1.5. Цель работы
Целью данного дипломного проекта является разработка зарядного устройства с цифровой частью, которое автоматизирует процесс зарядки и разрядки устройства. Данное устройство будет простым и понятным в настройке и использовании, и рассчитано на массового потребителя, но в отличие от простых ЗУ обладает большим набором функций и является более универсальным, при этом оставаясь в низкой ценовой категории, что делает его актуальным для проектирования и производства.
2. Специальная часть
2.1. Анализ принципиальной схемы. Принцип работы устройства
Рассмотрим подробнее функционирование схемы. Устройство, спроектированное по данной схеме, производит разрядку, затем зарядку аккумуляторной батареи, после чего переходит в режим ожидания. Напряжение разрядки и зарядки предварительно устанавливают в интервале 1…12В, а токи разрядки и зарядки – в интервале 0…0.25А.
Рисунок 2.1.1. Структурная схема устройства.
На рис. 2.1.1 отображена структурная схема устройства. Как видно из схемы устройство содержит блок питания, стабилизаторы тока разрядки и зарядки, а также узел управления и индикации.
В предлагаемом зарядном устройстве для аккумуляторов типоразмера АА установка максимальной продолжительности зарядки производится раздельно для каждого из трёх аккумуляторов, которые могут быть разного типа и ёмкости. Время окончания зарядки каждого аккумулятора микроконтроллер рассчитывает в зависимости от его ёмкости, установленной соответствующим переключателем. Имеется возможность выбрать следующие значения: 600, 750, 1000, 1200, 1300, 1500, 1600, 1800, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 2700, 2800 мА ч. Зарядка может автоматически прекратиться и досрочно, если при очередном измерении напряжения аккумулятора микроконтроллер зафиксирует его снижение относительно предыдущего значения.
Оно состоит из блока управления и индикации с ключами зарядки/разрядки и импульсного источника питания. Их печатные платы расположены одна над другой и соединены разъёмом.
Схема блока управления и индикации изображена на рис. 2.1.2. Его основной элемент — микроконтроллер АTmegа8L–8РI (DD2), работает от внутреннего RC–генератора частотой 8 МГц и управляет тремя каналами разрядки/зарядки аккумуляторов и светодиодными индикаторами. Блок в целом питается напряжением +4,2 В, подаваемым на разъём Х1. Напряжение питания микросхем понижено до +3,3 В с помощью линейного интегрального стабилизатора LР2950CZ–3.3 (DА1).
Рисунок 2.1.2. Схема принципиальная электрическая.
Три канала разрядки/зарядки аккумуляторов идентичны, поэтому рассмотрим только один из них, верхний, на рис. 2. В нём узел предварительной разрядки подключённого к контактам 1 и 2 разъёма Х2 аккумулятора G1 состоит из электронного ключа на полевом транзисторе VT13 и нагрузочного резистора R36. Ток разрядки не стабилизирован, при напряжении аккумулятора 1 В он равен приблизительно 100 мА.
Пороговое напряжение окончания разрядки выбрано равным 0,6 В.
Через помехоподавляющий фильтр R42C1 напряжение аккумулятора G1 подано для контроля на вход АЦП, встроенного в микроконтроллер DD2. Резистор R45 и конденсатор С12 уменьшают наводки на измерительную цепь в отсутствие аккумулятора. АЦП работает с имеющимся в микроконтроллере источником образцового напряжения 2,5 В.
Зарядка аккумулятора может происходить в следующих режимах:
нестабилизированным током около 45 мА, поступающим через ключ на транзисторах VT1 и VT4, ограничительный резистор R15 и диод VD15;
стабилизированным током 265 мА, поступающим через ключ на транзисторах VT7 и VT10, стабилизатор тока на микросхеме DА1 и диод VD18;
при ёмкости аккумулятора 1500 мА ч и более форсированным током 265+45=310 мА (замкнуты оба ключа).
Диоды VD15 и VD18 защищают аккумулятор от разрядки через защитные диоды закрытых полевых транзисторов.
Значения ёмкости заряжаемых аккумуляторов вводят в микроконтроллер с помощью 16–позиционных поворотных переключателей S1—S3 (RS32714), формирующих четырёхразрядные двоичные коды положений, в которые они установлены. Опрос состояния переключателей — динамический. Для этого контактные группы одинаковых разрядов трёх переключателей соединены параллельно через развязывающие диоды VD2—VD13 и подключены к входам РB0—РВЗ микроконтроллера. Резисторы R31—R34 соединяют эти входы с плюсом питания микроконтроллера, поддерживая на них высокий логический уровень при разомкнутых контактах переключателей. Выводы С (общие) этих переключателей коммутатор DD1 (HEF4052BT) по командам микроконтроллера поочерёдно соединяет с общим проводом.
О режимах работы каждого канала зарядного устройства сигнализируют двухцветные светодиоды HL1—HL3. Они тоже питаются динамически, для чего использован второй коммутатор микросхемы DD1, поочередно соединяющий катоды светодиодов с общим проводом. Напряжение на их аноды поступает с выходов РВ4 и РВ5 микроконтроллера.
