OBSAH 1 ŘÍZENÝ STABILIZOVANÝ NAPÁJECÍ ZDROJ S INTEGROVANÝM STABILIZÁTOREM LM

1

OBSAH 1 ŘÍZENÝ STABILIZOVANÝ NAPÁJECÍ ZDROJ S INTEGROVANÝM STABILIZÁTOREM LM317..........................................................................................5 1.1 ZADÁNÍ...............................................................................................................5 1.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE......................................................................6 1.3 NÁVRH OBVODU...............................................................................................7 1.4 KONTROLA ČINNOSTI SIMULAČNÍM PROGRAMEM....................................15 1.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE......................17 1.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE............................................................................24 1.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ.................................................................................30 1.8 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE.......................................................................33 2 IMPULSNÍ REGULÁTOR TEPLOTY MIKROPÁJEČKY..........................................34 2.1 ZADÁNÍ.............................................................................................................34 2.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE....................................................................35 2.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................35 2.4 KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM....................40 2.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NS EAGLE...........................................................42 2.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE............................................................................44 2.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ ................................................................................46 2.8 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE.......................................................................46 3 VÝVOJOVÁ DESKA PRO PIC16F84A/PIC16F88....................................................47 3.1 ZADÁNÍ.............................................................................................................47 3.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE....................................................................48 3.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................48 3.4 KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM....................54 3.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE......................54 3.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE............................................................................56 3.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ.................................................................................57 3.8 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE.......................................................................58 4 BLIKAČ S SMD........................................................................................................59 4.1 ZADÁNÍ.............................................................................................................59 4.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE....................................................................60 4.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................60 4.4 KONTROLA ČINNOSTI OBVODU SIMULAČNÍM PROGRAMEM....................61 4.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMA BLIKAČE SMD............................................................62 4.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE............................................................................64 4.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ.................................................................................65 4.8 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE.......................................................................66 5 ROZŠÍŘENÍ KNIHOVEN NS EAGLE........................................................................67 5.1 PŘÍPRAVA PODKLADŮ....................................................................................68 5.2 TVORBA KNIHOVNY SOUČÁSTKY - MODULU...............................................69 1

6 VYSÍLAČ DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ IQRF TX 868 MHz.........................................76 6.1 ZADÁNÍ.............................................................................................................76 6.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE....................................................................77 6.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................77 6.4 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE......................78 6.5 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE............................................................................79 6.6 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ.................................................................................80 6.7 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE.......................................................................81 7 PŘIJÍMAČ DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ IQRF RX 868 MHz.......................................82 7.1 ZADÁNÍ.............................................................................................................82 7.2 POSTUP A HODNOCENÍ PRÁCE....................................................................83 7.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................83 7.4 KONTROLA ČINNOSTI SIMULAČNÍM PROGRAMEM....................................85 7.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMATU V NÁVRHOVÉM SYSTÉMU EAGLE......................86 7.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE............................................................................87 7.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ.................................................................................88 7.8 ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE.......................................................................89 PŘÍLOHY.....................................................................................................................92

2

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 18. 1. 2007

Doc. Ing. Ladislav Maixner, CSc. hlavní manažer projektu

3

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

1 ŘÍZENÝ STABILIZOVANÝ NAPÁJECÍ ZDROJ S INTEGROVANÝM STABILIZÁTOREM LM317 1.1

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 -220.

ROZMĚRY DESKY Rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů je na obr. 1.

5

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

10

3. 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 6

10 25 20

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

1.3 1.3.1

Hodnocení

Počet bodů

výborný

100 - 91

chvalitebný

90 - 80

dobrý

79 - 66

dostatečný

65 - 41

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

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 http://www.national.com/pf/LM/LM317.html.

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

v bodě 1.3.2. 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.

1.3.2

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

VÝPOČET:

U MAX C1=k  2 U IN RMS−U D U MAX C1=0,9  2∗12−2∗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 =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 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

1 1 −2 t= = =10 sec f 100 C1=

−2

0,12∗10 5,27

C1=22∗10−5 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=1,1∗ 2∗12−1=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 - 3507 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 −3 10∗10

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=15,56∗10∗10 =0,1556W

11

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 =240∗

6 −1 =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







P1 1000 =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P1 2401000

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: 2

−3 2

−3

P R2 =I R2∗R 2=5,2∗10  ∗240=6,4∗10 W

12

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 =16,41∗100∗10 =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 - 220 (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

PZ =

T J −T A  125−25 = =2 W RTHJA 50

Závěr - pouzdro typu TO - 220 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 + 0,2 + 21 + 1 = 26,2 °C/W Při použití chladiče DO1A je přenesený výkon do okolí:

PZ =

T J −T A  125−25 = =3,81W RTHΣ 26,2

ZÁVĚR: Pro potřebný ztrátový výkon LM317 v navrhovaném obvodu (1,641 W) se čip 14

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

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

3,53

100

100

IOUT, mA

16

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 http://www.cadsoft.de 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).

