a. příprava projektu

A. PŘÍPRAVA PROJEKTU
2. NÁVRH OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ
Při návrhu obvodového řešení vycházíme z údajů zadání. Můžeme přebírat již
vytvořená schémata z různých příruček, časopisů, katalogů, dokumentace a technických
popisů součástek od jejich výrobců. Neopomeneme využívat i Internet.
Stabilizovaný napájecí zdroj se bude skládat z:
- usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem,
- monolitického stabilizátoru napětí,
- obvodu signalizace činnosti zdroje.
a) BLOKOVÉ SCHÉMA ZDROJE
Blokové schéma zdroje je na obr. 2.
Obr. 2 Blokové schéma zdroje
b) OBVODOVÉ SCHÉMA ZDROJE
Při návrhu usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem vycházíme ze známého
schématu, které je uvedeno na obr. 3. Zde již můžeme označovat jednotlivé součástky- vstupní
konektor X1, diody D1 - D4 a kondenzátor C1.
Obr. 3 Schéma usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem
Při návrhu obvodu stabilizátoru vycházíme z doporučeného zapojení výrobce [1].
Na obr. 4 je zobrazen výpis z dokumentace výrobce [1]. Popis stabilizátoru si můžeme
stáhnou z http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM7805.pdf
1
Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
Obr. 4 Doporučené zapojení obvodu
Schéma můžeme pro náš účel převzít, pouze upravíme označení součástek. Při
označování součástek se snažíme dodržovat jejich pořadí podle sestavování celkového
obvodu. V dalším tento princip dodržuje i NS EAGLE (NAME).
Na výstupu je schéma doplněno obvodem signalizace činnosti zdroje, který obsahuje
rezistor R1 a diodu LED1.
Obr.5 Obvod signalizace
Poznámka- je vhodné umístit na výstup monolitického stabilizátoru další elektrolytický
kondenzátor, v našem případě je označen C.
Následně sestavíme jednotlivé části do jednoho celkového obvodového schématu
napájecího zdroje. Jednotlivým součástkám stanovíme označení (značení provádíme po
typech s nárůstem čísel zleva doprava). Výsledkem našeho návrhu obvodového řešení je
schéma zobrazené na obr. 6.
Ve schématu jsou šipkami vyznačeny součástky, u kterých musíme vypočítat a nebo
určit jejich hodnoty.
Obr. 6 Celkové zapojení obvodu
2
Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
Tímto krokem jsme ukončili návrh obvodového řešení. Následně přistoupíme k výpočtu
a určení hodnot součástek, které jsou označeny šipkou.
3. VÝPOČET A URČENÍ HODNOT SOUČÁSTEK
Při pohledu na obr. 6 zjistíme, že musíme vypočítat hodnoty kondenzátoru C1, rezistoru
R1. Hodnoty kondenzátorů C2, C3 a C4 převezmeme z dokumentace zapojení výrobce. Z
katalogu [2] volíme typ usměrňovacích diod D1 – D4 a provedení monolitického stabilizátoru
LM7805.
V závěru kapitoly se musíme rozhodnout, které součástky bude nutné opatřit
chladičem.
3.1 VÝPOČET KAPACITY VYHLAZOVACÍHO KONDENZÁTORU C1
Uvedeme si zjednodušený způsob výpočtu kapacity vyhlazovacího kondenzátoru [3].
Vycházíme z následujících předpokladů:
1. kondenzátor C1 se nabíjí na maximální hodnotu napětí UMAX C1 a následně se vybíjí
na hodnotu minimální UMINC1 ,která však musí být dostatečná pro práci integrovaného
stabilizátoru LM7805. Toto napětí na vstupu integrovaného stabilizátoru musí být
vždy o min. 3 V vyšší než max. výstupní napětí obvodu;
2. celkový proud ICELK je dán součtem výstupního proudu IOUT (viz. zadání,) a proudů,
které jsou nutné pro činnost integrovaného stabilizátoru ISTAB a svitu LED ILED;
3. perioda pulsujícího usměrněného napětí na výstupu můstku, odpovídá kmitočtu
100 Hz.
VÝPOČET:
U MAX C1=k  2U IN RMS − U D
U MAX C1=0,9  2∗9−2∗0,5=10,45 V
k
- koeficient možného snížení napětí sítě o 10% - 0,9,
UIN RM
- efektivní hodnota vstupního napětí ze síťového adaptéru
9 V,
∆UD
- úbytek napětí na diodách můstku (vždy proud protéká přes
dvě diody můstku), úbytek napětí na diodě je závislý od
protékajícího proudu, pro náš účel předpokládáme úbytek
0,5 V.
