Prečo sa učiť návrh silových obvodov
Napájací obvod je dôležitou súčasťou elektronického produktu, návrh napájacieho obvodu priamo súvisí s výkonom produktu.
Klasifikácia napájacích obvodov
Napájacie obvody našich elektronických produktov zahŕňajú najmä lineárne napájacie zdroje a vysokofrekvenčné spínané napájacie zdroje. Teoreticky lineárny napájací zdroj určuje, koľko prúdu používateľ potrebuje a koľko prúdu poskytne vstup; spínaný napájací zdroj určuje, koľko energie používateľ potrebuje a koľko energie je dodávané na vstupe.
Schéma zapojenia lineárneho napájacieho obvodu
Lineárne výkonové zariadenia pracujú v lineárnom stave, ako napríklad naše bežne používané čipy regulátora napätia LM7805, LM317, SPX1117 atď. Obrázok 1 nižšie je schematický diagram regulovaného napájacieho obvodu LM7805.
Obrázok 1 Schéma zapojenia lineárneho napájacieho zdroja
Z obrázku je zrejmé, že lineárny napájací zdroj sa skladá z funkčných komponentov, ako sú usmerňovanie, filtrovanie, regulácia napätia a akumulácia energie. Zároveň je všeobecný lineárny napájací zdroj sériovou reguláciou napätia, výstupný prúd sa rovná vstupnému prúdu, I1 = I2 + I3, kde I3 je referenčný koniec, prúd je veľmi malý, takže I1 ≈ I3. Prečo chceme hovoriť o prúde, pretože v návrhu dosky plošných spojov nie je šírka každého vedenia náhodne nastavená, ale musí sa určiť podľa veľkosti prúdu medzi uzlami v schéme. Veľkosť prúdu a tok prúdu by mali byť jasné, aby doska bola správna.
Schéma plošných spojov lineárneho napájacieho zdroja
Pri navrhovaní dosky plošných spojov by malo byť rozloženie komponentov kompaktné, všetky pripojenia by mali byť čo najkratšie a komponenty a vedenia by mali byť rozmiestnené podľa funkčného vzťahu schematických komponentov. Táto schéma napájania je najprv usmerňovačom a potom filtrovaním, filtrovanie je regulácia napätia, regulácia napätia je kondenzátor na akumuláciu energie a po pretekaní kondenzátorom do ďalšieho obvodu elektrina prechádza do ďalšieho obvodu.
Obrázok 2 je schéma dosky plošných spojov vyššie uvedenej schémy a tieto dva diagramy sú si podobné. Ľavý obrázok a pravý obrázok sa trochu líšia, napájanie na ľavom obrázku je priamo pripojené k vstupnej pätke čipu regulátora napätia po usmernení a potom ku kondenzátoru regulátora napätia, kde je filtračný účinok kondenzátora oveľa horší a výstup je tiež problematický. Obrázok vpravo je dobrý. Musíme zvážiť nielen problém toku kladného napájacieho zdroja, ale aj problém spätného toku. Vo všeobecnosti by kladný vodič napájania a vodič spätného toku uzemnenia mali byť čo najbližšie k sebe.
Obrázok 2 Schéma plošných spojov lineárneho napájacieho zdroja
Pri navrhovaní dosky plošných spojov lineárneho napájacieho zdroja by sme mali venovať pozornosť aj problému s odvodom tepla čipu regulátora výkonu lineárneho napájacieho zdroja, spôsobu, akým teplo vzniká. Ak je vstupné napätie čipu regulátora 10 V, výstupné napätie 5 V a výstupný prúd je 500 mA, potom je na čipe regulátora úbytok napätia 5 V a generované teplo je 2,5 W. Ak je vstupné napätie 15 V, úbytok napätia je 10 V a generované teplo je 5 W, preto musíme vyhradiť dostatočný priestor na odvod tepla alebo primeraný chladič podľa výkonu odvodu tepla. Lineárny zdroj napájania sa vo všeobecnosti používa v situáciách, keď je rozdiel tlaku relatívne malý a prúd je relatívne malý, v opačnom prípade použite obvod spínaného zdroja napájania.
