Автомат для дозарядки АБ

Министерство образования РФ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Электроника и схемотехника»

на тему: «Автомат для дозарядки АБ»

Выполнил:

Астафьев М. А.

Руководитель:

Гурьева Л. В.

Тюмень

2004

Данный отчёт содержит 20 страниц, 2 таблицы, 4 рисунка и один чертёж, выполненный на отдельном листе формата А3. Для его создания были использованы 5 источников литературы.

В данном отчёте рассматривается устройство, предназначенное для дозарядки и полной зарядки аккумуляторных батарей. Цель отчёта - исследовать устройство и принцип работы с подробным описанием назначения каждого элемента схемы.

Перечень ключевых слов, использованных при написании отчёта, включает в себя следующие понятия: БЛОК ПИТАНИЯ, РЕЛЕ, СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ФОРМИРОВАТЕЛЬ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ, УПРАВЛЯЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР, ТАЙМЕР, КОМПОРАТОР, УЗЕЛ УПРАВЛЕНИЯ РЕЛЕ.

СОДЕРЖАНИЕ

Реферат. 2

Введение. 4

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 5

2. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ.. 8

3. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ.. 10

4. ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЕ. 16

5. НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ.. 17

Заключение. 18

Список используемых источников. 19

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Принципиальная схема. 20

В настоящее время радиотехника и радиоэлектроника рассматриваются как сугубо практические дисциплины, призванные решать бытовые проблемы современного общества.

Поэтому в данной работе рассматривается автомат для дозарядки АБ, необходимый автомобилисту в подержании полной заряженности аккумуляторной батареи при эксплуатации. Автоматы для дозарядки АБ широко используется среди любителей и профессиональных автомобилистов.

Существует большое количество автоматических зарядных устройств в продаже и описанных в радиолюбительской литературе, но они прекращают зарядку батареи либо по истечению определенного времени, либо по достижении на клеммах батареи определенного (порогового) значения напряжения. В рамках этих функциональных особенностей автоматов и других факторов (природные условия, состоянии батареи) не удается произвести качественную дозарядку аккумуляторных батарей.

Имеются другие, более надежные признаки получения АБ полного заря­да. Это прекращение (при постоянстве величины зарядного тока) роста напря­жения на клеммах батареи, а также прекращение увеличения плотности электролита.

Практика показывает, что с достаточ­ной точностью можно ограничиться одним из этих признаков, т.е. контро­лем за ростом напряжения на батарее, и при его прекращении и постоянстве величины напряжения в течение определенного времени выключать заряд­ное устройство.

Конечно, зарядное устройство, ис­пользующее этот принцип, более слож­но, чем простой пороговый автомат, однако его преимущества очевидны.

Большая часть деталей устройства размещена на печатной плате размера­ми 75x100 мм (рис.1.1), выполненной из одностороннего фольгированного стек­лотекстолита толщиной 1,5 мм. Плата, трансформатор Т1, реле К1 и конденса­тор С1 с резистором R1 смонтированы на П-образном шасси из дюралюминия толщиной 2 мм, размерами 20x90x215 мм. Диоды VD1 ...VD4 размещены в основании шасси на отдельных небольших радиаторах с поверхностью охлаждения каждого 10 см². Кнопка SB1, светодиоды НL1, HL2 пре­дохранители FU1, FU2 и клеммы XI, Х2 вынесены на лицевую панель размерами 95x110x220 мм, выполненную из дюралю­миния толщиной 2 мм. В шасси устрой­ства и верхней части задней стенки кор­пуса просверлены отверстия 05 мм для циркуляции воздуха.

Рис 1.1

Все постоянные резисторы, использу­емые в зарядном устройстве — МЛТ, а подстроенные (R19, R22) —СПЗ-38. Ре­зисторы матрицы (R11...R18) желатель­но подобрать так, чтобы сопротивления двух соседних резисторов отличались друг от друга ровно в два раза. Если такой возможности нет, можно обойтись и без подбора ре­зисторов, однако в этом случае, возмож­но, не будет обеспечена равномерность изменения напряжения на выходе мат­рицы, что, впрочем, мало повлияет на работу устройства в целом. Резисторы с сопротивлениями, выходящими из стандартного ряда (R12, R17, R18), мож­но составить из двух последовательно включенных резисторов стандартных номиналов.

