Układ scalony w praktyce. Z dużym prawdopodobieństwem, gdy przeczytałeś, że w tej części nareszcie zajmiemy się układami scalonymi pomyślałeś o takich elementach jak poniższe: Przykładowe układy scalony Łatwo zapomnieć, że układy scalone mogą wyglądać inaczej. Nie muszą być czarnymi sześcianami z symetrycznie rozmieszczonymi wyprowadzeniami. Układem scalonym nazywamy najczęściej dużą ilość elementów biernych oraz czynnych, które połączone w odpowiedni sposób wykonują konkretne zadanie. Taki układ zbudowany z wielu elementów zamykany jest w małej obudowie, która pozwala na budowanie większych urządzeń z takich elektronicznych klocków. W tej części zajmiemy się stosunkowo prostymi układami scalonymi, czyli stabilizatorami napięcia. Do pracy potrzebują one najczęściej tylko 3 wyprowadzeń. Dlatego zamknięte zostały w obudowach innych od tych, które są przeważnie kojarzone z układami scalonymi. Jaki jest cel stabilizacji napięcia? Jak sama nazwa wskazuje, chodzi o uzyskanie stabilnego napięcia stałego. Takiego, którego wartość nie zmienia się niezależnie od temperatury, czasu, pobieranego prądu, umiejscowienia urządzenia itd. Zarówno baterie, akumulatory jaki i zasilacze sieciowe dostarczają napięcie, które jest określone tylko w pewnych granicach. Z kolei, układy elektroniczne lubią pracować w niezmiennych warunkach, a do takich zalicza się, przede wszystkim, zasilanie. Prawidłowe, stabilne zasilanie ogranicza możliwość wystąpienia błędów w funkcjonowaniu. Ponadto, stabilizatorów można użyć w celu uzyskania kilku różnych napięć z jednego źródła. Stabilizatory liniowe Są to układy, które działają na bardzo prostej zasadzie: podajemy na ich wejście napięcie ze źródła (np. z baterii), a one udostępniają na swoim wyjściu napięcie niższe, ale ustabilizowane. Różnica między napięciem wejściowym, a wyjściowym to tzw. dropout. Każdy stabilizator cechuje się minimalną wartością tego parametru (pojedyncze wolty lub setki miliwoltów), konieczną do prawidłowej pracy. Stabilizatory liniowe są tanie, proste w użyciu i stosunkowo niezawodne. Mają jednak dwie zasadnicze wady: o wydzielają ciepło, proporcjonalne do różnicy napięć (wej/wyj) i pobieranego prądu; o nie potrafią wytworzyć napięcia wyższego niż wejściowe, tylko niższe. Wzór na traconą moc nie jest skomplikowany i wygląda następująco: P = (U we U wy ) * I, gdzie: o U we napięcie wejściowe, podawane na układ [V] o U wy napięcie wyj., określone przez producenta lub ustawione przez użytkownika [V] o I pobierany z wyjścia stabilizatora prąd [A] Owa moc jest tracona w postaci ciepła nagrzewającego obudowę stabilizatora, dlatego często mają one konstrukcję mechaniczną ułatwiającą przykręcenie ich do radiatora, czyli elementu odprowadzającego ciepło. W rzeczywistości, stabilizator pobiera niewielki prąd, potrzebny do działania jego wewnętrznych obwodów, dlatego pobierany prąd jest nieco większy niż oddawany do obciążenia. Współczesne stabilizatory do pracy potrzebują tak małych prądów, że można je zaniedbać w obliczeniach. Przykładowy stabilizator jest dołączony do zestawu, nosi oznaczenie 7805. Na obudowie mogą występować różne prefiksy (np. LM lub KA) albo sufiksy, ale zasadniczy jest rdzeń. Należy on do całej rodziny stabilizatorów 78xx, gdzie dwie ostatnie cyfry oznaczają ustaloną wartość napięcia wyjściowego. 1
