* XXX. ROČNÍK SÚŤAŽE ZENIT V ELEKTRONIKE * CELOSLOVENSKÉ KOLO, 6. – 8. 2. 2014. KATEGÓRIA “A+B“
Regulovateľný napájací zdroj 0-30V, 0-2A
Úloha 1. Podľa predloženej schémy zapojenia navrhnite plošný spoj. 2. Navrhnutý plošný spoj prekreslite alebo preneste na dosku plošného spoja. 3. Plošný spoj vyleptajte v chloride železitom. 4. Osaďte súčiastky a zariadenie oživte.
Úvod Zapojenie predstavuje jednoduchý lineárny regulovateľný napájací zdroj 0-30 V, 0-2 A s obmedzením prúdu, ktorý nájde uplatnenie v laboratóriu alebo dielni každého mladého elektronika. Na súťaži budete realizovať kompletnú elektroniku zdroja, ku ktorej stačí pripojiť už len sieťový transformátor. Na USB kľúči máte pripravené dva súbory so schémou pre návrhový systém Eagle. Konštrukcia obsahuje 1 integrovaný obvod a 8 rezistorov v SMD prevedení (súbor zenit_zdroj_SMD.sch). V prípade, že chcete pracovať len s klasickými vývodovými súčiastkami, je to možné, bude Vás to ale „stáť“ 5 bodov v hodnotení návrh plošného spoja (súbor zenit_zdroj_vyvodove.sch). K dispozícii máte materiál o veľkosti 100x160 mm.
Popis zapojenia Kompletná schéma zapojenia je priložená na konci dokumentu. Striedavé napätie zo sieťového transformátora je usmernené mostíkom B1 a vyhladené kondenzátormi C1, C2. Pre správnu funkciu zdroja je potrebný minimálny úbytok napätia na regulačnom tranzistore T1 zhruba 2-3 V. Pre dosiahnutie výstupného napätia 30 V teda potrebujeme vstupné neregulované napätie na vyhladzovacích kondenzátoroch cca. 32-33 V. Obvod zdroja možno rozdeliť na dva nezávislé celky. Reguláciu napätia má na starosti integrovaný obvod IC3. LM317 je monolitický integrovaný trojvývodový stabilizátor kladného napätia. Výstupné napätie sa nastavuje odporovým deličom medzi výstupným pinom, riadiacim pinom a zemou. V našom zapojení túto funkciu plnia pevný rezistor R6 a potenciometre POT1+POT3. Hodnota potenciometra POT1 je približne 10% hodnoty POT3 pre jemnejšiu reguláciu výstupného napätia v prípade, že nepoužijeme kvalitné viacotáčkové potenciometre. Štandardné katalógové zapojenie LM317 umožňuje riadiť výstupné napätie od minimálnej hodnoty 1.2 V. Vzhľadom na to, že v zapojení už máme negatívne napájacie napätie, môžeme malým trikom dosiahnuť výstupné napätie zdroja aj nižšie ako katalógových 1.2 V. Začiatok dráhy potenciometra POT1 neuzemníme, ale pripojíme na potenciál -1.2 V a obvod LM317 bude regulovať on 0 V. Diódy D3 a D4 slúžia ako veľmi primitívny stabilizátor pomocného napätia -1.2 V. V prípade, že reguláciu od 0 V nevyžadujeme, diódy D3 a D4 sa nahradia skratom a rezistor R3 sa neosadí. PRAKTICKÁ ČASŤ Strana 1 z 4