Конденсатор С1 — типа МБГЧ с но­минальным напряжением 250 В. При использовании металлобумажных кон­денсаторов других типов (МБГО, МБГП и др.) их номинальное напряжение дол­жно быть не менее 400.. .500 В. Конден­сатор С2 — К50-29, СЗ — К52-1 Б, С4 — К53-4, остальные конденсаторы — КМ-5 или КМ-6. Вообще, устройство некритич­но к выбору элементов. Так, в качестве С2...С4 могут быть использованы оксид­ные конденсаторы любых типов, подхо­дящие по емкости и номинальному на­пряжению.

Стабилизатор напряжения 78L09 (DA1) можно заменить любым отече­ственным микросхемным стабилизато­ром напряжения на 9 В, например КР1157ЕН902. В качестве DA2 можно использовать компаратор К521САЗ, од­нако это потребует изменения трасси­ровки печатной платы.

Диоды выпрямительного моста VD1...VD4 должны допускать прямой ток не менее 2 А. В случае, когда не исклю­чаются ошибочные подключения акку­муляторной батареи в обратной поляр­ности, лучше применить диоды с неко­торым запасом по допускаемому прямо­му току, особенно в импульсе. Можно порекомендовать диоды серии КД206, КД213.

Диоды КД106А (VD5, VD6) можно заме­нить диодами серий КД105, Д226, Д237; остальные —диодами серий Д220, Д223, Д311, Д312. Вместо стабилитрона КС522А (VD8) можно применить КС220Ж или два последовательно включенных стабилит­рона Д814В.

В качестве VT1 можно применить лю­бой маломощный n-p-n транзистор с постоянным напряжением коллектор-эмиттер не менее 30 В и коэффициен­том передачи тока базы более 40. По­дойдут транзисторы указанной на схе­ме серии КТ3102 с любым буквенным индексом кроме Г и Е, КТ315Г, КТ312В. Вместо КТ608Б можно применить тран­зисторы из серий КТ503, КТ807.

В устройстве использовано реле РКМП, с сопротивлением обмотки 600 Ом и током срабатывания 20 мА.

Можно использовать любое реле с одной группой нормально разомкнутых контак­тов, допускающих коммутацию перемен­ного напряжения 220 В, с коммутируемым током не менее 0,3 А. Реле должно на­дежно срабатывать при напряжении не более 12 В и токе 20..40 мА. Подойдут реле РЭС22. При­менимы реле РЭС6, у которых неиспользуемую группу кон­тактов желательно немного отогнуть для уменьшения тока срабатывания.

Кнопка SB1 — КМ1, КМ2-1. В качестве предохранителей FU1, FU2 желательно использовать быстродействующие плавкие вставки ВПЗТ-2, которые мож­но заменить на ВП1.

В зарядном устройстве применен унифицированный трансформатор ТПП277-127/220-50 с номинальной мощностью 72 Вт и током вторичных

обмоток 3,2 А. Можно применить и дру­гие унифицированные трансформаторы, рассчитанные на работу от сети часто­той 50 Гц и напряжением 127/220 В: ТПП280, ТПП281, ТПП282, ТН52, ТН53, ТН54, ТН56, ТН57. Если устройство предназначается только для работы с аккумуляторной батареей 6СТ-55, то при зарядном токе 2,75 А подойдет также трансформатор ТН49-127/220-50. Схе­мы включения трансформаторов приве­дены на рис.1.2.

Рис. 1.2.

Правильно собранное устройство на­лаживания не требует. Следует лишь установить необходимые уровни напря­жений на входах компаратора. Для это­го устанавливают движки резисторов R19 и R22 в нижнее по схеме положе­ние. Подключают к клеммам Х1 и Х2 аккумуляторную батарею, включают ус­тройство в сеть, нажимают кнопку SB1 и убеждаются в срабатывании реле К1.

Измеряют напряжение на клемме Х1. Затем, подключив вольтметр к верхнему по схеме выведу резистора R22, передви­гают его движок до тех пор, пока вольт­метр не покажет величину напряжения, равную 0,45 напряжения на Х1. После это­го вольтметр подключают к выходу резистивной матрицы (общей точке соедине­ния резисторов R11...R18) и резистором R19 устанавливают напряжение 5,0 В.