Stabilizator LM7805 Cechuje się on następującymi właściwościami: o napięcie wyjściowe: 5V (±0,25V) o maksymalny prąd wyjściowy: 1,5A o minimalny dropout: 2V o zabezpieczenie przed uszkodzeniem w razie przegrzania lub zwarcia wyjścia o obudowa: TO220 (umożliwia dokręcenie radiatora) Równie popularna jest seria 78Lxx, która ma prąd wyjściowy ograniczony do 100mA. Oferowane są w mniejszych obudowach, bez możliwości dołączenia dodatkowego chłodzenia. Prezentacja działania Sprawdzimy, czy ten układ faktycznie potrafi stabilizować napięcie. W tym celu, zostanie wykorzystany następujący układ. Jak widać, jest on bardzo prosty: stabilizator, dwa kondensatory 100nF i bateria 9V oraz multimetr ustawiony jako woltomierz (diody zostawiamy na później). Schemat ideowy. Wszystkie niezbędne elementy potrzebne do stabilizacji znajdują się wewnątrz małej obudowy z trzema wyprowadzeniami. Między zacisk wejścia (IN), a masę (GND) włącza się zasilanie, a obciążenie (zasilany układ) między zacisk wyjściowy (OUT) i masę. Kondensatory są konieczne, do filtrowania ewentualnych zakłóceń. Zmontowany na płytce stykowej układ wygląda tak, jak na poniższym zdjęciu. Nie dodawaj na razie diod i rezystorów, o nich później. 2
Stabilizator na płytce stykowej Pomiar napięcia wyjściowego bez obciążenia. Odwrotne podłączenie zasilania może uszkodzić stabilizator! Sprawdź dokładnie na wcześniejszym zdjęciu, gdzie dokładnie znajduje się wejście i wyjście! Minimalny dropout tego układu to 2V, czyli na jego wejście należy podać, co najmniej, 7V. W zestawie dołączona jest bateria 9V, zatem nada się do zasilenia układu. Napięcie zmierzone woltomierzem powinno być zbliżone do 5V. Spróbuj ogrzać obudowę stabilizatora (metalową wkładkę) palcami czy napięcie zmienia się znacząco? Teraz zobaczymy, jak zachowuje się napięcie wyjściowe po dodaniu obciążenia. Użyjemy dwóch diod świecących wraz z rezystorami ograniczającymi prąd. Kolor świecenia jest nieistotny chodzi tylko o to, aby pobierać z wyjścia pewien prąd. W tym celu, należy rozbudować układ na płytce stykowej tak, jak wskazywał to schemat: Układ stabilizatora z dołączonym obciążeniem. Pomiar napięcia na wyjściu stabilizatora po dodaniu obciążenia Sprawdźmy, jak bardzo zmieniło się napięcie wyjściowe: W testowanym przypadku, napięcie nie drgnęło nawet o 0,01V, a przecież pobierany z wyjścia prąd wzrósł od niemal zera do ok. 20mA. Opór wewnętrzny źródła zasilającego powodował zmianę napięcia. Tutaj zmiana nie występuje, skąd można wysnuć ważny wniosek: Stabilizatory można traktować (niemal) jak idealne źródło napięciowe, ze znikomo małą rezystancją wewnętrzną. Dzieje się tak, ponieważ zawarty w strukturze układ regulacyjny na bieżąco porównuje aktualne napięcie na wyjściu z napięciem referencyjnym i, w razie potrzeby, koryguje napięcie wyjściowe. Napięcie 5V jest bardzo popularne w 3
technice cyfrowej, dlatego warto znać ten opisywany niedrogi i pożyteczny układ. To właśnie tym zasilaniem (lub 3.3V) będziesz zasilał większość swoich przyszłych układów, np,: tych opartych o Arduino. Wnętrze stabilizatora linowego Pamiętasz, jak na początku artykułu napisałem, że układy scalone są przydatnymi modułami w małej obudowie? Poniżej, dla ciekawości przedstawiam schemat wnętrza stabilizatora 7805. Jest to wycinek jego noty katalogowej. Chyba poznajesz już wszystkie elementy? Wnętrze stabilizatora 7805 Stabilizatory impulsowe Mimo poważnych zalet, jak niska cena i prostota, stabilizatory liniowe cieszą się dzisiaj mniejszą popularnością niż kiedyś. Dzieje się tak, ponieważ coraz większą rolę odgrywa redukcja mocy pobieranej przez układ, zwłaszcza w zasilaniu bateryjnym. Ponadto, czasami zachodzi potrzeba wytworzenia napięcia wyższego niż te, które oferuje źródło napięcia zasilania na przykład, w lampach błyskowych wytwarzane są setki woltów przy użyciu kilku baterii 1,5V. Stabilizatorów impulsowych można znaleźć setki, jeśli nie tysiące, lecz