U MINC1 =U OUT 3 V
U MINC1 =53=8 V
UOUT – výstupní napětí obvodu - 5 V
I CELK =I OUT I LEDI STAB
I CELK =1001010=120 mA=0,12 A
IOUT - zadaný výstupní proud - 100 mA ,
ILED - proud potřebný pro činnost LED - 10 mA (viz. katalog, doporučený
proud IF ),
ISTAB - proud potřebný pro činnost integrovaného stabilizátoru - 10
3
Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
mA(odhad ).
Náboj kondenzátoru: Q=C∗U
I∗t
U
Kapacita vyhlazovacího kondenzátoru C1 v našem obvodu bude:
Q=I ∗t
C1=
→
C∗U =I ∗t
→
C=
I CELK∗t
 U C1
∆UC1 – rozdíl max. a min. hodnoty napětí na C1
 U C1=U MAXC1 −U MINC1
 U C1=10,45−8=2,45 V
t – perioda nabíjení a vybíjení C1 (u dvoucestného můstkového usměrnění
odpovídá f = 100 Hz)
1
1
t= =
=1∗10−2 sec
f 100
C1=
0,12∗10−2
2,45
−6
C1=489∗10 F
→ 489 μF
U elektrolytického kondenzátoru C1 nás kromě kapacity, kterou jsme počítali pro případ
poklesu napájecího napětí o 10% a zajištění spolehlivé práce stabilizátoru při zadaném
odběru, nás bude zajímat i maximální napětí v případě zvýšení síťového napětí o 10%.
∗
Na toto zvýšené napětí U MAX C1 musíme vybírat (dimenzovat) konkrétní elektrolyt z
katalogu [2], a proto ho určíme již nyní. Výpočet bude podobný, pouze koeficient bude k =
1,1.
U ∗MAX C1=k  2∗U IN RMS− U D=1,1∗ 2∗9−1=13V
3.2 URČENÍ KAPACITY KONDENZÁTORU C4
Vycházíme z celé řady osvědčených zapojení, kdy kapacita elektrolytického
kondenzátoru C4 na výstupu stabilizátoru, je řádově desítky μF a pracovní napětí v našem
případě je 5V.
3.3 VÝPOČET HODNOTY REZISTORU R1
Předřadný rezistor R1 musí zabezpečit stav, kdy na LED je napětí U F a diodou protéká
proud IF. Při tomto stavu LED dioda dostatečně svítí a není přetěžována.
V katalogu GME [2] jsou pro červenou LED L-5MM02RT uvedeny hodnoty:
UF = 2,0 V,
IF = 20 mA.
Volíme IF = 10 mA.
4
Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
R1=
U R1
IF
U R1=U OUT −U F =5−2=3 V
R1 = 300 Ω
Při výběru konkrétního rezistoru nás bude zajímat jeho výkonové zatížení PR1, které
můžeme vypočítat podle známého vzorce.
U2
P R1=3∗10∗10−3=0,03 W
P R1=U R1∗I F = R1 =I 2F∗R1
R1
3.4 URČENÍ DIOD D1 – D4
Vycházíme z principu práce můstkového
usměrňovače, který je zobrazen na obr. 7.
a) Proudové dimenzování
IFM – nejvyšší přípustný periodicky se opakující
špičkový proud v propustném směru
(vrcholová hodnota střídavého proudu v
propustném směru při provozní frekvenci
vyšší než 20 Hz)
k1 – koeficient proudového zálohování (5 – 12)
I FM =k 1∗I CELK =7∗0,12=0,84 A
b) Napěťové dimenzování
U RM =k 2∗ 2∗U IN MAX RMS =1,5∗ 2∗9,9=21V
URM – max. přípustné vrcholové závěrné napětí
(vrcholová hodnota střídavého napětí v
závěrném směru při provozní frekvenci
vyšší než 20 Hz)
UIN MAX RMS – max. efektivní hodnota střídavého
napětí na vstupu usměrňovače při zvýšení
napětí sítě o 10 %
k2 = 1,5 – koeficient napěťového zálohování
U IN MAX RMS =1,1∗U IN =1,1∗9=9,9V
Obr. 7 Princip můstkového zapojení
V katalogu [2] a ve výpisu z dokumentace nacházíme odpovídající typ diod- volíme 1N4007
5
Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
3.5 URČENÍ TYPU MONOLITICKÉHO STABILIZÁTORU
Rozhodující jsou výstupní napětí a proud, které zjistíme v katalogu [2] a nebo popisu
stabilizátoru [1].
UOUT = 5 V DC STAB
I CELK =I OUT  I LED
I CELK =10010=110 mA=0,11 A
V katalogu [2] můžeme zvolit typy:
- 78L05
IOUT = 0,1 A v pouzdru TO92,
- 78M05
IOUT = 0,5 A v pouzdru TO220,
- 7805
IOUT = 1,5 A v pouzdru TO220.
