Hlavní propojovací deska

Modulární systémy se mi vždy líbily. A je nepodstatné, zda se jedná o historický systém od ČKD, menší modulární řešení ve zdrojích Mesit nebo rozsáhlé systémy SandRA od společnosti ZAT. Společným znakem těchto systémů je základní propojovací deska a samostatné funkční moduly, které se do ní zasouvají.

Při správném návrhu je modulární systém snadno rozšiřitelný, lehce opravitelný a umožňuje jednoduchou modernizaci (pouhou výměnou vadného, či zastaralého modulu za nový bez nutnosti letování).

Další výhodou modulárních systémů je možnost opětovného použití univerzálních modulů (například napájecích nebo reléových) napříč více projekty. S rostoucím počtem realizací tak v ideálním případě klesá potřeba navrhovat nové moduly.

Na základě těchto výhod jsem se rozhodl navrhnout a realizovat vlastní malý modulární systém.

Návrh hlavní propojovací desky

Požadavky na modulární systém a propojovací desku

Základní deska tvoří nejdůležitější část modulárního systému. Od jejích parametrů se odvíjejí možnosti modulů a celého systému. Mé požadavky na modulární systém byly následující (mechanika):

šířka modulů musí být 100 mm – kvůli příznivé ceně výroby DPS do rozměrů 100×100 mm na JLCPCB
rozestup mezi moduly musí takový, aby se do každého modulu vešlo relé o výšce 26 mm, které je nejvyšší součástkou, jakou běžně používám
propojovací deska musí být ideálně do rozměrů 100×100 mm – opět kvůli ceně výroby DPS, ale jednotlivé propojovací desky musí jít řadit za sebou, kvůli rozšiřitelnosti

požadavky elektrika:

na propojovací desce musí být k dispozici alespoň jedna univerzální sběrnice
na desce musí být k dispozici i možnost nevýkonového připojení k síti 230 V – aby to bylo skutečně univerzální
na desce budou vyhrazené napájecí linky: GND, +5 V, +12 V a alespoň ještě 3 další, zatím nespecifikovaná napájecí napětí
zbytek místa na desce bude využit na I/O linky – univerzální linky, po kterých bude možné propojit cokoli s čímkoli dle konkrétní aplikace

Schéma zapojení a DPS

Z výše uvedených požadavků jsem nakonec navrhl propojovací desku s následujícími parametry:

mechanika:

šířka modulů 100 mm – splněno
rozestup mezi moduly: 35 mm – myšleno 30 mm zpředu a 5 mm zezadu, kvůli SMD součástkám ze spodní strany a vývodům THT součástek
propojovací deska je rozměrů 90×105 mm – delší rozměr se mi nepodařilo dodržet, kvůli rozestupu 35 mm mezi moduly

elektrika:

jako univerzální sběrnici jsem zvolil I2C – je jednoduchá a většina modulů z Aliexpressu, které používám, komunikují právě po této sběrnici 🙂 Ano, více průmyslová a tudíž vhodnější je například sběrnice RS485 nebo RS232, ale to by pak u každého modulu z Ali musel být ještě nějaký převodník komunikace a celé by se to prodražovalo a zesložiťovalo
linky pro připojení sítě 230 V jsem navrhl 4 (tedy 4 fáze a 1 N)
napájecí linky mám: GND, +5 V, +12 V, Ux, Uy, Uz – napětí Ux, Uy, Uz počítám, že budu využívat proti GND, ale nic není s ničím spojeno, takže by teoreticky bylo možné zapojit tato napětí i různě proti sobě a mít tato napětí oddělené od GND – ovšem s malými izolačními vzdálenostmi
do zbylého prostoru na DPS se mi podařilo umístit 9 I/O linek a vlastní GND k těmto linkám. Z dnešního pohledu se mi samostatná zemní linka jeví jako nadbytečná, nicméně v návrhu již zůstala zachována

Připojení jednotlivých linek je rozděleno na 3 konektory. Je-li potřeba, aby hlavní deska byla skutečně univerzální a každý modul se mohl osadit na libovolnou pozici, pak je nutné osadit konektory na všech pozicích. To je však zbytečné a drahé a tak většinou osazuji jen některé konektory podle potřeb jednotlivých modulů s tím, že pozici jednotlivých modulů po osazení nebudu měnit, např. pro zdrojový modul osazuji pouze malý konektor uprostřed na napájecí linky.

Jednotlivé GND na propojovacím poli nejsou propojeny. Ty se mohou propojit buď na některém z modulů nebo drátovými propojkami přímo na propojovací desce, ale nemusí.

Konektory na DPS pro jednotlivé moduly a i na modulech jsou zdvojené (dvojité) pro vyšší spolehlivost systému.

Návrh mechaniky pro hlavní propojovací desku - držák karet

U tohoto projektu byl dobrý návrh mechanických komponent zásadní. Měl jsem následující požadavky:

mechanika bude sloužit jako držák modulů, které budou zapojeny do hlavní desky a tudíž musí zajišťovat přesnou polohu modulů proti hlavní desce
moduly musí být možné nějak aretovat
mělo by to zabírat co možná nejméně místa kolem hlavní desky
musí to být vyrobitelné na 3D tiskárně
musí to jít jako celek někam připevnit (přišroubovat)

Vznikl následující návrh. Držák modulů se skládá ze dvou samostatných částí, které se přišroubují k hlavní desce a shora propojí malým propojovacím dílem, který zajišťuje vyšší pevnost. K těmto dvěma částem držáku se ještě z každé strany přišroubuje díl, díky kterému je možné celek připevnit dále. Každý modul bude mít na stejném místě montážní otvor, do kterého je možné vsadit aretační přípravek a tím modul zajistit. Aretační přípravek se přišroubuje do jedné části držáku.

Všechny díly tisknu z materiálu PETG. Jeho nevýhodou je hořlavost, což je z hlediska bezpečnosti nežádoucí vlastnost. V mém případě je však systém vždy instalován do ocelové nebo jiné nehořlavé skříně, takže celek považuji z hlediska provozu za dostatečně bezpečný.

Pokračování bude 🙂