ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Τεχνική Σχεδίαση Ενότητα: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 4 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΒΑΣΙΚΟΥ ΚΥΚΛΏΜΑΤΟΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ORCAD CAPTURE ΘΕΟΔΩΡΟΣ ΓΚΑΝΕΤΣΟΣ Τμήμα Μηχ. Αυτοματισμού ΤΕ 1
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2
1. Σκοποί ενότητας... 4 2. Περιεχόμενα ενότητας... 4 3. Το Θεωρητικό Κύκλωμα... 5 4. Σχεδίαση Σχηματικού Διαγράμματος στο ORCAD... 6 3
1. Σκοποί ενότητας Παρέχει βασικές γνώσεις για την υλοποίηση ενός σχηματικού διαγράμματος (θεωρητικού κυκλώματος) στο Orcad. 2. Περιεχόμενα ενότητας Σχεδίαση του σχηματικού διαγράμματος (θεωρητικού κυκλώματος) ενός ενισχυτή κοινής βάσης στο Orcad Capture. 4
3. Το Θεωρητικό Κύκλωμα Για το σχεδιασµό και την υλοποίηση µίας πλακέτας τυπωµένου κυκλώµατος (PCB), είναι, προφανώς, αναγκαίο να διαθέτουµε το θεωρητικό κύκλωµα του οποίου επιθυµούµε να σχεδιάσουµε την πλακέτα. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα επιλέχθηκε το κύκλωµα του ενισχυτή κοινής βάσης διότι αποτελεί κύκλωµα µελέτης σε άλλο εργαστήριο της σχολής (Ηλεκτρονικά Ι) και η µικρή πολυπλοκότητα του το καθιστά κατάλληλο πυρος σχεδιασµό από αρχάριους χρήστες του προγράµµατος ORCAD. Το κύκλωµα του ενισχυτή κοινής βάσης είναι το εξής: Σχήμα 1. Το σχηματικό διάγραμμα ενός ενισχυτή κοινής βάσης Τα Pad 1 & Pad 2 αποτελούν την είσοδο του κυκλώµατος, τα Pad 3 & Pad 4 την έξοδο του και η πηγή ΒΤ1 την τροφοδοσία του. Τα υπόλοιπα εξαρτήµατα του κυκλώµατος δεν είναι επαρκώς καθορισµένα αφού σε ορισµένα δεν αναγράφεται η µέγιστη καταναλισκόµενη ισχύς τους και περισσότερες πληροφορίες (τύπος πυκνωτών τάση λειτουργίας). Για το λόγο αυτό καθορίζονται οι σχετικές λεπτοµέρειες µε τον παρακάτω πίνακα εξαρτηµάτων: Πίνακας 1. Εξαρτήματα Q1 2N2219A, ΤΟ-39 metal package R1 1K, 1/4W, ± 5% R2 22K, 1/4W, ± 5% R3 1.8K, 1/4W, ± 5% R4 100K, Trimpot PT10LV C1 47µF, 63V, ηλεκτρολυτικός C2 22µF, 63V, ηλεκτρολυτικός C3 33µF, 63V, ηλεκτρολυτικός 5
4. Σχεδίαση Σχηματικού Διαγράμματος στο ORCAD Το κύκλωµα που θα σχεδιάσουµε όπως προαναφέρθηκε είναι ο ενισχυτής κοινής βάσης. Θα πρέπει να επιλέξουµε και να τοποθετήσουµε τα εξαρτήµατα που χρειάζονται για την κατασκευή του κυκλώµατος. Για το συγκεκριµένο κύκλωµα θα χρειαστούµε αντιστάσεις, ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, το τρανζίστορ, το ποτενσιόµετρο, την πηγή συνεχούς τάσης, την γείωση και για είσοδο και έξοδο του κυκλώµατος θα χρησιµοποιήσουµε ακροδέκτες (Pinpads). Τα εξαρτήµατα που θα χρησιµοποιήσουµε τα επιλέγουµε από τις βιβλιοθήκες του προγράµµατος και για να τα