 [OUT - výstup] je napětí vysoké a kondenzátor se nabíjí. Jakmile napětí na vývodu 6 [TH - práh] dosáhne 66% napájecího napětí, IO se překlopí a na vývodu 3 [OUT] je napětí blízké nule. Kondenzátor se vybíjí a po dosažení 33% napájecího napětí na vývodu 2 [TG - spouštění] se IO znovu překlopí, na vývodu 3 [OUT] je vysoké napětí a kondenzátor se nabíjí. Z výstupu (vývodu 3) odebíráme obdélníkové napětí přes odpor a diodu na bázi tranzistoru. Dioda je tam proto, že při logické 0 je na výstupu IO cca 0,8V a to občas spíná tranzistor. Hodnotu odporu volíme tak, aby tranzistorem procházel proud asi 1mA. R=U/I = R=(12-0,7-0,7)/0,001 = 10,6/0,001 = 10600Ω = 10kΩ. 3.1.c Návrh schématu - generátor melodie Využijeme obvodu UM 66 T (stojí cca 25 Kč). Integrovaný obvod potřebuje napájení 1-2V, a proto je před ním na desce umístěn stabilizátor. Obvod má tendenci se rozkmitat, a proto je v zapojení také kondenzátor. Výstup z integrovaného obvodu vedeme přes rezistor na bázi tranzistoru, který signál zesílí. Odpor rezistoru opět vypočítáme tak, aby tranzistorem tekl proud 1mA: R=U/I = R=(1,5-0,7)/0,001 = 0,8/0,001 = 800Ω = 820Ω. 3.1.d Indikátor nabitého akumulátoru Při nabíjení akumulátoru je třeba nějakým způsobem indikovat, že akumulátor je již nabitý. K tomu slouží jednoduchý indikátor ze 3 (případně 4) součástek. Každý článek dosáhne při plném nabití 2,4V. Celý akumulátor tedy 2,4x6=14,4V. Prahové napětí červené LED je 1,8V, závěrné napětí Zenerovy na 13V cca 12,6V. Pokud tedy součástky zapojíme, rozsvítí se LED při asi 12,6+1,8=14,4V. Ne všechny Zenerovy diody jsou ale stejné, a proto pokud by se LED rozsvěcela příliš brzy, zapojíme ještě obyčejnou diodu (ta má prahové napětí 0,7V).

7 Celé zapojení potom tedy vypadá takto: 3.2. Návrh plošného spoje a proč 2 desky Plošný spoj navrhneme standardním způsobem. Snažíme se, abychom použili co nejméně drátových propojek. Kdesi jsem okoukal způsob montáže ovládacích prvků na desku otočenou o 90. Odpadá tak nutnost spousty drátů na propojení ovládacích prvků s deskou. 2 desky použijeme proto, že jedna deska by byla velmi velká a špatně by se leptala, vrtala a osazovala. A nyní již k návrhům plošných spojů: 1. Hlavní deska (70x98,5mm): 2. Ovládací panel hlavní desky (31,7x72,5mm):

8 3. Deska s příslušenstvím (64x120,3mm): 4. Ovládací panel desky s příslušenstvím (41,1x139,2mm): 3.3. Leptání K vyleptání desky s plošnými spoji budeme potřebovat následující ingredience: 1. Ochranný lak nebo fólii, kterou potáhneme místa, kde má zůstat vrstvička mědi 2. Celkem 4 jednostranné desky potažené mědí: a) 8x11cm b) 4x8cm c) 7x13cm d) 5x15cm 3. Chlorid železitý 4. Větší plastovou nebo skleněnou nádobu 5. Velký hrnec s horkou vodou 6. Dřevěné kleště Postup: 1. Desky očistíme lihem a lehce přejedeme jemným smirkem 2. Na plotru vyřízneme obrazce plošného spoje (případně použijeme lihový fix nebo fotocestu) 3. Obrazce plošného spoje přeneseme na desky 4. Do nádoby nalijeme chlorid a položíme od horké vody 5. Desky vložíme pomocí dřevěných kleští do chloridu a kontrolujeme, jestli již nejsou vyleptány 6. Desky vyndáme a opláchneme vlažnou vodou 7. Odstraníme ochrannou fólii 3.4. Vrtání Vrtáme vrtáčkem o průměru 0,8 nebo 1 mm. Některé součástky mají tlustší vývody. Ty vrtáme vrtákem 1,2mm.

