درسنامه آموزشی ساخت پروژه (برد الکترونیکی دستگاه) کلاس یازدهم الکترونیک

واحد یادگیری 2: شایستگی طراحی پروژه کاربردی با آی سی آنالوگ

آیا تا به حال فکر کرده اید:

- چه تفاوت‌هایی بین سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال وجود دارد؟
- سیگنال‌های الکتریکی صوت و تصویر انسان از نوع آنالوگ است یا دیجیتال؟
- آی‌سی‌ها از نظر کلی به چند دسته تقسیم‌بندی می‌شوند؟
- آی‌سی‌های تقویت‌کننده صوت (مانند آی‌سی TDA2003) از نوع آنالوگ است یا دیجیتال؟
- آی سی مورد استفاده در منابع تغذیه مانند آی‌سی 7805 در رده کدام نوع آی‌سی‌ها قرار دارند؟
- آیا در یک بسته‌بندی می‌تواند ترکیبی از آی‌سی‌های آنالوگ و دیجیتال وجود داشته باشد؟

سیگنال آنالوگ به سیگنالی گفته می‌شود که در آن تغییرات به صورت پیوسته و مداوم است. سیگنال الکتریکی حاصل از صوت انسان یک نوع سیگنال آنالوگ است. گروه دیگری از سیگنال‌ها به‌صورت پله‌ای و مرحله‌ای تغییر می‌کنند. در این نوع سیگنال‌ها، دامنۀ ولتاژ بین دو مقدار حداقل و حداکثر و به صورت گسسته تغییر می‌کند. سیستم‌هایی که با این نوع سیگنال‌ها کار می‌کنند سیستم‌های دیجیتالی نام دارند. آی‌سی‌ها نیز به دو دسته آنالوگ و دیجیتال تقسیم‌بندی می‌شوند. ممکن است در یک تراشه هر دو نوع آی‌سی آنالوگ و دیجیتال وجود داشته باشد. در یک آی‌سی دیجیتال در ابعاد چند میلی‌متر مربع هزاران تا میلیون‌ها دروازه منطقی خاص جای می‌گیرد. اندازه کوچک این مدارها سبب بالا رفتن سرعت عملیات، کم شدن توان مصرفی و کاهش هزینه تولید می‌شود. آی‌سی‌های آنالوگ مانند تایمرها، تقویت‌کننده‌های عملیاتی و تقویت‌کننده‌های صوتی، با داشتن ساختاری یک پارچه (ماژولار modular) طراحی حرفه‌ای، سبب کاهش حجم مدارهای آنالوگ، تلفات کم و عیب‌یابی آسان مدارها می‌شوند. در این واحد یادگیری چند نمونه آی‌سی آنالوگ و کاربرد آن‌ها شرح داده می‌شود. پس از اتمام آموزش فرا گیرنده باید بتواند عملکرد مدار ترکیبی با چند آی‌سی آنالوگ را تشریح کند. همچنین باید قادر باشد مدار چاپی انواع مدارهای کاربردی با آی‌سی آنالوگ را با نرم‌افزار پیشرفته طراحی کند. در تمام مراحل انجام کار، باید فراگیرنده نکات ایمنی، بهداشتی و توجه به مهارت‌های غیر فنی مانند کار گروهی، به کارگیری فناوری‌های نوین، توجه به محیط زیست، رعایت نظم و ترتیب و سایر مهارت‌های غیر فنی را رعایت کند و در خلال کار به اجرا در آورد.

استاندارد عملکرد 

طراحی مدار چاپی پروژه کاربردی با آی سی آنالوگ به وسیله نرم افزار با رعایت استاندارد و قوانین مربوطه

مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز

ابزار عمومی برق یا الکترونیک، لوازم‌التحریر، منبع تغذیه، مولتی‌متر، رایانه، نرم‌افزار پیشرفته طراحی مدار چاپی

معرفی چند نمونه از آی‌سی‌های آنالوگ

در اکثر سیستم‌های الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال توان الکتریکی مورد نیاز، به وسیله منابع تغذیه تنظیم شده (تثبیت شده)، تأمین می‌شود. در منابع تغذیه DC ابتدا ولتاژ AC برق شهر را یکسو و سپس صاف می‌کنند. ولتاژ خروجی صافی ممکن است دارای ضربان (ریپل-Ripple) باشد. در شکل 1-2 ریپل شکل موج یکسو شده را مشاهده می‌کنید. از طرف دیگر دامنه ولتاژ سینوسی برق شهر نیز کاملاً ثابت نبوده و با نوساناتی در حدود 10 تا 20 درصد، باعث تغییر ولتاژ خروجی صافی می‌شود. اکثر سیستم‌های الکترونیکی تحمل تغییرات ولتاژ بیش از 1 درصد را ندارند. برای حذف تغییرات ولتاژ، از مدارهای تنظیم‌کننده ولتاژ (Voltage Regulator) استفاده می‌شود. رگولاتور ولتاژ وسیله‌ای است که ولتاژ را تثبیت می‌کند. آی‌سی‌های رگولاتور در انواع بسته‌بندی‌ها ساخته می‌شوند. این آی‌سی‌ها به دلیل قیمت مناسب، سادگی عملکرد، حفاظت در برابر اتصال کوتاه، ضریب تثبیت ولتاژ مناسب و اطمینان در عملکرد به فراوانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین دارای حجم کم هستند و در دو گروه با ولتاژ خروجی مثبت و منفی ساخته می‌شوند. این آی‌سی‌ها به‌صورت رگولاتورهای با ولتاژ غیر قابل تغییر (ولتاژ ثابت) و آی‌سی‌های رگولاتور با ولتاژ خروجی متغیر (قابل تنظیم) تولید می‌شوند. شکل 2-2 یک نمونه آی‌سی رگولاتور با شماره فنی 7805 را در دو نوع بسته‌بندی نشان می‌دهد. با دو نوع از این آی‌سی‌ها که خروجی مثبت و منفی دارند و با شماره‌های فنی 78XX و 79XX تولید می‌شوند، در پایه دهم آشنا شده‌اید.