Príklad schémy zapojenia vysokofrekvenčného spínaného napájacieho zdroja
Spínaný zdroj slúži na riadenie spínacej trubice pre vysokorýchlostné zapínanie, vypínanie a vypínanie, generovanie PWM signálu cez induktor a diódu s kontinuálnym prúdom, reguláciu napätia pomocou elektromagnetickej konverzie. Spínaný zdroj má vysokú účinnosť a nízke zahrievanie a všeobecne používa obvody: LM2575, MC34063, SP6659 atď. Teoreticky je spínaný zdroj napájania na oboch koncoch obvodu rovnaký, napätie je nepriamo úmerné a prúd je nepriamo úmerný.
Obrázok 3 Schéma obvodu spínaného napájacieho zdroja LM2575
Schéma plošných spojov spínaného napájacieho zdroja
Pri navrhovaní dosky plošných spojov spínaného zdroja je potrebné venovať pozornosť: vstupnému bodu spätnoväzbovej linky a dióde kontinuálneho prúdu, ktoré sú tie, ktoré poskytujú kontinuálny prúd. Ako je vidieť na obrázku 3, keď je U1 zapnutý, prúd I2 vstupuje do induktora L1. Charakteristickým znakom induktora je, že keď prúd preteká induktorom, nemôže vzniknúť náhle ani náhle zmiznúť. Zmena prúdu v induktore má časový priebeh. Pôsobením pulzného prúdu I2 pretekajúceho induktorom sa časť elektrickej energie premení na magnetickú energiu a prúd sa postupne zvyšuje. V určitom čase riadiaci obvod U1 vypne I2. Vďaka charakteristikám indukčnosti prúd nemôže náhle zmiznúť. V tomto čase dióda pracuje a preberá prúd I2, preto sa nazýva dióda kontinuálneho prúdu. Je zrejmé, že dióda kontinuálneho prúdu sa používa ako indukčnosť. Trvalý prúd I3 začína na zápornom konci C3 a tečie do kladného konca C3 cez D1 a L1, čo je ekvivalentom čerpadla, ktoré využíva energiu induktora na zvýšenie napätia na kondenzátore C3. Existuje tiež problém so vstupným bodom spätnoväzobnej linky detekcie napätia, ktorá by sa mala po filtrovaní privádzať späť na miesto, inak bude zvlnenie výstupného napätia väčšie. Tieto dva body mnohí naši návrhári dosiek plošných spojov často ignorujú a myslia si, že tá istá sieť tam nie je rovnaká, v skutočnosti to nie je to isté a vplyv na výkon je veľký. Obrázok 4 je schéma dosky plošných spojov spínaného zdroja LM2575. Pozrime sa, čo je na nesprávnej schéme zle.
Obrázok 4 Schéma zapojenia plošných spojov spínaného zdroja LM2575
Prečo chceme podrobne hovoriť o princípe schémy? Schéma obsahuje veľa informácií o doske plošných spojov, ako napríklad prístupový bod pinu komponentu, aktuálnu veľkosť uzlovej siete atď. Pozrite si schému, návrh dosky plošných spojov nie je problém. Obvody LM7805 a LM2575 predstavujú typické rozloženie obvodu lineárneho napájania a spínaného napájania. Pri výrobe dosiek plošných spojov sú rozloženie a zapojenie týchto dvoch schém dosiek plošných spojov priamo na linke, ale produkty a doska plošných spojov sú odlišné, čo sa upravuje podľa skutočnej situácie.
Všetky zmeny sú neoddeliteľné, takže princíp napájacieho obvodu a spôsob, akým je doska taká, a každý elektronický výrobok je neoddeliteľný od napájacieho zdroja a jeho obvodu, preto sa naučte tieto dva obvody, pričom sa rozumie aj ten druhý.
Čas uverejnenia: 8. júla 2023