1.5.1

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

Obr. 10 Pohled na okno Hlavního panelu se založeným projektem

1.5.2

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 1.

1.5.3

VÝBĚR SOUČÁSTEK Z KATALOGU A KNIHOVEN NS

V bodech 1.3.1 a 1.3.2 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

Vypočítaná, zadaná hodnota, poznámky, popis


∗

U MAX C1 =17,66V C2

Označení

rcl/C-EU

C-EU050-024X044

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

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-EU050-024X044. Okno knihovny rcl/C-EU je zobrazeno na obr. 12.

Obr. 12 Okno knihovny rcl/C-EU 20

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

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. 14.

22

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

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].

1.6.1

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).

1.6.2

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 3.

1.6.3

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

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

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

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

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

Obr. 16 Pohled ze strany pouzder

Obr. 17 Motiv spojů

29

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


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

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 16.07.2006 15:01:17 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-EUE5-10.5 E5-10,5 C-EU050-024X044 C050-024X044 CPOL-EUE2-5 E2-5 LM317TS 317TS D01S D01S LED5MM LED5MM R-EU_0207/10 0207/10 R-EU_0207/10 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

Výstup: Textový formát - VALUES: Partlist exported from C:/Program Files/EAGLE-4.11/projects/SNZ LM317/snz1.sch at 16.07.2006 15:26:42 Qty 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Value

1K5 100N 240 D01S E1M/50V E330M/25V LM317T

Device

Parts

AK500/2 AK500/3 LED5MM R-EU_0207/10 C-EU050-024X044 C2 R-EU_0207/10 B250C1000DIL B-DIL D01S CPOL-EUE2-5 CPOL-EUE5-10.5 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 20.

32

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


VOLBA


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

1

2

3

4

5

6

CELKEM

5

10

X

25

55

5

100

Dosažený počet bodů Počet bodů

X Hodnocení

33

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

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 • •

•

2.3 2.3.1

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.


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

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 http://www.national.com/search/search.cgi/main?keywords=LM555. 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. 22.

36

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.

2.3.2


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

R3=

6,9 =690 −3 10∗10

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=6,9∗10∗10 =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 OUTIC1 5∗10−3

R5 = 1800 Ω Výkonové zatížení PR5

P R5 =U OUT IC1∗I OUTIC1

P R3=9∗5∗10−3=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 2 122 = =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

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  125−25 = =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

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=0,25∗12−0,132∗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

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 90,452∗10 S= ∗100= ∗100=1,1 % T 8,216∗10−3

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 7,839∗10 S= ∗100= ∗100=95 % T 8,216∗10−3

Obr. 25 Maximální výkon mikropáječky

41

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 1.

2.5.1

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


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 W0185 680R, (rozměry: 0204)

rcl/R-EU

R-EU_0204/7

R4

690, 0,069 W

R W0185 680R, (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-EU050-024X044

C2

10n, keramický

CK10N/100V (rozměry: 5x3 / RM= 5 mm)

rcl/C-EU

C-EU050-024X044

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



Knihovna

Označení

X5


S1G20/2

pinhead

PINHD-1X2

X6


S1G20/2

pinhead

PINHD-1X2

2.5.2

SCHÉMA OBVODU Schéma regulátoru je zobrazeno na obr.26.

43

Obr. 26 Schéma regulátoru

2.6


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



Obr. 29 Motiv spojů s „rozlitou mědí“

45

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 23.07.2006 20:48:49 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 680 680 1k8

C-EU050-024X044 C-EU050-024X044 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

C050-024X044 C050-024X044 DO35-10 DO35-10 DO201-15 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. 29.

2.8


Počet bodů

1

2

3

4

5

6

CELKEM

5

10

X

25

55

5

100


X Hodnocení

46

3 VÝVOJOVÁ DESKA PRO PIC16F84A/PIC16F88 3.1

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.


výběr součástek z Katalogu GME.

ROZMĚRY KONSTRUKCE Na obr.30 jsou uvedeny rozměry desky, zadané rozmístění prvků a otvorů.

47

Obr. 30 Rozměry, rozmístění součástek a otvorů

3.2


•

3.3 3.3.1

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.


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

Popis mikropočítačů PIC16F84A a PIC16F88 je v literatuře [11], [16] a na http://www.microchip.com. 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

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. 34.