یکی از مشهورترین آی‌سی‌های آنالوگ، آی‌سی رگولاتور ولتاژ متغیر با شماره LM338 است. این آی‌سی قادر است ولتاژ مثبت در محدوده 1/2+ تا 32+ ولت با حداکثر جریان 5 آمپر را در خروجی خود تولید کند. این آی‌سی‌ها سه پایه هستند و در بسته‌بندی TO220 با بدنه پلاستیکی و آی‌سی با بدنه فلزی در بسته‌بندی TO3 به بازار عرضه می‌شوند. در شکل‌های 3-2 و 4-2 این دو مدل آی‌سی را مشاهده می‌کنید.

در بسته‌بندی TO3، نه آی‌سی پایه خروجی است که از طریق پیچ و مهره به مدار و گرماگیر متصل می‌شود. بسته‌بندی نوع TO220 هم به گرماگیر نیاز دارد.

استخراج اطلاعات مهم از برگه اطلاعات (دیتا شیت-datasheet)

یکی از توانایی‌هایی که هر فرد مرتبط با حرفه الکترونیک باید داشته باشد، استخراج اطلاعات قطعات الکترونیکی از روی برگه اطلاعات (دیتاشیت) است. تقریباً همۀ شرکت‌های تولیدکننده قطعات الکترونیکی در جهان، برگه اطلاعات فنی محصول خود را منتشر می‌کنند. در برگه‌های اطلاعات، مشخصات فنی قطعه الکترونیکی مانند مشخصات الکتریکی، دمای کارکرد، ترتیب پایه‌ها، شکل ظاهری و مدارهای کاربردی پیشنهادی ارائه می‌شود. در شکل 5-2 یک نمونه برگه اطلاعات نشان داده شده است.

شرح عمومی General Description:

همان‌طور که در شکل 5-2 مشاهده می‌کنید، در این قسمت نام قطعه الکترونیکی و توصیف عمومی آن بیان شده است. در این قسمت اطلاعاتی از قبیل تعداد پایه‌ها، ولتاژ خروجی، جریان خروجی، عملکرد کلی و محدوده دمای کار قطعه مورد نظر بیان شده است.

Features

در این قسمت مشخصات مهم قطعه به صورت خلاصه آورده شده است. 

پس از ترجمه مشخصات Features آی‌سی LM138/LM338 اطلاعات مهم آن را یادداشت کنید.

Applications

در این قسمت کاربردهای تخصصی قطعه الکترونیکی مورد نظر بیان شده است.

بعد از ترجمه کاربرد (Applications) آ‌ی‌سی LM138/LM338 اطلاعات مهم آن را یادداشت کنید. 

نقشه اتصال پایه‌ها Connection Diagram

یکی از قسمت‌هایی که در دیتاشیت اهمیت ویژه‌ای دارد، نقشه اتصال پایه‌ها (Connection Diagram) یا Pinout، قطعه است. این بخش یک نمای کلی از نام پایه‌ها، ترتیب پایه‌ها و عملکرد هر پایه را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر در این قسمت شکل ظاهری قطعه (پکیج - بسته‌بندی) نشان داده می‌شود. در بسته‌بندی آی‌سی، جای پایه‌ها را به‌طور دقیق مشخص می‌کنند. در شکل 6-2 دو نوع بسته‌بندی TO3 و TO220 که مربوط به آی‌سی رگولاتور LM338 است را مشاهده می‌کنید. با توجه به برگه اطلاعات آی‌سی نوع TO220 دارای پایه‌هایی به شرح زیر است.

پایه تنظیم (ADJ):

پایه یک این نوع آی‌سی ADJ نام دارد که مخفف کلمه Adjust ment (تنظیم) است. هنگام اتصال به مدار این پایه را به یک مقاومت متغیر و یک مقاومت ثابت متصل می‌کنیم تا بتوانیم ولتاژ خروجی آی‌سی را روی مقدار دلخواه تنظیم کنیم.

خروجی $({V_{OUT}})$

پایه دوم ${V_{out}}$ نام دارد. ولتاژ خروجی آی‌سی رگولاتور از این پایه گرفته می‌شود.

ورودی $({V_{IN}})$

پایه سوم ${V_{IN}}$ نام دارد که ولتاژ ورودی آی‌سی به آن متصل می‌شود.

سایر اطلاعات مهم آی‌سی

تلفات توان Power Dissipation:

میزان توانی است که IC هنگام کار به صورت حرارت تلف می‌کند.

درجه حرارت قابل تحمل پایه‌ها Lead Temperature Metal Package

درجه حرارت قابل تحمل برای آی‌سی‌ها، حداکثر حرارت قابل تحمل پایه‌ها در هنگام لحیم‌کاری است. این نوع آی‌سی با بسته‌بندی فلزی می‌تواند 300 درجه سانتی‌گراد را به مدت 10 ثانیه و با بسته‌بندی پلاستیکی 260 درجه سانتی‌گراد را به مدت 4 ثانیه تحمل کند و آسیب نبیند.

ولتاژ تفاضلی ورودی و خروجی Input/Output Voltage Differential

حداکثر تفاضل بین ولتاژ ورودی و خروجی آی سی بین 40 + ولت و 0/3- ولت قرار دارد. 

درجه حرارت نگهداری در انبار Storage Temperature

درجه حرارت مجاز برای نگهداری در انبار برابر 150 + تا 65 - درجه سانتی‌گراد است.

درجه حرارت کار Operating Temperature Range

دمای کار این آی‌سی در محدوده $0{}^ \circ C \leqslant TJ \leqslant  + 125{}^ \circ C$ قرار دارد.