* XXX. ROČNÍK SÚŤAŽE ZENIT V ELEKTRONIKE * CELOSLOVENSKÉ KOLO, 6. – 8. 2. 2014. KATEGÓRIA “A+B“ Výstupné napätie stabilizátora je dané pomerom hodnôt R6 a POT1+POT3. V prípade poruchy (prerušenia) potenciometra môže výstupné napätie zdroja dosiahnuť až maximálnu konštrukčnú hodnotu 30 V. Preto je v zapojení použitý kondenzátor C15, ktorý filtruje napätie v uzle potenciometrov POT1+POT3 s časovou konštantou v ráde desiatok milisekúnd. Zdroj preto dokáže bezpečne fungovať aj v prípade keď potenciometer začne „chrastiť“. Na reguláciu napätia preto doporučujeme použiť kvalitné, najlepšie viacotáčkové potenciometre. Reguláciu výstupného prúdu zabezpečuje druhý blok zdroja – obvody okolo operačného zosilňovača IC4 NE5534. Obvod porovnáva napätie z bočníka tvoreného rezistormi R11 až R15 (t.j. 0.2 ) s napätím získaným deličom POT2+R4. V prípade, že výstupný prúd stúpne nad hodnotu nastavenú potenciometrom POT2 zdroj prejde z režimu konštantného napätia do režimu konštantného prúdu, čo je indikované rozsvietením LED diódy D2. Tranzistor T1 slúži na prúdové posilnenie výstupu obvodu LM317. Keďže ide o lineárny napájací zdroj, všetok výkon primárneho zdroja, ktorý neodoberie záťaž sa „spáli“ na regulačnom prvku. Tranzistor T1 je preto dimenzovaný na výkonovú stratu v ráde desiatok Wattov a vyžaduje účinné chladenie. Príklad – pri vstupnom napätí 33 V na C1+C2, výstupnom napätí 5V a prúde 2 A bude na T1 výkonová strata približne 60 W. Pre komfort obsluhy musí mať každý laboratórny napájací zdroj meranie výstupného napätia a prúdu. V prípade tejto konštrukcie je meranie zabezpečené externým modulom s malým mikroprocesorom a dvojriadkovým LCD displejom, ktorý dostanete už hotový (obrázok 1). Ku hlavnej doske sa pripája štyrmi vodičmi cez konektor CON1. Vzorka výstupného napätia sa odoberá odporovým deličom R20+R21+R22. Trimrom R21 sa nastaví výstupné napätie deliča tak, aby na pine 1 (Vout) CON1 bolo napätie 1.024 V pre 30 V na výstupe zdroja. Výstupný prúd zdroja sa meria pomocou bočníka R11-R15. Pri prúde 2 A sa na ňom vytvorí úbytok napätia 0.4 V, tento ale „pláva“ na potenciáli výstupu zdroja. Aby bolo možné úbytok napätia z bočníka merať uzemneným mikroprocesorom je nutné použiť diferenciálny zosilňovač IC5, ktorý prevedie plávajúci signál z bočníka na zemný potenciál a zosilní ho na hodnotu cca. 1.2 V / 2 A. Trimrom R18 sa nastaví výstupné napätie na pine 2 (Iout) CON1 na 1.024 V pre 2 A výstupného prúdu. Napäťový offset IC5 sa nuluje nastavením trimra R9. Pre dosiahnutie najlepšej presnosti merania je nutné aby rezistory R10 a R16 mali rovnakú hodnotu, takisto R8 a R17. Pre meranie prúdov v ráde jednotiek-desiatok mA je nevyhnutné použitie minimálne 1% rezistorov. Ešte lepšia presnosť sa dá dosiahnuť zmeraním a párovaním rezistorov. V SMD verzii konštrukcie sú pre tento účel pripravené sériové rezistory R8*, R10*, R16*, R17*. Presnejším multimetrom zmerajte rozdiel medzi hodnotou R8 a R10. Do série s menším rezistorom osaďte rezistor so zodpovedajúcou hodnotou. Druhý osaďte rezistorom 0R. Postup opakujte pre R16 a R17. Napájací zdroj potrebuje pre svoju činnosť pomocné napájacie napätie -5V (pre IC4 a IC5), ktoré sa vyrába usmerňovačom B2 so stabilizátorom IC1. Externý modul merania s mikroprocesorom a LCD displejom vyžaduje napájacie napätie +5V, vyrába ho usmerňovač B3 a stabilizátor IC2.