αναζητήσουµε επιλέγουµε: Place Part ή χρησιµοποιούµε τη συντόµευση Shift+P από την κολώνα ( µπάρα ) µε τις επιλογές που βλέπουµε στα δεξιά της παρακάτω εικόνας. Η µπάρα αυτή βρίσκεται στο δεξί µέρος του παραθύρου και για να τοποθετήσουµε κάποιο εξάρτηµα επιλέγουµε το δεύτερο κουµπί ακριβώς κάτω από το βελάκι. Σχήμα 2. Βασική Οθόνη Προγράμματος Στην συνέχεια ανοίγει το ακόλουθο παράθυρο όπου µας δίνει τη δυνατότητα να διαλέξουµε το εξάρτηµα που επιθυµούµε από µία λίστα (Part List). Πριν περάσουµε σε αυτό το σηµείο θα πρέπει να έχουµε τοποθετήσει όλες τις διαθέσιµες βιβλιοθήκες που µας δίνει το πρόγρα µµα προσθέτοντας τες στο κουτάκι κάτω αριστερά µε το όνοµα Libraries. Για να γίνει αυτό πατά µε Add Library, επιλέγουµε όλες τις βιβλιοθήκες και πατάµε Άνοιγµα. Η διαδροµή που βρίσκονται οι βιβλιοθήκες είναι η εξής: C: Program Files OrcadLite Capture Library Σηµείωση: Προσθέστε και τις βιβλιοθήκες του φακέλου PSpice που βρίσκεται στον φάκελο Library. 6
Έτσι έχουν προστεθεί οι βιβλιοθήκες στο κουτάκι κάτω αριστερά µε το όνοµα Libraries. Προσοχή για να µπορούµε να τις χρησιµοποιήσουµε πρέπει να είναι όλες επιλεγµένες (να είναι όλες µπλε). Σχήμα 3. Οθόνη Place Part Τώρα µπορούµε να αναζητήσουµε το εξάρτηµα που χρειαζόµαστε είτε από τη λίστα εξαρτηµάτων (Part List), είτε να γράψουµε στο κουτί µε όνοµα Part τον τύπο του εξαρτήµατος, ολόκληρο (π.χ. 2n2219a) ή µέχρι εκεί που προκύπτει σωστή αντιστοιχία µε τη λίστα (π.χ. 2n221 ). Κάτω δεξιά βλέπουµε την απεικόνιση του εξαρτήµατος για να σιγουρευτούµε ότι είναι αυτό που ψάχνουµε. Τότε επιλέγουµε OK. Σαν αποτέλεσµα της τελευταίας επιλογής κλείνει το παραπάνω παράθυρο και µπορούµε να τοποθετήσουµε το εξάρτηµα µας µε αριστερό κλικ πάνω στο σχέδιο. Τοποθετούµε όσα εξαρτήµατα του ιδίου τύπου χρειαζόµαστε και µετά πατάµε δεξί κλικ και επιλέγουµε End Mode. Η ίδια εργασία επαναλαµβάνεται για τις αντιστάσεις και τους πυκνωτές. 7
Έτσι έχουµε τοποθετήσει τα παρακάτω. Σχήμα 4. Οθόνη Place Part Με τον ίδιο τρόπο βρίσκουµε και τοποθετούµε τα Pinpads (Place Part), το ποτενσιόµετρο ως Pot (Place Part), την πηγή συνεχούς τάσης ως BATTERY (Place Part), και την γείωση ως GND (Place Ground) (Προσοχή: Πρέπει να κάνουµε συχνά αποθήκευση (File Save ή Ctrl+S) του αρχείου εργασίας του σχηµατικού διαγράµµατος). Τα αρχεία που δηµιουργούνται είναι µε επεκτάσεις.opj.dsn και µπορούµε να τα αναζητήσουµε στο φάκελο όπου τα αποθηκεύσαµε, από το Capture: File Open Project για το αρχείο µε επέκταση.opj File Open Design για το αρχείο µε επέκταση.dsn Για το σχεδιασµό και την υλοποίηση µίας πλακέτας τυπωµένου κυκλώµατος (PCB), είναι, προφανώς, αναγκαίο να διαθέτουµε το θεωρητικό κύκλωµα του οποίου επιθυµούµε να σχεδιάσουµε την πλακέτα. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα επιλέχθηκε το κύκλωµα του ενισχυτή κοινής βάσης διότι αποτελεί κύκλωµα µελέτης σε άλλο εργαστήριο της σχολής (Ηλεκτρονικά Ι) και η µικρή πολυπλοκότητα του το καθιστά κατάλληλο πυρος σχεδιασµό από αρχάριους χρήστες του προγράµµατος ORCAD.Η λειτουργία του κυκλώµατος και η διαδικασία υπολογισµού και επιλογής των εξαρτηµάτων του δεν θα µας απασχολήσει (τουλάχιστον στο συγκεκριµένο εργαστήριο). Το κύκλωµα του ενισχυτή κοινής βάσης είναι το εξής: Σχήμα 5: Το θεωρητικό κύκλωμα του ενισχυτή κοινής βάσης 8
Τα Pad 1 & Pad 2 αποτελούν την είσοδο του κυκλώµατος, τα Pad 3 & Pad 4 την έξοδο του και η πηγή ΒΤ1 την τροφοδοσία του. Τα υπόλοιπα εξαρτήµατα του κυκλώµατος δεν είναι επαρκώς καθορισµένα αφού σε ορισµένα δεν αναγράφεται η µέγιστη καταναλισκόµενη ισχύς τους και περισσότερες πληροφορίες (τύπος πυκνωτών τάση λειτουργίας). Για το λόγο αυτό καθορίζονται οι σχετικές λεπτοµέρειες µε τον παρακάτω πίνακα εξαρτηµάτων: Πίνακας 2. Εξαρτήματα Q1 2N2219A, ΤΟ-39 metal package R1 1K, 1/4W, ± 5% R2 22K, 1/4W, ± 5% R3 1.8K, 1/4W, ± 5% R4 100K, Trimpot PT10LV C1 47µF, 63V, ηλεκτρολυτικός C2 22µF, 63V, ηλεκτρολυτικός C3 33µF, 63V, ηλεκτρολυτικός Στην συνέχεια θα τοποθετήσουµε τα εξαρτήµατα στην τελική θέση τους σύµφωνα µε το θεωρητικό µας κύκλωµα. Κάνοντας αριστερό κλικ µε το ποντίκι πάνω στο εξάρτηµα εµφανίζεται γύρω του ένα περίγραµµα που µας δείχνει τι έχουµε επιλέξει και άρα µπορούµε να το µετακινήσουµε. Προσοχή αν γίνει «επιλογή µε το ποντίκι» στο όνοµα του εξαρτήµατος µπορούµε να µετακινήσουµε µόνο αυτό και όχι όλο το εξάρτηµα. Για να αναστρέψουµε ή να περιστρέψουµε το εξάρτηµα κάνουµε δεξί κλίκ πάνω του και εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο. Με την πρώτη επιλογή Mirror Horizontally µπορούµε να αναστρέψουµε οριζόντια το εξάρτηµα. Με την δεύτερη επιλογή Mirror Vertically µπορούµε να αναστρέψουµε κάθετα το εξάρτηµα. Και µε την τρίτη επιλογή Rotate μπορούµε να περιστρέψουµε το εξάρτηµα. Αυτό το παράθυρο µας δίνει την δυνατότητα να διαγράψουµε ένα εξάρτηµα (Delete) ή να πραγµατοποιήσουµε αντιγραφή επικόλληση (Copy και µετά σε κάποιο ελεύθερο σηµείο του χώρου να κάνουµε Paste). 9