مشخصات الکتریکی (Electrical Characterist ics)

یکی دیگر از قسمت‌های مهم برگه اطلاعات، مشخصات الکتریکی قطعه است. در این قسمت اطلاعاتی مانند ولتاژ مبنا، درصد رگولاسیون، جریان پایه تنظیم کننده، حداقل جریان مصرف‌کننده و مقاومت حرارتی آی‌سی درج می‌شود.

برخی کاربردهای متداول آی‌سی Typical Application

معمولاً در صفحاتی از برگه اطلاعات نقشه فنی نمونه‌هایی از مدارهای کاربردی ترسیم می‌شود. در شکل‌های 7-2 تا 9-2 سه نمونه مدار کاربردی با آی‌سی LM338 را ملاحظه می‌کنید. در ادامه به تشریح چگونگی عملکرد این مدارها با زبان ساده می‌پردازیم.

رگولاتور ولتاژ قابل تنظیم

در شکل 7-2 یک مدار تثبیت‌کننده ولتاژ با حذف ضربان را مشاهده می‌کنید.

در این مدار خازن‌ها نقش صافی حذف‌کننده ریپل را دارند. مقاومت‌های R1 و R2 مقدار ولتاژ خروجی را کنترل می‌کنند.

دیود D1 نقش حفاظتی در برابر تخلیه خازن C1 را بر عهده دارد. ولتاژ خروجی مدار از رابطه زیر قابل محاسبه است. ${I_{ADJ}}$ جریان عبوری از پایه تنظیم آی سی است. 1/25 ولت، ولتاژ ثابت دو سر مقاومت R1 است.

${V_{OUT}} = 1/25V(1 + \frac{{R2}}{{R1}}) + {I_{ADJ}}R2$

مدار کنترل کننده نور لامپ 12 ولتی

در شکل 8-2 فتو ترانزیستور به جای مقاومت متغیر در مدار قرار گرفته است و نقش مقاومت متغیر کنترل شونده با نور را بازی می‌کند. در حقیقت آی‌سی رگولاتور در این مدار نقش کنترل‌کننده توان لامپ (دیمر) را برعهده دارد. در صورت موجود نبودن فتوترانزیستور، می‌توانید از یک مقاومت تابع نور (LDR) استفاده کنید. در خروجی مدار یک لامپ 12 ولتی قرار گرفته است.

مدار شارژ کننده باتری 12 ولتی با آی‌سی LM338

از آی‌سی LM338 می‌توان در مدار شارژر باتری استفاده کرد. در مدار شکل 9-2 مقاومت Rs مقدار جریان باتری را در هنگام شارژ کنترل می‌کند.

اجرای طرح مدار چاپی پروژه منبع تغذیه متغیر

نقشه مدار:

در شکل 11-2 یک مدار منبع تغذیه متغیر با استفاده از آی‌سی رگولاتور LM338 را مشاهده می‌کنید. این مدار قادر است در خروجی خود ولتاژ مثبتی در محدوده 1/2+ ولت تا 30 + ولت ایجاد کند. حداکثر جریان خروجی این آی‌سی می‌تواند تا 5 آمپر باشد. این مدار از نظر کاربُردی قابل تولید بوده و در صورت نیاز می‌توانید آن را تولید نمایید و یک منبع تغذیه مناسب برای کارهای خود داشته باشید.

چگونگی عملکرد مدار منبع تغذیه متغیر:

در مدار شکل 11-2، ابتدا ولتاژ 220 ولت متناوب برق شهر به وسیله ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ T1 به 24 ولت کاهش می‌یابد. سپس به وسیله پل دیود DB1 به صورت تمام موج یکسو می‌شود. DB1 یک پل دیود 10 آمپری 400 ولتی است که به راحتی در بازار یافت می‌شود. خازن C1 خازن الکترولیتی است و نقش صافی و حذف ریپل‌های موج یکسو شده را بر عهده دارد. در اینجا ظرفیت خازن را 1000 میکروفاراد در نظر گرفته‌ایم، زیرا هر قدر ظرفیت خازن صافی بزرگ‌تر باشد شکل موج صاف‌تری به آی‌سی رگولاتور می‌رسد. دیود D1 با شماره فنی 1N4007 برای حفاظت آی‌سی در برابر تخلیه خازن C3 در نظر گرفته شده است. در حالت عادی و هنگامی که ولتاژ در ورودی آی‌سی وجود دارد، دیود در حالت قطع قرار می‌گیرد. هنگامی که ولتاژ ورودی قطع می‌شود دیود هدایت کرده و خازن C3 از مسیر لامپ سیگنال دشارژ می‌شود. به این ترتیب از آسیب رساندن به آی‌سی رگولاتور جلوگیری می‌کند. در صورتی که آی‌سی LM338 در دسترس نبود می‌توانید با کمی تغییر از آی‌سی LM317 استفاده کنید و مدار شکل 12-2 را بسازید.

در شکل‌های 13-2 و 14-2 نمونه «منبع تغذیه» ساخته شده با آی‌سی LM338 را مشاهده می‌کنید.

پروژه منبع تغذیه متقارن با ولتاژ خروجی قابل تنظیم

نقشه مدار:

منبع تغذیه متقارن به منبع تغذیه‌ای گفته می‌شود که قادر است در خروجی خود دو نوع ولتاژ مساوی منفی و مثبت را به‌صورت هم زمان تولید کند. این منابع کاربرد زیادی در مدار های کاربُردی با تقویت‌کننده‌های عملیاتی دارند. با استفاده از دو نوع آی‌سی LM317 و LM338 می‌توانیم یک منبع تغذیه متقارن با حداکثر جریان خروجی 1/5 آمپر بسازیم. در شکل 15-2 نقشه فنی مدار این نوع منبع تغذیه را مشاهده می‌کنید.