Для каждого из трёх независимых каналов предусмотрено десять режимов работы с соответствующей индикацией:
светодиод выключен — аккумулятор не подключён;
светодиод светит постоянно зелёным цветом — идёт разрядка аккумулятора. В этот режим канал переходит автоматически после подключения к соответствующим контактам разъёма Х2 исправного аккумулятора при его напряжении более 0,6 В;
светодиод мигает жёлтым цветом со скважностью 2 — идёт предварительная зарядка аккумулятора током около 45 мА до напряжения 1,1 В. Этот режим включается автоматически на время не менее двух минут после разрядки аккумулятора до напряжения 0,6 В;
светодиод мигает зелёным и красным цветами в течение 3 с — отмена предварительной разрядки аккумулятора и принудительный переход в режим зарядки. Для этого необходимо в режиме разрядки (до её окончания) отключить аккумулятор и в течение 3 с подключить его обратно;
светодиод светит постоянно красным цветом — идёт зарядка аккумулятора;
светодиод светит постоянно жёлтым цветом — идёт окончательная доза– рядка аккумулятора током около 45 мА;
ФРАДИО^ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ тел. 607-88-18 ГпрМоГыГс^пзиГ.“Г РАДИО № 6,2012
светодиод мигает зелёным цветом со скважностью 3 — зарядка окончена;
светодиод мигает красным цветом со скважностью 2 — неисправный аккумулятор (напряжение на нём в режиме зарядки превысило 1,95 В);
светодиод дважды мигнул жёлтым/зелёным цветом — подтверждена изменения положения переключателя, задающего ёмкость заряжаемого аккумулятора. Если оно изменено во время зарядки, счётчик времени зарядки не обнуляется, его отсчёт продолжается;
светодиод мигает красным цветом со скважностью 3 — канал разрядки зарядки неисправен.
Светодиод HL4 сигнализирует о наличии напряжения питания. После его подачи производится проверка каналов разрядки/зарядки, по завершении которой светодиод HL4 трижды мигает.
Каждые 30 мин в энергонезависимую память микроконтроллера записываются показания счётчиков времени зарядки трёх каналов. В случае перебоя в подаче электроэнергии это позволяет при её возобновлении автоматически продолжить начатую зарядку.
Каждую секунду измеряется напряжение между контактами разъёма Х2, предназначенными для подключения аккумуляторов. Если напряжение между соответствующей парой контактов менее 0,1 В при выключенном зарядном токе или более 2 В при включённом, то считается, что аккумулятор к ним не подключён. Если при включённом зарядном токе напряжение превышает 1,95 В, подключённый аккумулятор считается неисправным.
Каждые 30 с зарядка на 20 мс прерывается, измеряется и запоминается напряжение аккумулятора. Если оно превышает 1,35 В, но более чем на 2 мВ меньше максимального измеренного ранее значения, зарядка прекращается. В противном случае она продолжается до истечения расчётного времени, необходимого для передачи аккумулятору электрического заряда, в 1,4 раза превышающего его номинальную ёмкость.
После этого включается режим доза– рядки током около 45 мА, во время которой каждую минуту измеряется и запоминается напряжение аккумулятора при выключенном зарядном токе. Если зафиксирован спад напряжения, дозарядка прекращается, иначе она продолжается до истечения времени, соответствующего передаче аккумулятору заряда, равного 0,2 его ёмкости.
Чтобы исключить ошибочное прекращение процесса зарядки из–за начального спада напряжения, проверка его на уменьшение начинается лишь спустя 5 мин после перехода в режим зарядки.
Схема импульсного источника питания зарядного устройства изображена на рис. 2.1.3. Он сохраняет работоспособность при напряжении в сети от 150 до 265 В и обеспечивает стабилизированное выходное постоянное напряжение 4,2 В при токе нагрузки до 1 А. Источник выполнен на специализированной микросхеме TNУ255Р (DА2) и специально предназначенном для работы совместно с ней импульсном трансформаторе РNУ–05015 (Т1).
Рисунок 2.1.3. Схема принципиальная электрическая.
Диодный мост VD1 и сглаживающий конденсатор С1 образуют выпрямитель сетевого напряжения. Резистор R1 ограничивает начальный бросок тока зарядки конденсатора. Двухобмоточный дроссель L1 с подключёнными к нему конденсаторами — фильтр, устраняющий проникновение в питающую сеть создаваемых импульсным источником помех. Цепь VD2C7R7 — демпфирующая согласно типовой схеме включения микросхемы TNУ255.
Основные элементы узла стабилизации выходного напряжения — параллельный стабилизатор DА1 (TL431АCZ) и обеспечивающий изоляцию выходных цепей источника от сети оптрон U1 (РС817). Выходное напряжение устанавливают подстроечным резистором R4.
Зарядное устройство собрано в пластиковом корпусе SU–10. Сверху на нём закреплена кассета для трёх аккумуляторов типоразмера АА. Каждый из них соединяется в указанной на схеме (см. рис. 2.2) полярности с соответствующими контактами разъёма Х2.