9 3.5. Osazení Při pájení pájíme kvalitním trubičkovým cínem s tavidlem. Cín se nám hodně rozteče, což je dobře, protože součástky dobře drží a protože obvodem na některých místech protéká proud až 1A, je potřeba, aby byl styk cínu s plošným spojem co největší. Osazujeme podle osazovacích plánků: 1. Hlavní deska 2. Ovládací panel hlavní desky 3. Deska s příslušenstvím 4. Ovládací panel desky s příslušenstvím Nakonec spájíme desky spojů s deskami ovládacích prvků v úhlu Oživení Po osazení propojíme desky kabely a zapojíme voltmetr, ampérmetr a akumulátor. Akumulátor se prodává již trochu nabitý. Zapneme spínač 5 a točíme potenciometrem. Ručka voltmetru by se měla hýbat. Nyní vše vypneme, melodický generátor vyndáme z patice a místo něj připojíme voltmetr. Točíme trimrem, až bude na výstupu stabilizátoru 1,5V. Melodický generátor zasuneme zpět do patice, zapneme spínač 4 a na výstupní svorky na 2. desce připojíme sluchátko. Uslyšíme melodii (pokud ne, zatočíme

10 potenciometrem na ovládání hlasitosti). Potom spínač 4 vypneme, generátor vyndáme a zkusíme trimrem nastavit 2V. Opět vše zapneme a poslechneme si melodii. Tento postup opakujeme (do maximálního napětí 3V), dokud zvuk není čistý. Potom trimr zakápneme kalafunou. Nyní zapneme spínač číslo 3 a otáčíme potenciometrem na ovládání frekvence (případně přepneme přepínač). LED by se měla rozblikat Ochranný lak Aby nám zdroj dlouho vydržel (měď má tendenci oxidovat), je vhodné po oživení natřít všechny čtyři desky ochranným lakem (nebo alespoň kalafunou rozpuštěnou v lihu). Po natření lakem již na desku nelze pájet, a proto desku natřeme až po úplném vyzkoušení funkčnosti Krabička Elektronika zdroje je velmi rozměrná (a akumulátor je také veliký), a proto se do obyčejných krabiček nevejde. Použijeme tedy kufřík. Zdroj do něj upevníme tak, že na dno zdroje přilepíme kousky Forexu (pěněného PVC) a do něj a do desky vyvrtáme díry. Do děr zašroubujeme šroubky, které podložíme gumovou podložkou, aby desky dobře držely. Poznámka: Šroubky nedotahujeme nadoraz, protože plastový kufřík se může trochu zkroutit a desky by nám mohly popraskat Ovládací prvky Na potenciometr a na spínač nasadíme vhodné kloboučky. DIP dáme do patice, protože by byl příliš zanořený v krabičce a špatně by se ovládal Chlazení Nejvíce hřeje rezistor pro nabíjení a stabilizátor na hlavní desce. Stabilizátor pro melodický generátor téměř nehřeje. Trochu ještě hřeje odpor 4,7Ω omezující proud tekoucí ze zdroje. Na rezistor dáme chladič (původně určený pro chlazení stabilizátoru) a zalepíme lepidlem. Na stabilizátor dáme chladič co největší a přišroubujeme. Poznámka: Pokud by zdroj hřál, provrtáme do kufříku několik děr, případně zapojíme malý větráček Bezpečnost Zdroj je napájen přes síťový adaptér, proto není nebezpečný. Poznámka: Pokud občas zapomínáme, je možné zapojit ochranu proti přebití. Na internetu najdeme mnoho schémat.

11 4. Doplnění 4.1. Měřicí protokol Na všech diodách je v propustném směru při průchodu proudu 0,6V, na Zenerových diodách v závěrném směru jejich Zenerovo napětí. Na LED pokud svítí 2V. Báze-emitor tranzistoru 0,6V pokud je sepnut, nebo méně než 0,5 V pokud je rozepnut. Na sepnutých spínačích je do 0,01V. Na výstupu generátoru obdélníkového signálu buď 8-12V nebo méně než 0,5V Funkce jednotlivých součástek Na hlavní desce: Funkce je popsána v kapitole 3.1.a. Na desce s příslušenstvím: V kapitolách 3.1.b, 3.1.c a 3.1.d 5. Praktické využití Zdroj proudu potřebuje každý, kdo se zajímá o elektrotechniku (na oživování svých výrobků). Zdroj melodie potřebuje téměř každý, kdo se zabývá audiotechnikou (na zkoušení reproduktorů a zesilovačů). Zdroj obdélníkového signálu se hodí např. na pokusy s hradly Nabíjení akumulátorů Svůj zdroj jsem si uzpůsobil i pro nabíjení akumulátorů, zvláště netypických, jako jsou např. staré z mobilů, které potom mohu dále využít. Jak již bylo popsáno v kapitole 3.1.a, slouží k nabíjení akumulátorů rezistor R4. Postup při nabíjení: 1. Nastavíme výstupní napětí na minimum 2. Připojíme akumulátor 3. Pomalu výstupní napětí zvyšujeme, dokud proud nedosáhne dvojnásobku kapacity akumulátoru v mah 4. Necháme 30 minut 5. Opět nastavíme proud na dvojnásobek kapacity akumulátoru v mah 6. Necháme 6-7 hodin 7. Odpojíme Tímto způsobem lze nabíjet Ni-CD a Ni-MH akumulátory. Akumulátor by měl být před nabíjením vybit na 0,5-0,9V na článek.

12 6. Závěr Schéma i plošný spoj mého výrobku jsem navrhl sám. Vycházel jsem z těchto schémat: Veškeré dotazy pište na hrachj@seznam.cz Jan Hrach, červenec duben 2006