چگونگی عملکرد منبع تغذیه دوبل:

ولتاژ ورودی توسط ترانسفورماتور دوبل نشان داده شده در شکل 16-2 به دو ولتاژ 18 ولت با اختلاف فاز ${180^ \circ }$ تبدیل می‌شود. این ولتاژها از طریق ترمینال ورودی به دیودهای یکسوساز پل می‌رسند. تنها تفاوت این مدار با مدارهای قبلی در این است که سر وسط ترانسفورماتور را به عنوان زمین مدار در نظر می‌گیریم.

آی‌سی زمان‌سنج NE555

تراشه زمان سنج 555 به خاطر استفاده آسان و قیمت پایین آن در حد وسیعی در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آی‌سی در مدارهای اسیلاتور و تولید پالس به کار می‌رود. آی‌سی 555 می‌تواند به عنوان تأخیردهنده زمانی در یک مدار زمان‌سنج و یا به عنوان یک مدار نوسانگر استفاده شود. در شکل 20-2 تصویر ظاهری آی‌سی NE555 را مشاهده می‌کنید. انواع دیگر این آی‌سی با شماره 556 , 558 و 559 نیز در بازار موجود است. معمولاً در این آی‌سی‌ها 2 یا 4 عدد آی‌سی 555 قرار دارد و بسته‌بندی آن 14 پایه یا 16 پایه است. شکل 21-2 تصویر ظاهری آی‌سی 556 را نشان می‌دهد.

در شکل 22-2 یک نمونه آی‌سی 558 را ملاحظه می‌کنید. قطعات NE555 از نوع تجاری با درجه حرارت عملکرد بین صفر درجه تا 70 درجه سانتی‌گراد، و SE555 برای استفاده نظامی در دمای کاری بین 55 - تا 125+ درجه سانتی‌گراد ساخته شده‌اند. این آی‌سی‌ها در بسته فلزی با قابلیت اطمینان بالا (بسته‌بندی نوع T) بسته‌های ارزان پلاستیک اپوکسی (بسته‌بندی نوع v) تولید می‌شوند. بنابراین نام این آی‌سی‌ها به‌صورت NE555V , NE555T و SE555T نوشته می‌شود. انواع دیگری از آی‌سی‌های 555 با شماره‌های 7555 و TLC555 نیز ساخته شده‌اند که توان کمتری دارند، این قطعات در مقایسه با آی‌سی‌های 555 قدیمی نویز کمتری به منبع تغذیه وارد می‌کنند. شکل 23-2 یک نمونه آی‌سی TLC555 را نشان می‌دهد. نقشه بلوکی و ترتیب پایه‌ها و مشخصات پایه‌های آی‌سی 555 در شکل 24-2 نشان داده شده است.

برگه اطلاعات:

قسمتی از برگه اطلاعات آی‌سی LM555 در شکل 25-2 آمده است.

همان‌طور که در دیتا شیت شکل 25-2 ملاحظه می‌کنید مشخصات مهم این آی‌سی عبارت‌اند از:

مشخصات مهم Features

در این قسمت مشخصات مهم قطعه به صورت خلاصه آورده شده است. 

پس از ترجمه بخش مشخصات Features آی‌سی LM555 اطلاعات مهم آن را یادداشت کنید.

کاربرد Applications

در این قسمت کاربردهای تخصصی قطعه الکترونیکی مورد نظر بیان شده است. 

پس از ترجمه بخش کاربرد Applications آی‌سی LM555 اطلاعات مهم آن را یادداشت کنید.

مقادیر حداکثر مطلق Absolute Maximum Ratings

در شکل 26-2 مقادیر بیشینه (ماکزیمم) مطلق آی‌سی آورده شده است. این قسمت را به‌طور کامل ترجمه کنید و یاد بگیرید.

همان‌طور که در شکل 26-2 مشاهده می‌کنید این آی‌سی با ولتاژ حداکثر 18 + ولت کار می‌کند. تلفات حرارتی آن حداقل 613 میلی‌وات و حداکثر 1180 میلی وات است که به مدل آی‌سی بستگی دارد. محدوده دمای کاری آی‌سی بین صفر تا 70 + درجه سانتی‌گراد است. این آی‌سی را می‌توان در دمای بین 65 - درجه سانتی‌گراد تا 150 + درجه سانتی‌گراد در انبار نگهداری کرد.

مشخصات الکتریکی Electrical Characterist ics

در جدول 4-2 مشخصات الکتریکی آی‌سی 555 را مشاهده می‌کنید.

مدار کاربردی با آی‌سی 555

در شکل 27-2 یک مدار مولد موج مربعی را مشاهده می‌کنید که می‌توانید در قالب یک پروژه آن را بسازید. فرکانس خروجی این مدار ثابت و برابر یک کیلوهرتز است. در شکل 28-2 این مدار که روی بِرِدبُرد بسته شده است را مشاهده می‌کنید.

در شکل 29-2 شکل موج مربعی خروجی و شکل موج دندانه اره‌ای دو سر خازن C1 رسم شده است. همان‌طور که ملاحظه می‌شود، از خروجی این مدار می‌توانیم موج مربعی و موج مثلثی یا دندانه اره‌ای دریافت کنیم. 

مبدل DC به DC

همان‌طور که در قسمت‌های قبل ذکر شد برای تبدیل ولتاژ DC بیشتر به ولتاژ DC کمتر، از آی‌سی‌های رگولاتور ثابت یا متغیر استفاده می‌کنیم. گاهی نیاز داریم یک ولتاژ DC کمتر را به ولتاژ DC بیشتر تبدیل کنیم. برای مثال اگر دستگاهی با منبع تغذیه مثلاً مثبت5V+ داشته باشیم و بخواهیم آن را به 15V+ تبدیل کنیم از یک مبدل DC به DC استفاده می‌کنیم. طرح‌های گوناگونی برای مبدل DC به DC وجود دارد.