bazują one na prostym zjawisku fizycznym: samoindukcji. Idea wykorzystania samoindukcji jest prosta: jeżeli przez cewkę przepuszczamy prąd, a potem nagle go odłączamy, to wygeneruje ona na swoich zaciskach napięcie. Jeżeli cały układ zostanie skonfigurowany tak, aby generowane napięcie dodawało się do zasilającego, uzyskamy przetwornicę podwyższającą napięcie. Jeżeli zaś napięcie wytwarzane przez odłączaną cewkę będzie się odejmowało od zasilającego, to uzyskamy układ obniżający napięcie. Specjalizowany układ scalony porównuje napięcie wyjściowe z wartością zadaną i odpowiednio steruje przełączaniem cewki. Rozszyfrowanie skrótów Szukając odpowiedniego stabilizatora można się natknąć na wiele skrótów bądź określeń, które dla osób nieobeznanych w temacie wydają się być niezrozumiałe. Postaram się objaśnić te najczęściej spotykane. LDO jest to akronim od angielskich słów Low-Drop-Out. Jest to stabilizator liniowy, który do prawidłowego działania wymaga małej różnicy napięć między wejściem a wyjściem, rzędu 1V lub mniej. Przykładem są układy z rodziny LD1117 (np. LD1117V33 o napięciu wyjściowym 3,3V), które wymagają, typowo, 1V spadku napięcia. Stabilizatory LDO są, na ogół, droższe od zwykłych (jak 78xx) i nie tolerują wysokich napięć wejściowych. Regulowany napięcie wyjściowe można regulować, na ogół przy użyciu dodatkowego potencjometru. Najpopularniejszym stabilizatorem regulowanym jest LM317. Nieregulowany w przeciwieństwie do opisanych wyżej, napięcie wyjściowe jest określone przez producenta i podane na obudowie układu. Przykładem jest testowany układ 7805. Step-up przetwornica impulsowa podwyższająca napięcie, na przykład LM2577. Dostępny w wersji z regulowanym napięciem wyjściowym (LM2577-ADJ) lub stałym (np. LM2577-12). Step-down przetwornica obniżająca napięcie, na przykład LM2575. Dostępny w takich samych wersjach co LM2577. Step-up/down układ przetwornicy impulsowej, który potrafi utrzymać żądane napięcie na wyjściu, niezależnie od tego, czy napięcie zasilające jest od niego wyższe bądź niższe. 4
Przykładowy moduł przetwornicy step-up/down firmy Pololu. Jeśli zmierzymy napięcie pomiędzy nóżką stabilizatora OUT a masą (GND) otrzymamy napięcie równe napięciu stabilizacji: Podłączmy w tym miejscu (między OUT a GND) czerwoną diodę. Ryc. 14 Schemat układu zbudowany ze źródła zasilania (B1), stabilizatora (7805), kondensatorów (C1, C2, C3, C4), rezystora (R1) oraz diody LED (D1). Rezystancję rezystora obliczamy dla napięcia 5V: U R1 = U OUT U D1 U R1 = 5V 2,1V U R1 = 2,9V R1 = U R1 / I R1 = 2,9V / 20mA R1 = 145Ω Rezystor R1 ma mieć rezystancję 145Ω, więc użyję rezystorów 100Ω i 47Ω. Podsumowanie W tej części kursu zapoznałeś się z jednym z wielu typów układów scalonych, do których należą stabilizatory napięcia. Mają one niebagatelne znaczenie w elektronice, co za tym idzie w robotyce również. Wszak roboty są zasilane z akumulatorów, których napięcie zmienia się, dlatego trzeba zapewnić stabilne zasilanie dla delikatnego układ nadzorującego jego działanie. Typy określeń, symboli i oznaczeń stosowanych w technice cyfrowej. Litera I pochodzi od angielskiego słowa Input - wejście, litera O od słowa Output - wyjście, litera H od High - wysoki, litera L od słowa Low - niski, litera -S od Shorting (Short-circuit) - zwarcie, litera P od Propagation - propagacja. Parametry statyczne: Ucc - napięcie zasilania, U IH - napięcie wejściowe w stanie wysokim, U IL - napięcie wejściowe w stanie niskim, U OH - napięcie wyjściowe w stanie wysokim, U OL - napięcie wyjściowe w stanic niskim, I IH - prąd wejściowy w stanie wysokim, 5