Οι παραπάνω λειτουργίες µπορούν να πραγµατοποιηθούν και από το µενού Edit ή µε συντοµεύσεις (µε επιλεγµένο το εξάρτηµα). Για µετακίνηση των εξαρτηµάτων µπορούµε να κάνουµε και µαζική επιλογή είτε δηµιουργώντας ένα πλαίσιο (µε αριστερό κλίκ σε κενό σηµείο) που θα τα περιλαµβάνει, είτε κρατώντας πατηµένο το control (Ctrl). Γνωρίζοντας τα παραπάνω µπορούµε να τοποθετήσουµε στο χώρο τα εξαρτήµατα ώστε να µπορούµε να κάνουµε τις συνδέσεις µεταξύ τους. (Σηµείωση : Αν το κύκλωµά µας ήταν πολυπλοκότερο εκτός του ότι µπορεί να χρειαζόταν να ορίσουµε µεγαλύτερες διαστάσεις στο φύλλο που εργαζόµαστε θα έπρεπε να κάνουµε και σταδιακά τα βήµατα που ακολουθούµε τώρα για διευκόλυνση µας.) Έχοντας τοποθετήσει τα εξαρτήµατα όπως στο παρακάτω σχήµα, θα προχωρήσουµε πραγµατοποιώντας τις ηλεκτρικές συνδέσεις µεταξύ των εξαρτηµάτων. Σχήμα 6: Τοποθέτηση εξαρτημάτων στο σχέδιο Στην συνέχεια κάνουµε αποθήκευση (File Save ή Ctrl+S) Με Place Wire ή Shift+W ή από τη µπάρα συντοµεύσεων στα δεξιά επιλέγουµε τη λειτουργία τοποθέτησης καλωδίου, την ηλεκτρική δηλαδή σύνδεση µεταξύ των εξαρτηµάτων. Ο δείκτης του ποντικιού έχει την µορφή σταυρού και πατώντας στον ακροδέκτη κάποιου εξαρτήµατος µπορούµε να τοποθετήσουµε το καλώδιο µέχρι κάποιο άλλο εξάρτηµα ή κάποιο καλώδιο. Κάνουµε αριστερό κλικ στον ακροδέκτη που θέλουµε να συνδέσουµε και µετά µετακινούµε τον δείκτη του ποντικού µέχρι το σηµείο της σύνδεσης, ενώ όταν θα είµαστε σε σωστή θέση θα εµφανιστεί ένας κόκκινος κύκλος οπότε εφαρµόζουµε «διπλή επιλογή µε το ποντίκι». 10
Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στην δηµιουργία λάθος βραχυκυκλωµάτων ακολουθώντας τα παραπάνω βήµατα. Σχήμα 7: Δημιουργία συνδέσεων Η ύπαρξη σύνδεσης αφού αυτή πραγµατοποιηθεί, συµβολίζεται µε µια µικρή ροζ κουκίδα πάνω στο καλώδιο, ενώ στους ακροδέκτες των εξαρτηµάτων δεν πρέπει να εµφανίζεται κάτι αντίστοιχο. Η διαδικασία που περιγράφηκε απαιτεί προσεκτικό χειρισµό και όχι βιαστικές κινήσεις. Έχοντας κάνει όλες τις συνδέσεις κάνουµε δεξί κλίκ και επιλέγουµε End Wire, έτσι ώστε ο δείκτης του ποντικού να επανέλθει στην αρχική του µορφή. Εάν έχουµε κάνει κάποιο λάθος µπορούµε να διαγράψου µε ένα ή περισσότερα καλώδια και συνδέσεις και στην συνέχεια να επιλέξουµε ξανά το καλώδιο για τοποθέτηση νέου. Αφού τελειώσουµε µε τις συνδέσεις θα πρέπει να έχει προκύψει το ακόλουθο σχέδιο. Σχήμα 8: Ολοκλήρωση σχηματικού διαγράμματος Πραγµατοποιούµε την αποθήκευση (File Save ή Ctrl+S) του σχηµατικού µας διαγράµµατος. Μπορούµε να αλλάξουµε την ονοµασία των εξαρτηµάτων καθώς επίσης και να τους δώσουµε τιµές, να µην εµφανίζονται καθόλου στοιχεία τους πάνω στο σχέδιο µας, να τα περιστρέψουµε κ.α.. 11
Κάνοντας διπλό κλίκ στο όνοµα εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο, που µας δίνει τις παραπάνω δυνατότητες. Σχήμα 9: Παράθυρο Display Properties Συµπληρώστε τις τιµές των εξαρτηµάτων όπως φαίνονται στο Πίνακα 1 της σελίδας 15. Σε αυτό το σηµείο έχουµε τελειώσει µε την σχεδίαση του σχηµατικού διαγράµµατος (θεωρητικού κυκλώµατός) του κυκλώματος µας. 12