ایده اولیه: در اکثر مبدل‌های DC به DC ولتاژ DC ورودی به یک نوسان‌ساز موج مربعی داده می‌شود تا تبدیل به موج مربعی شود. سپس موج مربعی تولید شده، سیم پیچ اولیه یک ترانسفورماتور را تحریک می‌کند و در ثانویه ترانسفورماتور ولتاژ مربعی افزایش می‌یابد. شکل 30-2 بلوک دیاگرام مبدل DC به DC را نشان می‌دهد.

معمولاً مقدار فرکانس نوسان‌ساز بین 1KHZ تا 100KHZ است. هر چه فرکانس بیشتر باشد، ترانسفورماتور و اجزاء صافی آن کوچک می‌شوند. از سوی دیگر اگر فرکانس خیلی بالا باشد، تولید موج مربعی کامل دشوار می‌شود. تجربه نشان داده است که فرکانس 20KHZ بهترین حالت برای تولید موج مربعی است. با انتخاب نسبت مناسب برای ترانسفورماتور، ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور می‌تواند کوچک‌تر یا بزرگ‌تر شود. برای بالا بردن کارآیی ترانسفورماتور، معمولاً از ترانسفورماتورهایی استفاده می‌شود که هسته چنبره‌ای دارد. با این روش ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور به شکل موج مربعی کامل در می‌آید. در این حالت ولتاژ مربعی ثانویه را یک سو و صاف می‌کنند و آن را به ولتاژ DC تبدیل می‌نمایند. شکل 31-2 یک نمونه مبدل DC به DC را نشان می‌دهد. یکی از متداول‌ترین انواع مبدل‌های DC به DC مبدل 5V+ به 15V+ است.

ولتاژ 5V+ ولتاژ منبع تغذیه استاندارد برای اکثر مدارهای مجتمع و سامانه‌های دیجیتالی است. تعدادی از مدارهای مجتمع، مانند تقویت‌کننده‌های عملیاتی نیز وجود دارند که ولتاژ تغذیه آن‌ها 15V+ است. برای تغذیه این نوع مدارها، معمولاً از یک مبدل DC به DC با توان کم و با ولتاژ خروجی 15V+ و 15V- استفاده می‌کنند.

در شکل 32-2 یک نمونه آی‌سی مبدل DC به DC و مشخصات پایه‌های آن نشان داده شده است.

در مدار شکل 33-2 از این آی‌سی برای تبدیل ولتاژ 12 ولت به ولتاژ 24 ولت استفاده شده است.

اساس کار رگولاتورهای کلیدزنی Switching Regulator

در منابع تغذیه خطی (معمولی-متداول)، توان زیادی تلف می‌شود که درصد بالایی از این تلفات به صورت حرارت است. تلفات زیاد توان سبب کاهش راندمان در حدی کمتر از 40 درصد می‌شود. با وجود اینکه این منابع تثبیت خوبی دارند و میزان نویز و ضربان ولتاژ خروجی آن‌ها در حدی است که نیازهای معمولی ما را برآورده می‌کنند. راندمان پایین این نوع منابع تغذیه موجب شده است که علاوه بر مصرف انرژی الکتریکی زیاد، در توان‌های نسبتاً بالا نیاز به وسایل خنک‌کننده مانند رادیاتور و پروانه (فن) داشته باشند.

همچنین ابعاد و حجم ترانسفورماتور به کار رفته در این منابع تغذیه بزرگ است. بنابراین با توجه به کوچک و فشرده شدن دستگاه‌های مدرن الکترونیکی در عصر حاضر، منابع تغذیه خطی نمی‌توانند مناسب باشند. جایگزین منابع تغذیه خطی، منابع تغذیه سوئیچینگ (کلید‌زنی) هستند که تا حدود زیادی معایب منابع تغذیه خطی را برطرف می‌نمایند. در شکل 36-2 بلوک دیاگرام ساده یک نوع منبع تغذیه سوئیچینگ را ملاحظه می‌کنید.

در این بلوک دیاگرام، ابتدا ولتاژ متناوب ورودی یکسو و صاف می‌شود تا ولتاژ DC مورد نیاز را تولید کند. این ولتاژ به عنصر کلیدزنی (سوئیچینگ) داده می‌شود تا موج مربعی با فرکانس زیاد را به وجود آورد. موج مربعی از یک بوبین یا ترانسفورماتور کاهنده عبور می‌کند و پس از یکسوسازی و عبور از صافی، ولتاژ DC مورد نیاز را تهیه می‌نماید. برای کنترل و تثبیت ولتاژ خروجی، بخشی از این ولتاژ نمونه برداری و با ولتاژ مرجع مقایسه می‌شود. پس از مقایسه، سیگنال خطا تولید می‌شود. سیگنال خطا فرمان لازم را به مدار می‌دهد و زمان قطع و وصل سوئیچ را کنترل می‌کند. با توجه به اینکه سوئیچ به‌طور دائم در حال قطع و وصل است تلفات مدار بسیار کم می‌شود و به این ترتیب راندمان منبع تغذیه افزایش می‌یابد و به حدود 70 تا 80 درصد می‌رسد. همچنین به سبب کار در فرکانس بالا (حدوداً 20KHZ) حجم بوبین یا ترانسفورماتور کاهش می‌یابد.

ایده اصلی درباره چگونگی کار مدار منبع تغذیه سوئیچینگ

در شکل 37-2 بخش‌های اصلی یک منبع تغذیه سوئیچینگ رسم شده است. در شکل 38-2 مدار معادل ساده شده آن را مشاهده می‌کنید.