Все печатные платы — из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Основная плата (управления, индикации и электронных ключей) изображена на рис. 2.1.4. Переключатели S1 – S3 и диоды VD1 – VD13 смонтированы на отдельной небольшой плате (рис. 2.1.5).
Рисунок 2.1.4. Основная плата (управления, индикации и электронных ключей).
Рисунок 2.1.5. Плата с переключателями.
Одноимённые контактные площадки П1— П7 этих плат соединяют отрезками гибкого изолированного провода, после чего плату переключателей крепят над основной на двух стойках М3х8.
Типоразмер резисторов для поверхностного монтажа мощностью 0,125 Вт — 0805, мощностью 0,25 Вт — 1206. Резисторы R37, R39 и R41 — С2–23–0,5, МЛТ–0,5 или аналогичные импортные. Конденсаторы использованы в основном для поверхностного монтажа типоразмеров 0805 и 1206, а С5 и С17 — обычные оксидные конденсаторы с выводами, монтируемыми в отверстия
Дроссели L1, L2 — LGА0305 или LGА0307 индуктивностью 22...47 мкГн.
Диоды LL4148 можно заменить на LL4448 или другие импульсные в корпусе SОD–80, диоды MBRS120T3 — на другие диоды Шотки на ток 1 А и обратное напряжение 15...20 В в корпусе SMB (DО–214АА), диоды S1G — на любые выпрямительные в корпусе SMB ток не менее 100 мА. Защитный диод 1N5340B мощностью 5 Вт с номинальным напряжением 6 В можно заменить на 1N5338B, 1N5339B
Вместо транзисторов ВС847В подойдут любые из серий ВС846—ВС850 и другие малогабаритные структуры п–р–п. Полевые транзисторы BSH201 и IRML6401 заменяют на IRLML6402. Интегральный стабилизатор LР2950CZ–3.3 заменяется другим аналогичным (напряжение— 3,3 В, ток нагрузки — не менее 50 мА, падение напряжения — не более 0,5 В) в корпусе ТО–92.
Микроконтроллер можно заменить на АTmegа8–16РU или на более современный АTmegа8А. Для него на плате устанавливают панель DIР–28–S
Программа микроконтроллера написана на языке С в среде WinАVR–20060125. Её коды из файла ZU.hex можно загрузить в программную память микроконтроллера любым подходящим программатором, например РоnуРrоg. При этом необходимо присвоить нулевые значения следующим разрядам конфигурации микроконтроллера (отметить их "галочками”):
CKSEL0, CKSEL1, CKSEL3 (включён внутренний RC–генератор 8 МГц);
BОDEN, SUT1, SUT0 (порог срабатывания детектора понижения напряжения питания — 2,7 В);
WDTОN (включён сторожевой таймер);
EESАVE (запрещено стирание EEРRОM программатором).
Печатная плата импульсного источника питания показана на рис. 2.1.6. Ее крепят под основной платой на стойках МЗхЗО. Здесь применены в основном обычные элементы с выводами, монтируемыми в отверстия. Подстроечный резистор R4 — СПЗ–19 или импортный 3329W. На стороне печатных проводников находятся три элемента для поверхностного монтажа: керамический конденсатор СЗ (типоразмера 0805), оксидный танталовый конденсатор С9 (типоразмера С) и резистор R2 (типоразмера 1206).
Рисунок 2.1.6. Печатная плата импульсного источника питания.
В качестве конденсатора С7 лучше установить отечественный К78–2. Некоторые подходящие по ёмкости и рабочему напряжению импортные керамические конденсаторы могут издавать Зудящий звук от колебаний обкладок. Конденсаторы С2 и С4 — импортные высоковольтные. Оксидные конденсаторы С1, С5, С6 желательно применить с максимальной рабочей температурой 105 °С. Дроссель L2 — любой индуктивностью 10.. .20 мкГн на ток не менее 2 А. Разъём Х1 — WK–2 с расстоянием между контактами 2,54 мм.
Диодный мост 2W10M можно заменить любым на максимальное рабочее напряжение не менее 500 В и ток не менее 0,5 А, подходящим по размерам.
Вместо диода 1N4937 можно установить другой с малым временем восстановления на напряжение не менее 600 В и ток 1 А, например, из серий HER106— HER108. Оптрон РС817 и параллельный стабилизатор TL431 могут быть с любыми буквенными индексами.
Налаживание зарядного устройства лучше начинать с источника питания. При исправных элементах и отсутствии ошибок в монтаже оно сведётся к установке выходного напряжения, равного +4,2 В. После этого можно подключать блок управления
Не устанавливая в панель микроконтроллер, необходимо убедиться в наличии между её контактами 20 и 22 напряжения +3,3 В. После этого, предварительно выключив питание, можно вставить в панель запрограммированный микроконтроллер.
Чтобы добиться максимальной точности измерения напряжения аккумуляторов и выдержки времени их зарядки, можно изменить значения имеющихся в программе калибровочных констант.
|