Zoznam súčiastok B1 B2 B3 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9
GBU4B B40R-DIO B40R-DIO 4700u/50V 4700u/50V 100nF 470u/25V 470u/25V 100nF 100nF 100nF 100nF
POT1 POT2 POT3 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9
PRAKTICKÁ ČASŤ
potenciometer 470R potenciometer 100K potenciometer 5K 33R 680R 560R 330k 240R 220R 22k 100k 1%, odmerať! 100k
Strana 2 z 4
* XXX. ROČNÍK SÚŤAŽE ZENIT V ELEKTRONIKE * CELOSLOVENSKÉ KOLO, 6. – 8. 2. 2014. KATEGÓRIA “A+B“ C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 CON1 D1 D2 D3 D4 D5 IC1 IC2 IC3 IC4 IC5
100nF 100p 100nF 100nF 100p 10u/50V 100nF 10u/50V pin. lišta 4x1 1N4148 LED červená 1N4148 1N4148 1N400x 7905 7805 LM317T NE5534N NE5534N (DIL), NE5534D (SO8)
R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 T1 R8*, R10* R16*, R17*
33k 1%, odmerať! 1R 1% 1R 1% 1R 1% 1R 1% 1R 1% 33k 1%, odmerať! 100k 1%, odmerať! 500 2.4k 75k 500 2.4k drôtová prepojka TIP34C 0R, slúži na kalibráciu 0R, slúži na kalibráciu
Poznámky k návrhu plošného spoja Plošný spoj, ktorý navrhujete pre napájací zdroj je v niektorých aspektoch špeciálny a hlavne menej skúsení konštruktéri by si mali dať pozor na určité pravidlá. -
Niektoré spoje prenášajú vyšší prúd (2 A), preto musia byť vodiče patrične dimenzované. Doporučujeme použiť šírku vodiča minimálne 1 mm, aby sme sa na doske vyhli problémom s „horiacimi poistkovými drôtmi“. Toto platí aj pre zemné vodiče (označené 0V, GND). Kritické vodiče sú v schéme označené hrubou čiarou.
-
Pre správnu funkciu zdroja je nevyhnutné aby boli blokovacie kondenzátory správne umiestnené. T.j. blízko integrovaných obvodov, alebo na výstupe zdroja.
-
Staviame analógový obvod, kvalitné zemnenie je dôležité. Rozvrhnite si dosku tak, aby ste zem mohli natiahnuť aspoň 1 mm vodičom.
-
Snažte sa navrhnúť dosku rozumne malú. Ak budú niektoré kritické súčiastky „rozťahané“ po celej doske stabilizátor môže kmitať.
-
Výkonový tranzistor musí byť umiestnený na veľkom chladiči. Na dosku ho preto umiestnite buď na okraj, aby sa dal priamo primontovať, alebo ho ku doske pripojíte dostatočne dimenzovanými izolovanými vodičmi.
-
Potenciometre slúžia na obsluhu napájacieho zdroja. Rozmiestnite ich na doske tak, aby boli prístupné z kraja dosky (v prípade montáže dosky priamo na panel), alebo ich pripojte ku plošnému spoju izolovanými vodičmi.
-
V prípade časovej tiesne nemusíte navrhovať spoj pre pomocné stabilizátory IC1 a IC2 (celý obvod v schéme ohraničený prerušovanou čiarou). Výrobok bude možné oživiť aj bez týchto súčiastok. Súťažiacemu sa ale ako kompenzácia strhne 10 bodov v kategórii funkčnosť.
Oživenie a odovzdanie konštrukcie Zdroj, ktorý ste zrealizovali je nutné postupne a opatrne oživiť, aby ste sa vyhli problémom so zničenými súčiastkami. PRAKTICKÁ ČASŤ
Strana 3 z 4
* XXX. ROČNÍK SÚŤAŽE ZENIT V ELEKTRONIKE * CELOSLOVENSKÉ KOLO, 6. – 8. 2. 2014. KATEGÓRIA “A+B“ Súťažiaci majú k dispozícii oživovacie pracovisko, kde môžu svoj výrobok pred odovzdaním otestovať. Problémy, ktoré súťažiaci zistia a opravia pred oficiálnym odovzdaním výrobku sa do hodnotenia nezapočítavajú. Problémy, ktoré sa zistia pri oficiálnom odovzdaní hodnotiacej komisii sa do finálneho hodnotenia započítavajú.