عملکرد مدار ساده شده منبع تغذیه سوئیچینگ:

در مدار شکل 8-2 که مدار ساده منبع تغذیه است، یک نوسان ساز با عرض پالس متغیر، قطع و وصل ترانزیستور کلیدزنی را کنترل می‌کند. به این ترتیب رشته‌ای از پالس متغیر به بیس ترانزیستور وارد می‌شود. هرگاه دامنه پالس‌های ورودی، در تراز بالا باشد، ترانزیستور به اشباع می‌رود. همچنین هنگامی که ولتاژ پالس‌های ورودی به بیس، در تراز پایین قرار گیرد، ترانزیستور به حالت قطع می‌رود. ایده اصلی این است که ترانزیستور مانند کلید عمل می‌کند. در شرایط ایده آل، هنگامی که کلیدی بسته یا باز (وصل یا قطع) باشد، هیچگونه توانی تلف نمی‌شود. یادآور می‌شود که در عمل، کلید ترانزیستوری نمی‌تواند به‌طور کامل عمل کند. بنابراین همیشه مقداری توان تلف می‌شود. اما توان تلف شده خیلی کمتر از توانی است که یک منبع تغذیه خطی تلف می‌کند. همان‌طور که ملاحظه می‌شود دیود D1 بین امیتر و زمین قرار دارد. به دلیل ایجاد ولتاژ القایی معکوس توسط سیم پیچ L اتصال این دیود ضروری است. بوبین L جریان مدار را ثابت نگه می‌دارد. هنگامی که ترانزیستور قطع می‌شود، دیود D1 مسیری را برای عبور جریان القایی مخالف در بوبین، آماده می‌سازد. در مدار بدون دیود، ولتاژ معکوس آن قدر بالا می‌رود که می‌تواند به ترانزیستور آسیب برساند. 

تنظیم‌کننده‌های کلیدزنی مجتمع

تنظیم‌کننده‌های سوئیچینگ کم توان را بر روی تراشه می‌سازند. نمونه خوبی از این تنظیم‌کننده، آی‌سی $\mu A78S40$ است. این مدار مجتمع یک تنظیم‌کننده سوئیچینگ است که با کاربری عام شناخته می‌شود. در این آی‌سی مدار نوسان‌ساز، مدار مقایسه‌گر، یک ترانزیستور راه‌انداز، یک ترانزیستورسوئیچ، یک ولتاژ مرجع، دو تقویت‌کننده عملیاتی و تعدادی مدار دیگر وجود دارد. برای پی بردن به طرز کار این تنظیم کننده، باید تا اندازه‌ای با اصول کار مدارهای دیجیتال آشنا باشید، زیرا این تراشه شامل مدارهای منطقی از نوع دریچه AND و فلیپ فلاپ RS است. در شکل 40-2 ساختمان داخلی این تنظیم کننده کلیدزنی و شماره پایه‌ها و کار هریک از پایه‌های آن نشان داده شده است. توجه داشته باشید که کاربرد این آی‌سی در مدارهای سوئیچینگ است، لذا به تحلیل مدار IC نپرداخته‌ایم و فقط آن را معرفی کرده‌ایم. در شکل الف-ب 41-2 شکل ظاهری آی‌سی و یک نمونه مدار تغذیه سوئیچینگ با استفاده از این آی‌سی را مشاهده می‌کنید.

واحد یادگیری 3: شایستگی چاپ و آماده‌سازی طرح رو و پشت برُد مدار چاپی، مونتاژ و راه‌اندازی مدار

آیا تا به حال فکر کرده‌اید:

- چه روش‌هایی برای انتقال طرح مدار چاپی به روی فیبر وجود دارد؟
- بهترین روش انتقال طرح روی فیبر، برای طرح‌های پیچیده و ظریف کدام است؟
- در تولید انبوه فیبر مدار چاپی چه روشی مقرون به‌صرفه است؟
- روش‌های انتقال طرح روی فیبر مدار چاپی چه شباهت‌هایی با روش‌های انتقال طرح روی پارچه دارد؟

برای پیاده‌سازی طرح مدار چاپی روی فیبر، روش‌های مختلفی وجود دارد. یکی از بهترین روش‌ها برای کاربران خانگی و استفاده در محیط‌های آموزشی، استفاده از روش پرینتر لیزری و اتو است. با این روش در پایه دهم آشنا شده‌اید. این شیوه انتقال طرح در مقایسه با استفاده از ماژیک ضد آب و یا لتراست به زمان کمتری نیاز دارد و دقت عملکرد آن بیشتر است. ولی در مقیاس بزرگ و تولید انبوه و صنعتی کاربُردی ندارد. در اغلب کارخانه‌ها و کارگاه‌های تولیدی از روش چاپ سیلک (سیلک اسکرین) استفاده می‌کنند. تولید و تکثیر مدارها با این روش سریع‌تر و با دقت عمل بیشتر انجام می‌گیرد. در تولید زیاد صنعتی، انتقال طرح بر روی بُرد، توسط دستگاه‌های مخصوص و به‌صورت خودکار اجرا می‌شود.

در این واحد یادگیری استفاده از لامینت شرح داده می‌شود. پس از اتمام آموزش فرا گیرنده باید بتواند فرایند اجرای کار را با دقت و مطابق استاندارد انجام دهد. همچنین باید قادر باشد مدار چاپی انواع مدارهای کاربُردی با آی‌سی آنالوگ را که با نرم‌افزار پیشرفته طراحی نموده است روی فیبر انتقال دهد، فیبر را مونتاژ و راه‌اندازی کند. در تمام مراحل انجام کار، رعایت نکات ایمنی، بهداشتی و توجه به مهارت‌های غیر فنی مانند کار گروهی، به کارگیری فناوری‌های نوین، توجه به محیط زیست، رعایت نظم و ترتیب و سایر مهارت های غیر فنی اهمیت ویژه‌ای دارد و باید در مراحل اجرای کار رعایت شود.

