A. PŘÍPRAVA PROJEKTU 2. 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 s vyhlazovacím kondenzátorem, - monolitického stabilizátoru napětí, - obvodu signalizace činnosti zdroje. a) BLOKOVÉ SCHÉMA ZDROJE Blokové schéma zdroje je na obr. 2. Obr. 2 Blokové schéma zdroje b) OBVODOVÉ SCHÉMA ZDROJE Při návrhu usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem vycházíme ze známého schématu, které je uvedeno na obr. 3. Zde již můžeme označovat jednotlivé součástky- vstupní konektor X1, diody D1 - D4 a kondenzátor C1. Obr. 3 Schéma usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem Při návrhu obvodu stabilizátoru vycházíme z doporučeného zapojení výrobce [1]. Na obr. 4 je zobrazen výpis z dokumentace výrobce [1]. Popis stabilizátoru si můžeme stáhnou z http://www.fairchildsemi.com/ds/lm/lm7805.pdf 1 Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
Obr. 4 Doporučené zapojení obvodu Schéma můžeme pro náš účel převzít, pouze upravíme označení součástek. Při označování součástek se snažíme dodržovat jejich pořadí podle sestavování celkového obvodu. V dalším tento princip dodržuje i NS EAGLE (NAME). Na výstupu je schéma doplněno obvodem signalizace činnosti zdroje, který obsahuje rezistor R1 a diodu LED1. Obr.5 Obvod signalizace Poznámka- je vhodné umístit na výstup monolitického stabilizátoru další elektrolytický kondenzátor, v našem případě je označen C. Následně sestavíme jednotlivé části do jednoho celkového obvodového schématu napájecího zdroje. Jednotlivým součástkám stanovíme označení (značení provádíme po typech s nárůstem čísel zleva doprava). Výsledkem našeho návrhu obvodového řešení je schéma zobrazené na obr. 6. Ve schématu jsou šipkami vyznačeny součástky, u kterých musíme vypočítat a nebo určit jejich hodnoty. Obr. 6 Celkové zapojení obvodu 2 Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
Tímto krokem jsme ukončili návrh obvodového řešení. Následně přistoupíme k výpočtu a určení hodnot součástek, které jsou označeny šipkou. 3. VÝPOČET A URČENÍ HODNOT SOUČÁSTEK Při pohledu na obr. 6 zjistíme, že musíme vypočítat hodnoty kondenzátoru C1, rezistoru R1. Hodnoty kondenzátorů C2, C3 a C4 převezmeme z dokumentace zapojení výrobce. Z katalogu [2] volíme typ usměrňovacích diod D1 D4 a provedení monolitického stabilizátoru LM7805. V závěru kapitoly se musíme rozhodnout, které součástky bude nutné opatřit chladičem. 3.1 VÝPOČET KAPACITY VYHLAZOVACÍHO KONDENZÁTORU C1 Uvedeme si zjednodušený způsob výpočtu kapacity vyhlazovacího kondenzátoru [3]. Vycházíme z následujících předpokladů: 1. kondenzátor C1 se nabíjí na maximální hodnotu napětí U MAX C1 a následně se vybíjí na hodnotu minimální U MINC1,která však musí být dostatečná pro práci integrovaného stabilizátoru LM7805. Toto napětí na vstupu integrovaného stabilizátoru musí být vždy o min. 3 V vyšší než max. výstupní napětí obvodu; 2. celkový proud I CELK je dán součtem výstupního proudu I OUT (viz. zadání,) a proudů, které jsou nutné pro činnost integrovaného stabilizátoru I STAB a svitu LED I LED ; 3. perioda pulsujícího usměrněného napětí na výstupu můstku, odpovídá kmitočtu 100 Hz. VÝPOČET: U MAX C1 =k 2U IN RMS U D U MAX C1 =0,9 2 9 2 0,5=10,45V k - koeficient možného snížení napětí sítě o 10% - 0,9, U IN RM - efektivní hodnota