Pro náš příklad vyhoví typ 7805 v pouzdru TO220:
- máme možnost odebírat i vyšší proud,
- stabilizátor při odběru 100 mA nebude výkonově namáhán.
3.6 CHLAZENÍ SOUČÁSTEK
Návrh plošného spoje obvodu bude ovlivňovat i fakt, zda některé součástky bude nutné
chladit. Především se zaměříme na monolitický stabilizátor 7805.
Určíme si ztrátový výkon součástky při kritickém režimu práce obvodu:
– na vstupu integrovaného stabilizátoru je napětí, které odpovídá zvýšenému
napájecímu napětí o 10 % U ∗MAX C1 =13V ,
– na výstupu napětí UOUT = 5 V,
– odebíráme proud IOUT = 100mA.
Ztrátový výkon integrovaného stabilizátoru bude:
P Z 7805= U 7805∗I OUT
- rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem integrovaného stabilizátoru :
U 7805=U ∗MAX C1−U OUT =13−5=8V
6
Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
P Z 7805=8∗100∗10−3=0,8 W
Při návrhu obvodu si musíme ujasnit, zda je nutné umístit integrovaný obvod na chladič
a nebo vypočítaný ztrátový výkon (0,8 W) je schopné pouzdro odvést do okolí bez chladiče.
Tepelný odpor je definován R = T J −T A  TJ - povolená teplota přechodu, čipu
TH
PZ
TA - teplota okolí (uvažujeme 25°C)
Po úpravě vzorce bude ztrátový výkon P Z =
T J −T A 
RTH
V doporučeném zapojení výrobce [1] jsou uvedeny parametry:
RΘJA TJ -
tepelný odpor mezi čipem a okolím bez použití chladiče [Thermal
Resistance, Junction – Air] pro pouzdro TO-220 je RΘJA = 65°/W.
povolená teplota čipu, přechodu- 125°C
3.6.1 INTEGROVANÝ STABILIZÁTOR BEZ CHLADIČE
Po dosazení do vzorce vypočítáme, jaký výkon je pouzdro bez chladiče schopné odvést
do okolí:
PZ =
T J −T A  125−25
=
=1,53W
RΘJA
65
Závěr- pouzdro typu TO-220 bez chladiče je schopné při zadaných teplotách čipu a
okolí odvést do okolí ztrátový výkon 1,53 W. Požadovaný ztrátový výkon stabilizátoru 7805
(0,8 W) nutný pro funkci našeho obvodu je nižší, a proto není nutné použití chladiče.
Prakticky však doporučuji, pro snížení jeho teplotního namáhání, integrovaný
stabilizátor 7805 umístit na jednoduchý chladič typu DO1A [2].
7
Ing. Antonín JURÁNEK, 2006
3.6.2 INTEGROVANÝ STABILIZÁTOR NA CHLADIČI
Při použití chladiče vycházíme z náhradního schématu, které je na obr. 8.
Obr. 8 Náhradní schéma při umístění stabilizátoru na chladič
RTHJC – tepelný odpor mezi čipem (přechodem) a pouzdrem
RTHCR – tepelný odpor mezi pouzdrem a chladičem (0,2 °C/W)
RTHRA – tepelný odpor mezi chladičem a okolím
Z náhradního schématu na obr. 7 můžeme pro paralelní kombinaci vypočítat celkový
tepelný odpor RTHΣ.
Platí, že
RTHJC + RTHCR + RTHRA << RTHJA
Pro návrh nemusíme počítat paralelní kombinaci tepelných odporů a vzorec pro celkový
tepelný odpor při použití chladiče bude mít tvar:
RTHΣ = RTHJC + RTHCR + RTHRA + RTH PODL
RTH PODL – tepelný odpor slídové podložky mezi pouzdrem a chladičem ( 1°C/W)
V doporučeném zapojení výrobce 7805 [1] a katalogu [2] pro chladič DO1A jsou
uvedeny následující údaje:
RTHJC - 5 °C/W
(RTHJC = RΘJC )
RTHRA - 21 °C/W
RTHΣ = 5 + 0,2 + 21 + 1 = 27,2 °C/W
Při použití chladiče DO1A je přenesený výkon do okolí:
PZ=
T J −T A  125−25
=
=3,67 W
RTHΣ
27,2
ZÁVĚR:
a) Pro potřebný ztrátový výkon stabilizátoru 7805 v navrhovaném obvodu (0,8 W) se
čip integrovaného obvodu umístěného na chladič DO1A zahřeje pouze na teplotu
TJ = 46,76 °C a tím dojde ke snížení tepelného namáhání součástky.
b) S uvedeným chladičem můžeme z napájecího zdroje odebírat IOUT MAX = 0,458 A a
nepřekročíme teplotní namáhání stabilizátoru.
8
Ing. Antonín JURÁNEK, 2006