50

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

3.3.2


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

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 10∗1∗10

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 1∗10−6

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 = =0,5∗10 3 A=0,5 mA RV 1 10∗10 3

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

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 =5− 2∗10−3∗90=4,82V Hodnota rezistoru R2

R2=

U OUT H −U F 4,82−1,7 = =1560 Ω IF 2∗10−3

Rezistory na výstupech portů RB0 – RB7 mají stejnou hodnotu 1560 Ω. Výkonové zatížení PR2

P R2 =I 2F∗R 2=2∗10−32∗1560=6,24∗10−3 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. 344. 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

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



3.5.1


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_0207/10

1560 Ω, 6,24 mW

RRU 1K6

rcl/R-EU

R-EU_0207/10

54


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


rcl/C-EU

C-EU050024X044

C6

100n, keramický


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


S1G20/2

pinhead

PINHD-1X2

TL0 TL3 X1

3.5.2

-

SCHÉMA VÝVOJOVÉ DESKY Schéma obvodu je zobrazeno na obr. 39.

55

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


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.


56


3.7


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 28.07.2006 20:55:08 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-EU050-024X044 C-EU050-024X044 CPOL-EUE5-8.5 C-EU050-024X044 C-EU050-024X044 CPOL-EUE5-8.5 PIC16F84AP DIL18S 78LXX LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM LED5MM

B-DIL C050-024X044 C050-024X044 E5-8,5 C050-024X044 C050-024X044 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

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 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 0207/10 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


Počet bodů

1

2

3

4

5

6

CELKEM

5

10

X

25

55

5

100


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

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.


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

4.2


•

4.3 4.3.1



Obvod se skládá z časovače 555 a IO 4017. Časovač je zapojen v astabilním módu činnosti a vyrábí řídící hodinové signály pro 5ti stupňový Johnsonův čítač 4017. 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

4.3.2


►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

f=

1,49 1,49 = =2,25 Hz [  R12R 2 ∗C1] [220∗103 2∗220∗103 ∗1∗10−6 ]

►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 20∗10−3

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 = 200 - 450 (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 15∗10−3 = =5∗10−5 A  300

I 'B =s∗I B=2∗5∗10−5=10∗10−5 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 10∗10−5

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

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

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.

4.5.2



Katalog [3]

NS EAGLE Knihovna

Označení

R1

M22

RR+220K SMD,vel.: 1206

rcl/R-EU

M1206

R2

M22


rcl/R-EU

M1206

R3

43k


rcl/R-EU

M1206

R4

43k


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

IC2

4017

4017 SMD

40xx/4017

4017D

Q1

BC848B

BC848B

transistornpn/BC848

BC848B SMT

JP1


S1G20

pinhead

PINHD-1X1

JP2


S1G20

pinhead

PINHD-1X1

4.5.3

SCHÉMA BLIKAČE

Schéma blikače je zobrazeno na obr. 46.

63

Obr. 46 Blikač SMD

4.6


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


Obr. 47 Motiv plošného spoje

4.7


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 04.01.2007 20:15:03 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, 51. 65

POHLED ZE STRANY SPOJŮ Před tiskem obr. 47 v E PCB si zobrazíme vrstvy: 1, 17, 18, 20.

4.8


Počet bodů

1

2

3

4

5

6

CELKEM

5

10

X

25

55

5

100


X Hodnocení

66

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

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 http://www.microrisc.com a http://www.iqrf.com. V literatuře [13] je uveden kompletní popis „Transceiver module 868.35 MHz TR-868-01“. 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

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. 53. 69

Obr. 53 Editor knihoven

5.2.1

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

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.

5.2.2

TVORBA MODULU (POUZDRA)

Při tvorbě vycházíme z obr. 50 a 51 a respektujeme rozmístění a funkci vývodů, rozměry modulu.

71

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

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.

5.2.3

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. 59.

73

Obr. 59 Okno připojení vývodů a plošek modulu

5.2.4

KONTROLA VYTVOŘENÉ SOUČÁSTKY Okno nově vytvořené knihovny iqrf.lbr je na obr. 60.

Obr. 60 Otevřené okno nové knihovny iqrf

74

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

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-868-01 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.


76

Obr. 62 Rozměry a rozmístění prvků a otvorů konstrukce

6.2


•

6.3 6.3.1



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

Obr. 63 Schéma zapojení vysílače DO

6.3.2


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 2∗10−3

Z řady E24 vybíráme hodnotu R1= 560R.

6.4



6.4.1



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-868-01

TR-868-01

iqrf (vlastní)

TR-868-01

X1

patice precizní

AWRF20Z-6,9

pinhead

PINHD-1X1

78


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 G1

6.4.2

baterie

SCHÉMA VYSÍLAČE DO Schéma vysílače DO je zobrazeno na obr. 64.

Obr. 64 Schéma vysílače DO

6.5


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.66.