vstupního napětí ze síťového adaptéru 9 V, U D - úbytek napětí na diodách můstku (vždy proud protéká přes dvě diody můstku), úbytek napětí na diodě je závislý od protékajícího proudu, pro náš účel předpokládáme úbytek 0,5 V. U MINC1 =U OUT 3V U MINC1 =5 3=8V U OUT výstupní napětí obvodu - 5 V I CELK =I OUT I LED I STAB I CELK =100 10 10=120 ma=0,12 A I OUT - zadaný výstupní proud - 100 ma, I LED - proud potřebný pro činnost LED - 10 ma (viz. katalog, doporučený proud I F ), I STAB - proud potřebný pro činnost integrovaného stabilizátoru - 10 3 Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
ma(odhad ). Náboj kondenzátoru: Q=C U Q=I t C U =I t C= I t U Kapacita vyhlazovacího kondenzátoru C1 v našem obvodu bude: C1= I CELK t U C1 U C1 rozdíl max. a min. hodnoty napětí na C1 U C1 =U MAXC1 U MINC1 U C1 =10,45 8=2,45 V t perioda nabíjení a vybíjení C1 (u dvoucestného můstkového usměrnění odpovídá f = 100 Hz) t= 1 f = 1 100 =1 10 2 sec C1= 0,12 10 2 2,45 C1=489 10 6 F 489 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, nás 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 [2], 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 =1,1 2 9 1=13V 3.2 URČENÍ KAPACITY KONDENZÁTORU C4 Vycházíme z celé řady osvědčených zapojení, kdy kapacita elektrolytického kondenzátoru C4 na výstupu stabilizátoru, je řádově desítky μf a pracovní napětí v našem případě je 5V. 3.3 VÝPOČET HODNOTY REZISTORU R1 Předřadný rezistor R1 musí zabezpečit stav, kdy na LED je napětí U F a diodou protéká proud I F. Při tomto stavu LED dioda dostatečně svítí a není přetěžována. V katalogu GME [2] jsou pro červenou LED L-5MM02RT uvedeny hodnoty: U F = 2,0 V, I F = 20 ma. Volíme I F = 10 ma. 4 Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
R1= U R1 I F U R1 =U OUT U F =5 2=3V R1 = 300 Ω Při výběru konkrétního rezistoru nás bude zajímat jeho výkonové zatížení P R1, které můžeme vypočítat podle známého vzorce. P R1 =U R1 I F = U R1 =I 2 R F R 1 1 2 3.4 URČENÍ DIOD D1 D4 P R1 =3 10 10 3 =0,03W Vycházíme z principu práce můstkového usměrňovače, který je zobrazen na obr. 7. a) Proudové dimenzování I FM nejvyšší přípustný periodicky se opakující špičkový proud v propustném směru (vrcholová hodnota střídavého proudu v propustném směru při provozní frekvenci vyšší než 20 Hz) k 1 koeficient proudového zálohování (5 12) I FM =k 1 I CELK =7 0,12=0,84 A b) Napěťové dimenzování U RM =k 2 2 U IN MAX RMS =1,5 2 9,9=21V U RM max. přípustné vrcholové závěrné napětí (vrcholová hodnota střídavého napětí v závěrném směru při provozní frekvenci vyšší než 20 Hz) U IN MAX RMS max. efektivní hodnota střídavého napětí na vstupu usměrňovače při zvýšení napětí sítě o 10 % k 2 = 1,5 koeficient napěťového zálohování Obr. 7 Princip můstkového zapojení U IN MAX RMS =1,1 U IN =1,1 9=9,9V V katalogu [2] a ve výpisu z dokumentace nacházíme odpovídající typ diod- volíme 1N4007 5 Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