استاندارد عملکرد

انتقال طرح رو و پشت مدار چاپی و آماده‌سازی فیبر بر اساس استانداردهای تعریف شده

مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز

ابزار عمومی برق یا الکترونیک، لوازم‌التحریر، مولتی‌متر، رایانه، نرم‌افزار پیشرفته طراحی مدار چاپی، لامینت، اسید مدار چاپی، وان اسید، مواد پاک‌کننده،‌ دریل‌، مته مناسب، بُرد مدار چاپی، قطعات پروژه آنالوگ

روش‌های ساخت فیبر مدار چاپی

برای ساخت فیبر مدار چاپی روش‌های گوناگونی وجود دارد که در پایه دهم در کتاب طراحی و ساخت مدار چاپی با روش‌های ماژیک و استفاده از پرینتر لیزری و اتو آشنا شدید. در این واحد یادگیری با روشی جدید و بسیار دقیق به نام لمینت (Laminate) آشنا می‌شوید که در بازار هم از آن استفاده می‌شود. لمینت یا لامینت نیز می‌نامند.

روش لامینت

لمینت یا لامینت ماده شیمیایی حساس به نور است که بین دو روکش پلاستیکی نازک قرار گرفته است. این ورق نازک پلاستیکی با تابش نور شدید در مدت کوتاهی تغییر رنگ داده و خواص شیمیایی آن تغییر می‌کند. توجه کنید که نرمی پلاستیک دو طرف لمینت با هم متفاوت است. یک طرف نرم بوده و خاصیت کشسانی دارد اما پلاستیک طرف دیگر خشک است. ورقه لمینت در بازار در رنگ‌های سبز و آبی موجود است. در شکل 3-1 لامینت را به‌صورت رول مشاهده می‌کنید.

چاپ نقشه روی فیبر مدار چاپی با روش لمینت

برای چاپ نقشه pcb با روش لامینت نیاز به مواد زیر داریم.

- فیبر مسی
- محفظه با نور UV یا چراغ مطالعه مجهز به لامپ کم‌مصرف Compact fluorescent lamp) CFL)
- طرح چاپ شده بر روی فیلم شفاف مخصوص (طلق ترنسپرنت)
- پودر ظهور (بیکربنات سدیم)، شکل 2-3
- پودر پاک‌کننده لمینت یا مایع لاک‌پاک‌کن
- اسید مدار چاپی مایع یا پودر اسید پرکلروردوفر

برای انتقال طرح نقشه مدار چاپی با استفاده از لامینت باید مراحل زیر را اجرا کنیم:

ابتدا فیبر مسی خام را به اندازه عرض فیبر مدار چاپی مورد نظر برش می‌زنیم. سپس لبۀ بُرش خورده را صاف می‌کنیم. برای این کار ابتدا به وسیله خط‌کش فلزی و سوزن خط‌کش روی فیبر را اندازه‌گذاری می‌کنیم. در شکل 3-3 سوزن و خط‌کش و روش خطکشی را مشاهده می‌کنید.

نقاط را با سوزن خط‌کش به یکدیگر متصل می‌کنیم تا خطی صاف روی فیبر ترسیم شود. چندین بار سوزن را روی فیبر می‌کشیم تا خط عمق پیدا کند. همان‌طور که در شکل 4-3 مشاهده می‌کنید پس از چندین بار کشیدن سوزن خط‌کش، خطی واضح و عمیق روی فیبر ترسیم می‌شود.

پس از این مرحله فیبر را به گیره فلزی می‌بندیم، به‌طوری که خط مورد نظر با لبه فک‌های نگه دارندۀ گیره مماس شود. متناسب با استقرار گیره در جهت افقی یا عمودی به فیبر نیرو وارد می‌کنیم تا فیبر از روی خط مورد نظر جدا شود. برای این کار کف دست خود را در لبه بالایی فیبر قرار داده و مطابق شکل 5-3 در جهت افقی به فیبر نیرو وارد می‌کنیم. ملاحظه خواهید کرد که فیبر دقیقاً از روی خط برش می‌خورد.

در مرحله بعدی لبه شکسته شده فیبر را با کاغذ سنباده‌ای که آن را بر روی یک تکه چوب چسبانده‌ایم پرداخت می‌کنیم تا صاف و یکنواخت شود (شکل 6-3).

می‌توانیم از تیغه اره آهن بُر یا اره‌مویی هم برای بُرش فیبر استفاده کنیم. برای این کار فیبر را به گیره بسته و شروع به بُرش می‌کنیم. برای این کار از اره‌مویی با تیغه و دندانه مستقیم استفاده می‌کنیم. مراحل بُرش در شکل 7-3 نشان داده شده است.

با مینی فرز هم می‌توانیم فیبر را برش دهیم. این وسیله طبق شکل 8-3 دارای تیغه ای تیز و دایره‌ای شکل است که با سرعت بالا به راحتی فیبر را با کمترین میزان خطا برش می‌دهد. پس از برش عملیات پرداخت لبه فیبر انجام می‌شود.

فیبر مسی خام را با یک سمباده نرم (سست آب P400) به آرامی و به‌صورت یکنواخت سنباده می‌زنیم. دانه‌های تشکیل دهنده این کاغذ سنباده بسیار نرم هستند و آسیبی به مس روی فیبر وارد نمی‌کنند و فقط کثیفی‌های روی فیبر را از بین می‌برند. این سنباده را می‌توانید از ابزار فروشی‌ها تهیه کنید.

اگر سمباده در دسترس نباشد، طبق شکل 9-3 می‌توانید از آب گرم و مایع ظرفشویی و سیم ظرفشویی استفاده کنید. در این حالت باید فیبر مسی را با دقت بسیار زیادی بشویید تا کاملاً براق شود. پس از شستشو، فیبر را با سشوار خشک کنید. شکل 10-3 فیبر تمیز شده را نشان می‌دهد.

پس از خشک شدن فیبر، طبق شکل 11-3 لمینت را به اندازه مورد نیاز برش دهید و روکش پلاستیکی طرفی که نرم‌تر است و حالت کشسانی دارد را تا نصف جدا کنید. جداسازی لامینت نیاز به تجربه و مهارت دارد.