Poznámky ku konštrukcii Zdroj je veľmi jednoduchý, ale zároveň značne robustný. Jeho parametre sa dajú ľahko upraviť smerom nadol aj nahor. V prípade nižšieho výstupného napätia ja jednoducho použije sieťový zdroj s nižším napätím, tak aby bola zachovaná podmienka vstupné napätie za usmerňovačom musí byť aspoň o 2-3 V vyššie ako maximálne výstupné napätie. V prípade nižšieho výstupného prúdu treba upraviť odporový delič R4-POT2 tak aby plný rozsah potenciometra obmedzenia prúdu zodpovedal plnému rozsahu výstupného prúdu. Tranzistor T1 môže mať nižší maximálny stratový výkon. V prípade vyššieho výstupného prúdu je potrebné znížiť hodnotu bočníka R11-R15 z dôvodu výkonovej straty na rezistoroch. Takisto je potrebné upraviť odporový delič R4-POT2 a zabezpečiť lepšie chladenie tranzistora T1. Pre všetky prípady je potrebné zabezpečiť, aby sa neprekročilo maximálne prípustné napájacie napätie integrovaných obvodov IC4 a IC5, ktoré je podľa katalógového listu 40 V. V prípade vstupného napätia horšej kvality je možné rozpojiť rezistor R23 a operačný zosilňovač napájať cez malý stabilizátor, alebo obmedzovač napätia so zenerovou diódou. Pomocné striedavé napätia 5 V / 50 mA je možné získať napríklad z malého transformátora. V prípade, že sa ako hlavný sieťový transformátor použije toroid je možné veľmi jednoducho privinúť pár závitov na už hotový transformátor a pomocné napätia dostaneme „zadarmo“. program, modul môže rozšíriť funkcie zdroja, napríklad o predreguláciu vstupného napätia.
Obrázok 1: Schéma zapojenia externého meracieho modulu s displejom Autor: Ing. Daniel Valúch, PhD. PRAKTICKÁ ČASŤ
[email protected] Strana 4 z 4
+
10u/50V
C17
C16
Vystup 0-30V 0-2A 0V
GND
R20 75k
R16* 0R
1
C11 100p
R10* 0R
ADJ
AC1B
R10 33k
GND
2
R8* 0R
VO
R8 100k
VI
C14 100p
+
1R 1R 1R 1R 1R
R11 R12 R13 R14 R15
100nF
POT2 100K
0 R23
R1 33
C3
100nF
IC3 LM317T
3
100nF
+ GND
C6
AC1A
C2
Vstup ~24V/2A
D5 1N4004
T1 TIP34C
4700u/50V
+
C1
B1 GBU4B
4700u/50V
Obmedzenie prudu 0-2A
GND
GND
Napajanie a stabilizatory +/-5V. Tato cast nie je pre odovzdanie konstrukcie kriticka a da sa nahradit externym zdrojom. V pripade nedostatku casu nemusite navrhovat plosny spoj pre suciastky umiestnene v obdlzniku. Cena za nenavrhnuty blok je 10 bodov v kategorii funkcnost.