I IL - prąd wejściowy w stanie niskim, I OH - prąd wyjściowy w stanie wysokim, I OL - prąd wyjściowy w stanie niskim, I CCH - prąd zasilania układu w stanie wysokim na wyjściu, I CCL - prąd zasilania układu w stanie niskim na wyjściu, Ios - wyjściowy prąd zwarciowy, Δ UL - margines zakłóceń w stanie niskim, Δ UH - margines zakłóceń w stanie wysokim. Parametry dynamiczne t phl - czas propagacji przy zmianie stanu logicznego na wyjściu z wysokiego (H) na niski (L), tj. czas upływający między występowaniem na wejściu i na wyjściu napięcia (U IHmin + U ILmax )/2 przy zmianie stanu logicznego na wyjściu z H na L. t plh - czas propagacji przy zmianie stanu logicznego na wyjściu z niskiego (L) na wysoki (H), tj. czas upływający między występowaniem na wejściu i na wyjściu napięcia (U IHmin + U ILmax )/2 przy zmianie stanu logicznego na wyjściu z L na H, t p - czas propagacji, tj. średnia arytmetyczna czasów t plh i t phl lub niekiedy wartość większa spośród czasów t plh ' t phl ' Oznaczenia cyfrowych układów scalonych. Pierwszy znak -litera - określa wykonanie: U - układ scalony półprzewodnikowy monolityczny wykonany w technologii bipolarnej, M - układ scalony półprzewodnikowy monolityczny wykonany w technologii unipolarnej. Drugi znak - litera - określa spełnianą funkcję: C - układy cyfrowe, L - układy liniowe (analogowe). Trzeci znak - litera - określa zastosowanie: X - wykonanie prototypowe, doświadczalne, Y- wykonanie do zastosowań w sprzęcie profesjonalnym, A - do zastosowań specjalnych. Brak litery oznacza wyrób do zastosowań w sprzęcie powszechnego użytku. Kolejny znak - cyfra - określa zakres dopuszczalnej temperatury otoczenia. 1 - zakres inny niż wymienione poniżej, 4 - od -55 do +85 C, 5 - od -55 do + 125 "C, 6 - od -40 do +85 C, 7 - od 0 do +70 C, 8 - od -25 do +85 C. Kolejny znak - cyfra - określa numer serii. Dodatkowo mogą wystąpić jedna lub dwie litery, określające rodzaj serii: Dla układów TTL: Brak litery - seria standardowa, L - seria małej mocy, H - seria o zwiększonej szybkości, S - seria Schottky'ego (bardzo szybka), LS - seria Schottky'ego o małym poborze mocy, F - seria szybka, ALS - ulepszona Schottky'ego małej mocy, AS - ulepszona Schottky'ego (najszybsza). 6
Zespół Szkół Mechanicznych w Namysłowie Eksploatacja urządzeń elektronicznych Temat ćwiczenia: Układy scalone w praktyce. Imię i nazwisko Nr ćw E05 Data wykonania Klasa 2TEZ Grupa Zespół OCENY Przygotowanie Wykonanie Ogólna Cel ćwiczenia: Odpowiedz na pytania. 1. Jaki jest cel stabilizacji napięcia? 2. Co to są stabilizatory liniowe?. 3. Jak nazywają się elektrody układu LM7805? 4. Wyjaśnij pojęcie LDO. 5. Wyjaśnij Step-up/down 6. Wyjaśnij znaczenie następujących symboli: a. UCY74H00N, b. UCY64L00N, PLAN DZIAŁANIA Przykład praktyczny Potrzebne będą: o płytka stykowa o bateria 9V wraz z klipsem o układ scalony stabilizator LM7805, o kondensatory 2 x 100nF o rezystor o wartości,2x R 1 =330Ω o Diody LED zielona i czerwona. o przewody do płytki stykowej Wykonaj zadanie i napisz wnioski Sprawdzimy, czy ten układ faktycznie potrafi stabilizować napięcie. W tym celu, zostanie wykorzystany następujący układ. Jak widać, jest on bardzo prosty: stabilizator, dwa kondensatory 100nF i bateria 9V oraz multimetr ustawiony jako woltomierz (diody zostawiamy na później). Schemat ideowy. Wszystkie niezbędne elementy potrzebne do stabilizacji znajdują się wewnątrz małej obudowy z trzema wyprowadzeniami. Między zacisk wejścia (IN), a masę (GND) włącza się zasilanie, a obciążenie (zasilany układ) między zacisk wyjściowy (OUT) i masę. Kondensatory są konieczne, do filtrowania ewentualnych zakłóceń. 7
WNIOSKI I SPOSTRZEŻENIA 8