eagle-sbírka úloh

Transkript

eagle-sbírka úloh

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
2.7 GENEROVÁNÍ VÝSTUPŮ ................................................................................46
3 VÝVOJOVÁ DESKA PRO PIC16F84A/PIC16F88....................................................47
3.1 ZADÁNÍ.............................................................................................................47
3.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................48
4 BLIKAČ S SMD........................................................................................................59
4.1 ZADÁNÍ.............................................................................................................59
4.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................60
4.5 VYTVOŘENÍ SCHÉMA BLIKAČE SMD............................................................62
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
6.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................77
7 PŘIJÍMAČ DÁLKOVÉHO OVLÁDÁNÍ IQRF RX 868 MHz.......................................82
7.1 ZADÁNÍ.............................................................................................................82
7.3 NÁVRH OBVODU.............................................................................................83
7.4 KONTROLA ČINNOSTI SIMULAČNÍM PROGRAMEM....................................85
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
hodnota, poznámky,
popis
NS EAGLE
Katalog [3]
∗
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
100n, keramický
Knihovna
*2)
C3
E1M/50V
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
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
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,
na obr.19.
•
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
•
•
•
2.3
2.3.1
postup a hodnocení jednotlivých úkolů jsou uvedeny v tabulce 1.,
vlivu - jejich změny na činnost obvodu - do hodnocení práce v NS Eagle
NÁVRH OBVODU
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
hodnota, poznámky,
popis
NS EAGLE
Katalog [3]
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
rcl/C-EU
C-EU050-024X044
C2
10n, keramický
CK10N/100V
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
hodnota, poznámky,
popis
NS EAGLE
Katalog [3]
Knihovna
Označení
X5
lámací 2
S1G20/2
pinhead
PINHD-1X2
X6
lámací 2
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
Popis jednotlivých operací je uveden v literatuře [4] a kapitole 1.
SCHÉMA OBVODU
Vytiskneme schéma zapojení obvodu, které je na obr. 26.
SEZNAM SOUČÁSTEK
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 součástek je na obr. 27.
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
Počet bodů
X
Hodnocení
46
3 VÝVOJOVÁ DESKA PRO PIC16F84A/PIC16F88
3.1
ZADÁNÍ
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.
•
•
•
•
•
•
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,
NÁVRH OBVODU
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
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
EAGLE
3.5.1
Výběr součástek je uveden v tabulce 24.
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
poznámky, popis
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
/ RM= 5 mm)
rcl/C-EU
C-EU050024X044
C6
100n, keramický
/ RM= 5 mm)
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
konektorové kolíky lámací 2
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
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
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
Tiskneme pohled ze strany pouzder součástek, který je na obr. 40.
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
Počet bodů
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
VSTUPNÍ:
•
napájení napětí 5 V DC.
FUNKCE:
•
ovládání modré LED,
•
cyklus - dva krátké záblesky LED a následná delší pauza.
•
•
•
•
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
NÁVRH OBVODU
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
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
hodnota, poznámky, popis
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
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
Před tiskem obr. 48 v E PCB si zobrazíme vrstvy: 17, 18, 20, 21, 51.
65
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
Počet bodů
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.
•
•
•
40 mm,
otvory o průměru 3 mm jsou pro upevnění pomocí distančních
sloupků DA5M3X10 na zkušební desku,
na obr.62.
DOPORUČENÉ SOUČÁSTKY:
•
•
•
•
•
•
•
modul TR-868-01 od f. IQI s.r.o., Jičín,
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.
ROZMĚRY DESKY
76
Obr. 62 Rozměry a rozmístění prvků a otvorů konstrukce
6.2
•
•
•
6.3
6.3.1
NÁVRH OBVODU
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
EAGLE
6.4.1
poznámky, popis
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
poznámky, popis
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
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 je na obr. 65 a je možné ho vytisknout.
Na obr. 66 je připravena možná varianta plošných spojů.
6.7
Počet bodů
1
2
3
4
5
6
CELKEM
5
10
X
25
55
5
100
Počet bodů
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.
•
•
•
•
•
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,
připojení antény λ/4 pomocí patice precizní typu AWRF20Z-6,9,
připojení modulu k desce pomocí konektorových kolíků lámacích
S1G.
ROZMĚRY DESKY
82
Obr. 67 Rozměry a rozmístění prvků
7.2
•
•
•
7.3
7.3.1
NÁVRH OBVODU
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
EAGLE
7.5.1
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)
poznámky, popis
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
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
Tiskneme pohled ze strany pouzder součástek, který je na obr. 72.
Pohled ze strany spojů, kde část návrhu je řešena metodou „rozlité mědi“,
je připraven k tisku na obr. 73.
7.8
Počet bodů
1
2
3
4
5
6
CELKEM
5
10
X
25
55
5
100
Počet bodů
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

eagle-sbírka úloh

Transkript

Podobné dokumenty

a. příprava projektu

Metodika pro využití samostatných vzorových el. obvodů

datasheet - MkPochtoi.ru

Rozhodovací stromy

Abecední rejstřík - Server Trinom.org

Rozvaha - Vrbno nad lesy

Dotykový spínač osvetlenia s časovačom

Digitální stupnice a FLL pro BiTX