Zakaj se učiti načrtovanja električnih vezij
Napajalni tokokrog je pomemben del elektronskega izdelka, zasnova napajalnega tokokroga pa je neposredno povezana z delovanjem izdelka.
Klasifikacija napajalnih tokokrogov
Napajalni tokokrogi naših elektronskih izdelkov vključujejo predvsem linearne napajalnike in visokofrekvenčne stikalne napajalnike. Teoretično linearno napajanje določa, koliko toka uporabnik potrebuje, vhod pa zagotavlja toliko toka; stikalno napajanje pa določa, koliko moči uporabnik potrebuje in koliko moči je zagotovljene na vhodu.
Shematski diagram linearnega napajalnega vezja
Linearne napajalne naprave delujejo v linearnem stanju, kot so naši pogosto uporabljeni čipi za regulacijo napetosti LM7805, LM317, SPX1117 in tako naprej. Slika 1 spodaj je shematski diagram vezja reguliranega napajanja LM7805.
Slika 1 Shematski diagram linearnega napajanja
Iz slike je razvidno, da je linearni napajalnik sestavljen iz funkcionalnih komponent, kot so usmerjanje, filtriranje, regulacija napetosti in shranjevanje energije. Hkrati je linearni napajalnik na splošno serijska regulacija napetosti, izhodni tok je enak vhodnemu toku, I1 = I2 + I3, I3 je referenčni konec, tok je zelo majhen, zato je I1 ≈ I3. Zakaj želimo govoriti o toku, ker pri zasnovi tiskanega vezja širina vsake linije ni naključno določena, temveč se določi glede na velikost toka med vozlišči v shemi. Velikost toka in pretok toka morata biti jasna, da je plošča pravilna.
Diagram tiskanega vezja linearnega napajanja
Pri načrtovanju tiskanega vezja mora biti razporeditev komponent kompaktna, vse povezave čim krajše, komponente in linije pa morajo biti razporejene glede na funkcionalno razmerje med shematskimi komponentami. Ta diagram napajanja je najprej usmerjanje, nato filtriranje, filtriranje je regulacija napetosti, regulacija napetosti je kondenzator za shranjevanje energije, nato pa elektrika teče skozi kondenzator v naslednje vezje.
Slika 2 prikazuje diagram tiskanega vezja zgornjega shematskega diagrama, diagrama pa sta si podobna. Leva in desna slika se nekoliko razlikujeta, napajalnik na levi sliki je po usmerjanju neposredno priključen na vhodno nogo čipa regulatorja napetosti in nato na kondenzator regulatorja napetosti, kjer je filtrirni učinek kondenzatorja veliko slabši, izhod pa je prav tako problematičen. Slika na desni je dobra. Upoštevati moramo ne le problem pretoka pozitivnega napajalnika, temveč tudi problem povratnega toka. Na splošno morata biti pozitivni vodnik in ozemljitveni vodnik povratnega toka čim bližje drug drugemu.
Slika 2 Diagram tiskanega vezja linearnega napajanja
Pri načrtovanju tiskanega vezja linearnega napajalnika moramo biti pozorni tudi na problem odvajanja toplote čipa regulatorja moči linearnega napajalnika, kako prihaja do toplote. Če je vhodna napetost regulatorja 10 V, izhodna napetost 5 V in izhodni tok 500 mA, potem je na čipu regulatorja padec napetosti 5 V, ustvarjena toplota pa je 2,5 W. Če je vhodna napetost 15 V, je padec napetosti 10 V in ustvarjena toplota je 5 W, zato moramo glede na moč odvajanja toplote nameniti dovolj prostora za odvajanje toplote ali ustrezno hladilno telo. Linearni napajalnik se običajno uporablja v primerih, ko je razlika tlaka relativno majhna in tok relativno majhen, v nasprotnem primeru uporabite vezje preklopnega napajanja.
Primer sheme visokofrekvenčnega stikalnega napajalnika
Stikalni napajalnik uporablja vezje za krmiljenje stikalne cevi za visokohitrostni vklop/izklop in izklop, generira PWM valovno obliko, preko induktorja in diode za neprekinjeni tok pa se napetost regulira z elektromagnetno pretvorbo. Stikalni napajalnik ima visoko učinkovitost in nizko toploto, običajno uporabljamo vezja: LM2575, MC34063, SP6659 itd. Teoretično je stikalni napajalnik na obeh koncih vezja enak, napetost je obratno sorazmerna, tok pa obratno sorazmeren.
Slika 3 Shematski diagram vezja preklopnega napajanja LM2575
Diagram tiskanega vezja preklopnega napajalnika
Pri načrtovanju tiskanega vezja stikalnega napajalnika je treba biti pozoren na: vhodno točko povratne zveze in diodo za neprekinjen tok, ki sta namenjena za neprekinjen tok. Kot je razvidno iz slike 3, ko je U1 vklopljen, tok I2 vstopi v induktor L1. Značilnost induktorja je, da ko tok teče skozi induktor, ne more nenadoma nastati niti nenadoma izginiti. Sprememba toka v induktorju ima časovni proces. Pod vplivom impulznega toka I2, ki teče skozi induktor, se del električne energije pretvori v magnetno energijo, tok pa se postopoma povečuje. Ob določenem času krmilno vezje U1 izklopi I2. Zaradi značilnosti induktivnosti tok ne more nenadoma izginiti. V tem času dioda deluje in prevzame tok I2, zato se imenuje dioda za neprekinjen tok. Vidimo lahko, da se dioda za neprekinjen tok uporablja za induktivnost. Neprekinjen tok I3 se začne na negativnem koncu C3 in teče skozi D1 in L1 v pozitivni konec C3, kar je enakovredno črpalki, ki uporablja energijo induktorja za povečanje napetosti kondenzatorja C3. Obstaja tudi problem vhodne točke povratne linije za zaznavanje napetosti, ki jo je treba po filtriranju vrniti na mesto, sicer bo valovanje izhodne napetosti večje. Mnogi naši oblikovalci tiskanih vezij pogosto prezrejo ti dve točki, saj mislijo, da tam ni isto omrežje, v resnici pa ni isto mesto in vpliv na zmogljivost je velik. Slika 4 je diagram tiskanega vezja stikalnega napajalnika LM2575. Poglejmo, kaj je narobe z napačnim diagramom.
Slika 4 Diagram tiskanega vezja stikalnega napajalnika LM2575
Zakaj želimo podrobno govoriti o načelu sheme? Shema vsebuje veliko informacij o tiskanem vezju, kot so dostopna točka pinov komponente, trenutna velikost vozlišča omrežja itd. Glejte shemo, zato zasnova tiskanega vezja ni problem. Vezji LM7805 in LM2575 predstavljata tipično postavitev vezja linearnega napajanja oziroma stikalnega napajanja. Pri izdelavi tiskanih vezij sta postavitev in ožičenje teh dveh shem tiskanih vezij neposredno na liniji, vendar sta izdelka in vezje drugačno, kar se prilagodi dejanski situaciji.
Vse spremembe so neločljive, zato je načelo napajalnega vezja in način delovanja plošče neločljivo povezano, vsak elektronski izdelek pa je neločljivo povezan z napajalnikom in njegovim vezjem, zato se naučite obeh vezij, drugo pa je tudi razumljeno.
Čas objave: 8. julij 2023