3.5 URČENÍ TYPU MONOLITICKÉHO STABILIZÁTORU Rozhodující jsou výstupní napětí a proud, které zjistíme v katalogu [2] a nebo popisu stabilizátoru [1]. U OUT = 5 V DC STAB I CELK =I OUT I LED I CELK =100 10=110mA=0,11 A V katalogu [2] můžeme zvolit typy: - 78L05 I OUT = 0,1 A v pouzdru TO92, - 78M05 I OUT = 0,5 A v pouzdru TO220, - 7805 I OUT = 1,5 A v pouzdru TO220. Pro náš příklad vyhoví typ 7805 v pouzdru TO220: - máme možnost odebírat i vyšší proud, - stabilizátor při odběru 100 ma nebude výkonově namáhán. 3.6 CHLAZENÍ SOUČÁSTEK Návrh plošného spoje obvodu bude ovlivňovat i fakt, zda některé součástky bude nutné chladit. Především se zaměříme na monolitický stabilizátor 7805. 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 =13V, na výstupu napětí U OUT = 5 V, odebíráme proud I OUT = 100mA. Ztrátový výkon integrovaného stabilizátoru bude: P Z 7805 = U 7805 I OUT - rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem integrovaného stabilizátoru : U 7805 =U MAX C1 U OUT =13 5=8V 6 Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
P Z 7805 =8 100 10 3 =0,8W Při návrhu obvodu si musíme ujasnit, zda je nutné umístit integrovaný obvod na chladič a nebo vypočítaný ztrátový výkon (0,8 W) je schopné pouzdro odvést do okolí bez chladiče. Tepelný odpor je definován RTH = T J T A P Z T J - povolená teplota přechodu, čipu T A - teplota okolí (uvažujeme 25 C) Po úpravě vzorce bude ztrátový výkon P Z = T J T A R TH V doporučeném zapojení výrobce [1] jsou uvedeny parametry: R ΘJA - tepelný odpor mezi čipem a okolím bez použití chladiče [Thermal Resistance, Junction Air] pro pouzdro TO-220 je R ΘJA = 65 /W. T J - povolená teplota čipu, přechodu- 125 C 3.6.1 INTEGROVANÝ STABILIZÁTOR BEZ CHLADIČE Po dosazení do vzorce vypočítáme, jaký výkon je pouzdro bez chladiče schopné odvést do okolí: P Z = T J T A R ΘJA = 125 25 =1,53W 65 Závěr- pouzdro typu TO-220 bez chladiče je schopné při zadaných teplotách čipu a okolí odvést do okolí ztrátový výkon 1,53 W. Požadovaný ztrátový výkon stabilizátoru 7805 (0,8 W) nutný pro funkci našeho obvodu je nižší, a proto není nutné použití chladiče. Prakticky však doporučuji, pro snížení jeho teplotního namáhání, integrovaný stabilizátor 7805 umístit na jednoduchý chladič typu DO1A [2]. 7 Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
3.6.2 INTEGROVANÝ STABILIZÁTOR NA CHLADIČI Při použití chladiče vycházíme z náhradního schématu, které je na obr. 8. Obr. 8 Náhradní schéma při umístění stabilizátoru na chladič R THJC R THCR R THRA 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. 7 můžeme pro paralelní kombinaci vypočítat celkový tepelný odpor R THΣ. Platí, že R THJC + R THCR + R THRA << R THJA Pro návrh nemusíme počítat paralelní kombinaci tepelných odporů a vzorec pro celkový tepelný odpor při použití chladiče bude mít tvar: R THΣ = R THJC + R THCR + R THRA + R TH PODL R TH PODL tepelný odpor slídové podložky mezi pouzdrem a chladičem ( 1 C/W) V doporučeném zapojení výrobce 7805 [1] a katalogu [2] pro chladič DO1A jsou uvedeny následující údaje: R THJC - 5 C/W (R THJC = R ΘJC ) R THRA - 21 C/W R THΣ = 5 + 0,2 + 21 + 1 = 27,2 C/W Při použití chladiče DO1A je přenesený výkon do okolí: P Z = T T J A = 125 25 R THΣ 27,2 =3,67W ZÁVĚR: a) Pro potřebný ztrátový výkon stabilizátoru 7805 v navrhovaném obvodu (0,8 W) se čip integrovaného obvodu umístěného na chladič DO1A zahřeje pouze na teplotu T J = 46,76 C a tím dojde ke snížení tepelného namáhání součástky. b) S uvedeným chladičem můžeme z napájecího zdroje odebírat I OUT MAX = 0,458 A a nepřekročíme teplotní namáhání stabilizátoru. 8 Ing. Antonín JURÁNEK, 2006