Kurs Projektowania PCB #6: Stabilizatory liniowe i podstawy termiki

H1M4W4R1 · 17 stycznia

Wstęp

W tym rozdziale poznasz praktyczne podstawy pracy ze stabilizatorami liniowymi oraz ich zachowaniem termicznym. To bardzo ważny temat, ponieważ stabilizatory liniowe nie tylko dostarczają określonego napięcia, lecz także rozpraszają część energii w postaci ciepła. Umiejętność oceny, czy układ się nie przegrzeje, jest kluczowa podczas projektowania bezpiecznych i niezawodnych urządzeń.

W ramach ćwiczeń zbudujesz prosty moduł zasilania do płytki prototypowej wykorzystujący układ LM317. Przy okazji nauczysz się, jak dobierać elementy towarzyszące, ustawiać napięcia wyjściowe i dbać o poprawną gospodarkę cieplną.

Założenia projektowe

Celem jest zaprojektowanie modułu zasilania zgodnego z typowymi płytkami prototypowymi. Odległość między wewnętrznymi liniami zasilania na płytce wynosi 42.5 mm – przyda się to podczas projektowania mechaniki PCB.

Jako źródło zasilania należy założyć napięcie wejściowe 9–12 V. Stabilizacja i redukcja napięcia zostaną osiągnięte za pomocą układów LM317.

Dlaczego nie AMS1117?

Choć AMS1117 teoretycznie może pracować z prądem do 1 A, jego możliwości ogranicza wysoka oporność termiczna. To oznacza, że podczas dużych spadków napięcia układ będzie nagrzewał się do niebezpiecznych wartości.

Przykład obliczeń:

Różnica napięć: 12 V → 3.3 V
Spadek na stabilizatorze: 8.7 V
Moc tracona:
- P = 8.7 V × I
- Przy 1 A byłoby to aż 8.7 W.
Temperatura złącza dla AMS1117:
- R_th(j-c) = 15°C/W
- T_j = 25°C + 15°C/W × 8.7 W ≈ 155.5°C. Wartość ta wykracza poza dopuszczalne 125°C.

To oznacza, że praktyczny zapas termiczny nie istnieje, a układ może szybko ulec przegrzaniu.

Zalety LM317 w tym projekcie

LM317 w naszym przypadku również rozprasza taką samą moc (8.7 W), jednak jego oporność termiczna obudowy jest znacznie niższa: zwykle 3–5°C/W. Dzięki temu temperatura przy takim samym obciążeniu będzie znacznie bardziej akceptowalna:

T_j ≈ 25°C + 5°C/W × 8.7 W = 68.5°C

To wciąż wysoka wartość, ale typowa elektronika bez problemu pracuje przy takich temperaturach. Stabilizatory w obudowach z dużą metalową powierzchnią dobrze oddają ciepło do PCB, co dodatkowo poprawia sytuację (rzeczywista temperatura będzie dużo niższa dzięki wylewkom miedzianym, które będą działały jak radiatory).

Schemat układu

Do regulacji napięcia LM317 potrzebujesz dwóch rezystorów. Możesz obliczyć ich wartości za pomocą dowolnego kalkulatora LM317.

Przykładowe wartości:

3.3 V → R1 = 1 kΩ, R2 = 1.6 kΩ
5 V → R1 = 1.7 kΩ, R2 = 5.1 kΩ

Rezystor 1.7 kΩ nie występuje w szeregu E12 – możesz zastąpić go połączeniem:

1.6 kΩ + 100 Ω lub
1.5 kΩ + 200 Ω

Wybór zależy od Twoich preferencji i dostępności elementów.

Złącza i kondensatory

Zasilanie wejściowe 12 V: złącze DB2ERC-3.81-2P-GN (C395684).
Wyjścia 3.3 V i 5 V: goldpiny 2×3.
Kondensatory wejścia/wyjścia stabilizatorów: możesz zastosować uniwersalne elektrolity 220 µF o napięciu roboczym minimum 25V.

Napięcie robocze kondensatora powinno być minimum 2x, a najlepiej 3x wyższe niż rzeczywiste napięcie w obwodzie, w którym pracuje. Więcej o kondensatorach można przeczytać w tym artykule.

Połącz wszystkie elementy zgodnie ze schematem. Jeśli pojawią się trudności, poniżej znajdziesz gotowy schemat referencyjny.

Warto także zmieniać nazwy flag zasilania, aby łatwiejsze było odróżnienie np. +3V3, +5V i +VIN.

Przykładowy schemat

Projekt PCB

Po przeniesieniu schematu na PCB warto zmienić kolory najważniejszych linii zasilania, aby ułatwić sobie pracę:

Kliknij dowolny pad lub ścieżkę danej sieci.
PPM → Net Color → wybierz kolor.

Propozycje:

GND – ciemnozielony
3V3 – różowy
5V – jasnozielony

Goldpiny muszą być ustawione tak, aby odległość między wewnętrznymi pinami wynosiła około 42.5 mm.

Aby to zmierzyć:

Tools → Measure Distance
Kliknij środek pada pierwszego złącza
Przeciągnij linię do środka pada drugiego złącza
Odczytaj wynik obok linii pomiarowej

Przenieś złącza goldpin na dolną warstwę (Layer) korzystając z okna Property po prawej stronie ekranu - inaczej kondensatory nie pozwolą podłączyć płytki do breadboarda.

Ustawienia siatki i snapa (przyciągania)

Dla wygodnej pracy warto zmienić ustawienia przyciągania (PPM na pustym polu → Snap Size)

do względnie precyzyjnego ustawiania – snap 0.25 mm
do wstępnego rozmieszczania – snap 1 mm

Grid Size (rozmiar siatki) możesz zmieniać tak samo jak Snap Size.

Zasilanie możesz prowadzić jedną warstwą, korzystając z częściowych wylewek. Tworzy się je tak samo jak pełną wylewkę, ale rysujesz tylko obszar, który ma należeć do danej sieci.

Jeśli rozmieszczenie elementów jest logiczne, wylewka powinna powstać intuicyjnie. W razie problemów warto delikatnie przestawić stabilizatory lub kondensatory.

Kolejność nakładania wylewek możesz regulować w Tools → Copper Manager.

Przykładowa płytka zasilająca