-5V
R5 240
2 AC2B
VO
3
+
POT3 5K
POT1 470
D3 D4
-5V
R21 500
R18 500
C15 10u/50V
CON1
GND
GND
GND
IC2 7805
AC3B
+5V
Verzia s SMD suciastkami
100nF
C10
2
100nF
470u/25V
B3
3
GND C8
+
AC3A
C5
Vstup ~5V/50mA
B40R-DIO
VO
VI
GND
GND
R18: Kalibracia merania prudu 1.024V pre 2A R21: Kalibracia merania prudu 1.024V pre 30V
IC1 7905
1
Vout Iout +5V GND
+5V
GND 1N4148 1N4148
GND VI
100nF
C9
1
100nF
470u/25V
+ B2
GND
C7
B40R-DIO
C4
Vstup ~5V/50mA
R3 560
AC2A
R17* 0R
R9: Nulovanie offsetu pre snimac prudu
Nastavenie vyst. napatia Jemne Hrubo
-5V
V-
R9 100k
1 2 3 4
R22 2.4k
GND
K modulu merania
NE5534D
R19 2.4k
GND
IC5
4 5
R17 100k
2
CMP
V-
BAL C/B
C13 100nF
IC4
CMP
7 1
2
1 7
NE5534N
GND
3
3
1N4148
-5V
V+ BAL C/B
8 6
-5V
8 6
R7 22k
-5V
D2
R6 220
D1
R4 330k
+5V
5 4
GND
+5V
R16 33k
C12 100nF
Spajkovacie body pre pripojenie pomocnych napajacich napati
V+
R2 680
GND GND GND GND
XXX. rocnik ZENIT v elektronike celoslovenske kolo 6-8.2.2014 Regulovatelny napajaci zdroj 0-30V, 0-2A
2
Napajanie a stabilizatory +/-5V. Tato cast nie je pre odovzdanie konstrukcie kriticka a da sa nahradit externym zdrojom. V pripade nedostatku casu nemusite navrhovat plosny spoj pre suciastky umiestnene v obdlzniku. Cena za nenavrhnuty blok je 10 bodov v kategorii funkcnost.
-5V
R5 240
AC2B
VO
3
+
POT3 5K
POT1 470
D3 D4
-5V
C15 10u/50V
R20 75k
+
10u/50V
2
1 2 3 4
R21 500
R18 500
Vout Iout +5V GND CON1
+5V
GND 1N4148 1N4148
GND VI
100nF
C9
1
100nF
C7
+ C4
470u/25V
Vstup ~5V/50mA
2
V-
R9: Nulovanie offsetu pre snimac prudu
R3 560 GND
K modulu merania
NE5534N R9 100k
Nastavenie vyst. napatia Jemne Hrubo
-5V
IC5
R19 2.4k
GND GND
3
2
4 5
R17 100k
V-
CMP
IC4
CMP
7 1
BAL C/B
C13 100nF
GND
GND
R16 33k
R8 100k
1 7
NE5534N
GND
3
V+
1N4148
B2
0V
-5V
V+ BAL C/B
8 6
-5V
8 6
R7 22k
-5V
D2
R6 220
D1
R4 330k
+5V
5 4
GND
+5V
R10 33k
GND
R2 680
C12 100nF
Spajkovacie body pre pripojenie pomocnych napajacich napati
GND
R22 2.4k
1
C11 100p
GND GND GND GND
B40R-DIO
Vystup 0-30V 0-2A
ADJ
AC1B
AC2A
C17
VO
C16
VI
C14 100p
+
1R 1R 1R 1R 1R
R11 R12 R13 R14 R15
100nF
POT2 100K
0 R23
R1 33
C3
100nF
IC3 LM317T
3
100nF
+ GND
C6
AC1A
C2
Vstup ~24V/2A
D5 1N4004
T1 TIP34C
4700u/50V
+ C1
B1 GBU4B
4700u/50V
Obmedzenie prudu 0-2A
GND
GND
R18: Kalibracia merania prudu 1.024V pre 2A R21: Kalibracia merania prudu 1.024V pre 30V
GND
GND
IC1 7905
IC2 7805
AC3B
3
+5V
Verzia so STANDARDNYMI suciastkami
100nF
2
C10
C5
B3
100nF
+
AC3A
VO
VI
GND C8
B40R-DIO
470u/25V
Vstup ~5V/50mA
1
GND
XXX. rocnik ZENIT v elektronike celoslovenske kolo 6-8.2.2014 Regulovatelny napajaci zdroj 0-30V, 0-2A
