Obr. 2 Blokové schéma zdroje

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


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 UMAX C1 a následně se vybíjí na hodnotu minimální UMINC1 ,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 ICELK je dán součtem výstupního proudu IOUT (viz. zadání,) 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. VÝPOČET: U MAX C1=k  2U IN RMS − U D U MAX C1=0,9  2∗9−2∗0,5=10,45 V k - koeficient možného snížení napětí sítě o 10% - 0,9, UIN RM - efektivní hodnota vstupního napětí ze síťového adaptéru 9 V, ∆UD - 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 3 V U MINC1 =53=8 V UOUT – výstupní napětí obvodu - 5 V I CELK =I OUT I LEDI STAB I CELK =1001010=120 mA=0,12 A IOUT - zadaný výstupní proud - 100 mA , ILED - proud potřebný pro činnost LED - 10 mA (viz. katalog, doporučený proud IF ), ISTAB - proud potřebný pro činnost integrovaného stabilizátoru - 10 3


mA(odhad ). Náboj kondenzátoru: Q=C∗U I∗t U Kapacita vyhlazovacího kondenzátoru C1 v našem obvodu bude: Q=I ∗t

C1=

→

C∗U =I ∗t

→

C=

I CELK∗t  U C1 ∆UC1 – 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)

1 1 t= = =1∗10−2 sec f 100 C1=

0,12∗10−2 2,45

−6

C1=489∗10 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 IF. Při tomto stavu LED dioda dostatečně svítí a není přetěžována. V katalogu GME [2] jsou pro červenou LED L-5MM02RT uvedeny hodnoty: UF = 2,0 V, IF = 20 mA. Volíme IF = 10 mA.

4


R1=

U R1 IF

U R1=U OUT −U F =5−2=3 V

R1 = 300 Ω Při výběru konkrétního rezistoru nás bude zajímat jeho výkonové zatížení PR1, které můžeme vypočítat podle známého vzorce. U2 P R1=3∗10∗10−3=0,03 W P R1=U R1∗I F = R1 =I 2F∗R1 R1

3.4 URČENÍ DIOD D1 – D4 Vycházíme z principu práce můstkového usměrňovače, který je zobrazen na obr. 7. a) Proudové dimenzování IFM – nejvyšší přípustný periodicky se opakující špičkový proud v propustném směru (vrcholová hodnota střídavého proudu v propustném směru při provozní frekvenci vyšší než 20 Hz) k1 – 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

URM – max. přípustné vrcholové závěrné napětí (vrcholová hodnota střídavého napětí v závěrném směru při provozní frekvenci vyšší než 20 Hz) UIN MAX RMS – max. efektivní hodnota střídavého napětí na vstupu usměrňovače při zvýšení napětí sítě o 10 % k2 = 1,5 – koeficient napěťového zálohování U IN MAX RMS =1,1∗U IN =1,1∗9=9,9V

Obr. 7 Princip můstkového zapojení V katalogu [2] a ve výpisu z dokumentace nacházíme odpovídající typ diod- volíme 1N4007

5


3.5 URČENÍ TYPU MONOLITICKÉHO STABILIZÁTORU Rozhodující jsou výstupní napětí a proud, které zjistíme v katalogu [2] a nebo popisu stabilizátoru [1]. UOUT = 5 V DC STAB I CELK =I OUT  I LED I CELK =10010=110 mA=0,11 A V katalogu [2] můžeme zvolit typy: - 78L05 IOUT = 0,1 A v pouzdru TO92, - 78M05 IOUT = 0,5 A v pouzdru TO220, - 7805 IOUT = 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 UOUT = 5 V, – odebíráme proud IOUT = 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


P Z 7805=8∗100∗10−3=0,8 W 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 R = T J −T A  TJ - povolená teplota přechodu, čipu TH PZ TA - teplota okolí (uvažujeme 25°C)

Po úpravě vzorce bude ztrátový výkon P Z =

T J −T A  RTH

V doporučeném zapojení výrobce [1] jsou uvedeny parametry: RΘJA TJ -

tepelný odpor mezi čipem a okolím bez použití chladiče [Thermal Resistance, Junction – Air] pro pouzdro TO-220 je RΘJA = 65°/W. 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: PZ =

T J −T A  125−25 = =1,53W RΘJA 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


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 RTHJC – tepelný odpor mezi čipem (přechodem) a pouzdrem RTHCR – tepelný odpor mezi pouzdrem a chladičem (0,2 °C/W) RTHRA – tepelný odpor mezi chladičem a okolím Z náhradního schématu na obr. 7 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 7805 [1] a katalogu [2] pro chladič DO1A jsou uvedeny následující údaje: RTHJC - 5 °C/W (RTHJC = RΘJC ) RTHRA - 21 °C/W RTHΣ = 5 + 0,2 + 21 + 1 = 27,2 °C/W Při použití chladiče DO1A je přenesený výkon do okolí: PZ=

T J −T A  125−25 = =3,67 W RTHΣ 27,2

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 TJ = 46,76 °C a tím dojde ke snížení tepelného namáhání součástky. b) S uvedeným chladičem můžeme z napájecího zdroje odebírat IOUT MAX = 0,458 A a nepřekročíme teplotní namáhání stabilizátoru.

8


Obr. 2 Blokové schéma zdroje

Recommend Documents