لمینت را طبق شکل 12-3 روی فیبر قرار داده و همان‌طور که از قسمت زیر، روکش پلاستیکی را جدا می‌کنید از طرف دیگر لمینت را به وسیله یک تیغه پلاستیکی صاف بر روی فیبر بچسبانید. این عمل مانند چسباندن محافظ ضد خش روی صفحه نمایش تلفن همراه است.

پس از چسباندن، 10 دقیقه با دست روی لمینت بکشید تا خوب گرم شده و محکم به فیبر بچسبد. هر قدر این کار را دقیق‌تر انجام دهید احتمال جداشدن لمینت از فیبر کمتر می‌شود.

پس از اتمام کار، فیبر را برعکس می‌کنید و به وسیله کاتر لمینت‌های اضافی را برش می‌دهید. شکل 13-3 فیبر لامینت شده را نشان می‌دهد.

لامینت‌کاری در صنعت

در صنعت از دستگاه لمینتور یا دستگاه پرس کارت برای این کار استفاده می‌کنند. در این روش مانند مراحل قبل، ابتدا قسمتی از لایه نرم لمینت را از آن جدا می‌کنند، سپس آن را مانند شکل 14-3 روی لبه اولیه فیبر مسی قرار می‌دهند.

در مرحله بعدی با استفاده از تیغه لاستیک طبیعی که به آن تیغه اسکوئیجی (Squeegee) می‌گویند قسمتی از لمینت را به‌صورت دستی بر روی فیبر می‌چسبانند (شکل 14-3)

دستگاه را بر روی دمای 110 درجه سانتی‌گراد تنظیم می‌کنند. سپس فیبر مسی را در ورودی دستگاه لمینتور قرار می‌دهند و موتور انتقال‌دهنده دستگاه را روشن می‌کنند (شکل 15 3) دستگاه با سرعت بسیار آرام فیبر را به درون خود می‌کشد و پس از چند ثانیه طبق شکل 16-3 فیبر لمینت شده از سمت دیگر دستگاه خارج می‌شود. در حقیقت غلتک‌های گرم با عبور دادن فیبر، لمینت را با دقت فوق‌العاده بالا، بر روی فیبر مسی می‌چسبانند.

در شکل 16-3 فیبر لمینت شده را مشاهده می‌کنید.

انتقال طرح روی فیبر

در این مرحله نقشه طراحی شده توسط آلتیوم دیزاینر را طبق شکل 17-3 با چاپگر لیزری بر روی طلق شفاف (ترنسپرنت Transparent) به‌صورت فیلم منفی (نگاتیو) چاپ می‌کنیم. برای ایجاد نگاتیو از نرم‌افزار نقاشی ویندوز (PAINT)، فتوشاپ و نرم‌افزار آلتیوم دیزاینر یا هر نرم‌افزار مناسب دیگر استفاده کنید.

در شکل 18-3 نقشه چاپ شده روی طلق شفاف را مشاهده می‌کنید.

برای ادامه به یک قاب عکس نیاز داریم. طبق شکل 19-3 پشت قاب عکس را باز می‌کنیم و نقشه را روی شیشه آن می‌چسبانیم.

روکش نازک سمت دیگر لامینت را مانند شکل 20-3 به آرامی جدا می‌کنیم.

فیبر لامینت کاری شده را طبق شکل 21-3 روی نقشه می‌گذاریم.

طبق شکل 22-3 پشت قاب عکس را می‌بندیم و آن را برعکس می‌کنیم.

نوردهی و ظهور فیبر

پس از آماده سازی قاب باید به بُرد نور بدهیم. عملیات نوردهی به وسیله یک چراغ مطالعه مجهز به لامپ کم مصرف (CFL) صوررت می‌گیرد. طبق شکل 23-3 به مدت ده دقیقه فیبر را نور می‌دهیم. 

برای ظهور و ثبوت نقشه روی فیبر، حدود یک قاشق غذاخوری (10 گرم) پودر ظهور که همان بیکربنات سدیم (جوش شیرین) است را در مقدار کمی آب سرد بریزید و خوب هم بزنید.

در محل تاریک خانه طبق شکل 24-3 فیبر را در محلول ظهور بگذارید.

پس از 5 الی 7 دقیقه طبق شکل 25-3 به آرامی روی فیبر دست بکشید تا لامینت‌های نور ندیده جدا شوند.

در نهایت فیبر را با آب بشویید تا کاملاً تمیز شود. این مرحله را خیلی سریع انجام دهید تا لامینت‌های تثبیت شده و نور دیده جدا نشوند.

پس از شست‌وشو فیبر به‌صورت شکل 26-3 در می‌آید.

اسید کاری فیبر

در این مرحله فیبر را داخل محلول اسید پرکلرودوفر و آب قرار می‌دهیم تا طبق شکل 27-3 قسمت‌های مسی اضافی از بین برود و نقشه مورد نظر باقی بماند.

پس از آماده شدن فیبر طبق شکل 28-3 آن را با یک پنس پلاستیکی خارج کنید و آن را با آب بشویید.

سوراخ‌کاری فیبر

فیبر آماده شده را طبق شکل 29-3 با مینی دریل ستونی یا دریل دستی با مته شماره 1 یا 2 میلی‌متر سوراخ کنید.

پس از سوراخ‌کاری باید لامینت‌های اضافی را پاک کنید. برای این کار از ماده استون (لاک پاک کن Acetone) که در منازل یافت می‌شود استفاده کنید. طبق شکل 30-3 پارچه ای را به ماده آغشته کنید و بر روی فیبر بکشید تا لمینت‌های اضافی پاک شود. در نهایت طبق شکل 31-3 فیبر مدار چاپی آماده لحیم‌کاری است.