79



6.6


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 07.01.2007 10:58:47 Part

Value

Device

Package

Description

A1 G1 R1

TR-868-01 CR1/2 560

IQRF CR1/2 R-EU_0204/7

IQRF CR1/2 0204/7

RF modul 868.35 MHz, LI BATTERY RESISTOR, European symbol

80

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

1

2

3

4

5

6

CELKEM

5

10

X

25

55

5

100


X Hodnocení

81

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-868-01 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.


82

Obr. 67 Rozměry a rozmístění prvků

7.2


•

7.3 7.3.1


NÁVRH OBVODU NÁVRH OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ Schéma přijímače se skládá z: • obvodu VF modulu TR-868-01, • 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 HT7130-1. 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

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

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 = =12,5∗10−3 A=12,5 mA RCÍVKY 960

Z katalogu vybíráme pro náš účel tranzistor BC337-16, který má parametry [3]: hFE = 100- 250 (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 12,5∗10−3 = =12,5∗10−5 A  100

Činitel nasycení volíme s = 2, potom

I 'B =s∗I B=2∗12,5∗10−5=25∗10−5 A U R1 =U OUT −U BE=3−0,7=2,3 V R1=

U R1 I

' B

=

2,3 =9 200 25∗10−5 

z řady E24 vybíráme R1 = R2 = 10 kΩ DIODY D1, D2 Ochranné diody volíme z katalogu [3] - 1N4148

7.4

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

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



7.5.1


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-868-01

TR-868-01

iqrf (vlastní)

TR-868-01

BC337

BC337-16

transistor-npn

BC337

3V stabilizátor HOLTEK

HT7130-1

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 W0185 10K

rcl/R-EU

R-EU_0204/7

R2

10 kΩ

R W0185 10K

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)


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]

7.5.2

SCHÉMA PŘIJÍMAČE DO Schéma přijímače DO je zobrazeno na obr. 71.

Obr.71 Schéma přijímače DO

7.6


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.73.

87



7.7


SCHÉMA OBVODU Na obr. 71 je zobrazeno schéma přijímače dálkového ovládání, které můžeme vytisknout. 88

SEZNAM SOUČÁSTEK Výstup: Textový formát - PARTS: Partlist exported from E:/RX/RX.sch at 10.01.2007 18:09:48 Part

Value

Device

Package

Description

A1 IC1 Q1 D1 D2 Q2 ANT1 C1 C2 R1 R2 JP1 K1 K2 X1 X2 X3 X4

IQRF HT7130-1 BC337-16 1N4148 1N4148 BC337-16

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 E2-5 0204/7 0204/7 JUMPER G6A-234P G6A-234P AK500/2 AK500/6 AK500/6 1X04

RF modul 868.35 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. 73.

7.8

ZÁVĚR A HODNOCENÍ PRÁCE

Hodnocení jednotlivých úkolů je v tabulce 30. Počet bodů

1

2

3

4

5

6

CELKEM

5

10

X

25

55

5

100


X Hodnocení

89

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, [email protected]

90

DORUČENÁ LITERATURA A INFORMAČNÍ ZDROJE [1] Materiály z http://cache.national.com/ds/LM/LM117.pdf, [2] Usměrňovač síťového zdroje, Časopis Praktická elektronika A Radio, č. 4/2001, [3] GM ELECTRONIC Součástky pro elektroniku, 2005, http:www.gme.cz, [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 http://www.fm.vslib.cz/%7Ekes/zip/profi/zatiz2.jpg [8] Materiály z http://cache.national.com/ds/LM/LM555.pdf [9] 555- univerzální IO, Časopis Amatérské rádio pro konstruktery, č. 5/1994, [10] Materiály z http://www.fairchildsemi.com/ds/BU/BUZ11.pdf [11] Materiály z http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/35007b.pdf http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30487c.pdf [12] Materiály z http://www.hw.cz/Produkty/ART1432-Inteligentni-bezdratova-pojitka -Ano-%E2%80%93-IQRF.html [13] Materiály z http://www.iqrf.com „Transceiver module 868.35 MHz TR-868-01“. [14] Materiály z http://www.metronix.cz/ht71xx.pdf HT71XX-1 30 mA Voltage Regulator [15] Materiály z http://www.metronix.cz/holtek.htm [16] Překlady manuálů PIC, Laboratoř mikroprocesorové techniky VOŠ, SŠ, COP Sezimovo Ústí, http://www.copsu.cz/mikrop

91

PŘÍLOHY Příloha 1 Pracovní prostředí schematického editoru

92

Příloha 2 Pracovní prostředí editoru plošného spoje

93

Příloha 3 Význam vrstev editoru plošného spoje

94

Příloha 4 Nomogram pro návrh chladiče

95

OBSAH 1 ŘÍZENÝ STABILIZOVANÝ NAPÁJECÍ ZDROJ S INTEGROVANÝM STABILIZÁTOREM LM

Recommend Documents