Kurs Projektowania PCB #7: Tranzystory mocy i edycja symboli

H1M4W4R1 · 17 stycznia

Wstęp

W tym rozdziale poznasz praktyczne podstawy pracy z tranzystorami mocy oraz nauczysz się edytować symbole w programie CAD. To ważne umiejętności, ponieważ w wielu projektach trzeba sterować elementami wymagającymi większych prądów niż te, które może obsłużyć mikrokontroler lub układ scalony. Jednocześnie kluczowa staje się czytelność schematu – a tę można znacząco poprawić, modyfikując symbole lub tworząc własne.

W ramach ćwiczenia zbudujesz prosty układ z NE555, który będzie okresowo włączał i wyłączał żarówkę samochodową.

Założenia projektowe

Naszym celem jest zbudowanie układu testowego, który generuje sygnał sterujący i zasila żarówkę W5W (obudowa T10). Całość będzie pracować zasilana z napięcia 12 V.

Do generowania sygnału można wykorzystać popularny układ NE555 w konfiguracji astabilnej. Aby uzyskać okres około 2 s wystarczy zastosować dwa rezystory 20 kΩ i kondensator 47 µF. Wartości te zostały wyliczone z kalkulatora i idealnie sprawdzą się w roli prostego generatora.

Żarówka W5W nie jest typowym elementem z biblioteki LCSC, dlatego możesz skorzystać z przygotowanego wcześniej symbolu i footprintu T10 Socket.zip. Można je zaimportować do EasyEDA Pro przez File → Import → EasyEDA (Professional). Po imporcie komponent stanie się dostępny w Place → Device/Reuse Block.

Żarówka pobiera znacznie większy prąd niż mogą dostarczyć wyjścia NE555, dlatego potrzebny jest tranzystor mocy. Dobrym wyborem jest np. N-MOSFET 15N10 (C7471106). Aby prawidłowo sterować jego bramką przy zasilaniu 12 V, posłuż się dodatkowym tranzystorem NPN oraz rezystorem podciągającym bramkę do zasilania. Typowa wartość 2.2 kΩ będzie wystarczająca.

Przy napięciu 12 V rezystor podciągający będzie rozpraszał: P = 12 V × (12 V / 2.2 kΩ) ≈ 65 mW

Element SMD w obudowie 0805 ma zwykle dopuszczalną moc 125 mW, ale lepiej zastosować nieco większą obudowę 1206. Daje to większy margines termiczny i zmniejsza wpływ podwyższonej temperatury na parametry elementu.

Warto pamiętać o prostej zasadzie: maksymalne parametry elementów powinny być co najmniej dwukrotnie, a najlepiej trzykrotnie większe niż wartości występujące w układzie.

Elementy SMD mają niewielką powierzchnię, przez co ich możliwości odprowadzania ciepła są ograniczone. Przekroczenie dopuszczalnej mocy może prowadzić do przegrzania, a w konsekwencji do awarii. Dodatkowo większość elementów wykazuje tzw. dryft temperaturowy – parametry zmieniają się wraz z temperaturą. Dlatego należy dążyć do tego, aby pracowały jak najdalej od wartości granicznych.

Edycja symbolu NE555

Jeśli umieścisz NE555 na schemacie, prawdopodobnie zauważysz, że standardowy układ pinów nie jest zbyt wygodny. W takich sytuacjach warto samodzielnie uporządkować symbol.

Kliknij prawym przyciskiem myszy na NE555 i wybierz Edit Device. Otworzy się uproszczony edytor symboli, w którym możesz:
przesunąć wyprowadzenia,
dodać lub usunąć piny,
uporządkować rozmieszczenie elementów graficznych.

Po dostosowaniu symbolu schemat stanie się czytelniejszy i łatwiejszy do prowadzenia.

Poprawiony symbol NE555

Jeśli chciałbyś tworzyć komponenty od podstaw, możesz użyć File → New → Component. Proces tworzenia footprintu przypomina projektowanie PCB: najważniejsze jest to, aby numeracja i liczba pinów w symbolu była zgodna z przypisanym footprintem (oraz ich położeniem na fizycznym komponencie).

Przygotowany schemat

Projekt PCB

Po zaimportowaniu żarówki W5W mogą pojawić się błędy DRC związane z nietypową geometrią padów. Aby je usunąć, przejdź do Design → Design Rule… i w sekcji Spacing → Safe Spacing → copperThickness1oz ustaw odległości na 0. Większość pozostałych parametrów powinna być poprawna.

Przestawianie DRC

Grube ścieżki dla obciążenia

Pady żarówki należy połączyć z wylewką miedzianą grubą ścieżką, najlepiej o szerokości około 80 mil (2 mm). Szerokość możesz zmieniać w zakładce Property lub przez Route → Routing Width.

Szerokie ścieżki nie tylko pozwalają na przesyłanie większych prądów, ale również posiadają lepszą przewodność termiczną.

Tranzystory mocy będą się nagrzewać, dlatego warto:

dodać dodatkowe przelotki, które pomagają przenosić ciepło do głębszych warstw PCB,
podłączyć elementy mocy szerokimi ścieżkami do wylewki,
traktować wylewkę jako radiator – często wystarcza to, aby nie używać dodatkowych radiatorów.

Przykładowy projekt

Projekt płytki pokazany poniżej jest jedną z realizacji autora (z wbudowaną przetwornicą oraz zastosowaniem wielu dobrych praktyk).

Przykładowy projekt PCB