При такой регулировке диапазон кон­тролируемого напряжения на заряжае­мой аккумуляторной батарее составля­ет (с учетом допустимых соотношений входных напряжений компаратора и на­пряжения питания) от 11,1 до 17,3 В, что вполне достаточно для выбранной ве­личины зарядного тока. Следует иметь в виду, что падение напряжения на про­водах, соединяющих устройство с акку­муляторной батареей, не должно превы­шать величины 1 В.

В заключение производят, в случае необходимости, регулировку зарядного тока подбором емкости конденсатора С1, которую выполняют подключением к его выводам подходящих по номиналь­ному напряжению конденсаторов емко­стью 0,5...1 мк.

Функциональная схема устройства представлена на рисунке 2.1.

Функциональная схема автомата для дозарядки АБ

Рис. 2.1

· Блок питания:

Блок питания подает напряжение на аккумуляторную батарею и стабилизатор напряжения.

· Стабилизатор напряжения:

Обеспечивает питанием цифровую часть устройства.

· Формирователь прямоугольных импульсов:

Формирует импульсы с частотой 50 Гц.

· Управляемый генератор:

Образует ступенчато возрастающего напряжения, используемого в качестве опорного для компаратора.

· Компаратор:

Сравнивает опорное напряжение с напряжением на аккумуляторных клеммах.

· Таймер:

Определяет периодичность контроля за ростом напряжения на заряжаемой аккумуляторной батареи.

· Узел управления реле:

Вырабатывает сигнал на выключение устройства при постоянстве напряжения на батарее в течение заданного времени.

· Реле:

Отключает устройство от сети 220 вольт.

На срок службы автомобильной ак­кумуляторной батареи (АБ) значитель­ное влияние оказывает степень ее заряженности. Желательно, чтобы боль­шую часть времени батарея была пол­ностью заряжена. В процессе эксплуа­тации обычно наблюдаются колебания степени заряженности АБ около некото­рого среднего значения, называемого установившейся степенью заряженнос­ти. Ее величина зависит от многих факторов. Следует отметить, что зимой установившаяся степень заряженности, как правило, значительно ниже, чем ле­том. Низкая степень заряженности в ус­ловиях холодного климата является главной причиной интенсивного "оплы­вания" активной массы с электродов аккумуляторной батареи и сокращения ее срока службы.

Возникает необходимость в заряд­ном устройстве, с помощью которого за то время, пока автомобиль находит­ся в гараже (в большинстве случаев за ночь), можно было бы довести степень заряженности аккумуляторной батареи до полной.

Вполне закономерен вопрос: "Поче­му нельзя использовать для этой цели, существующие автоматические заряд­ные устройства?"

Дело в том, что большинство имею­щихся в продаже или описанных в ра­диолюбительской литературе автомати­ческих зарядных устройств прекращают зарядку батареи либо по истечении оп­ределенного времени (10... 12 часов), либо по достижении на клеммах бата­реи определенного (порогового) значе­ния напряжения.

Первые предназначены в основном для проведения полного цикла заряд­ки батареи от нулевой степени заря­женности. Что касается вторых, то из­вестно, что величина порогового на­пряжения зависит от целого ряда фак­торов: "возраста" батареи, величины зарядного тока, плотности электроли­та, его температуры и т.д.

Например, при неизменном заряд­ном токе, одной и той же величине на­пряжения на клеммах аккумуляторной батареи будет соответствовать 50% ее заряженности при температуре элект­ролита -10.°С и 95% заряженности при температуре электролита +30°С.

С целью исключения несрабатыва­ния устройства автоматического от­ключения, устанавливается заведомо заниженная величина порогового напряжения (как правило, в пределах 14,3...14,5 В). Однако даже при заряд­ном токе, численно равном 0,05 емко­сти батареи, напряжение на ее клем­мах при полном заряде может дости­гать величины 15,9...16,2. В. В ре­зультате аккумуляторная батарея оста­ется не дозаряженной в течение всего времени эксплуатации, что приводит к необратимой сульфитации электродов и сокращению ее срока службы.

Существуют другие, более надежные признаки получения АБ полного заря­да. Это прекращение (при постоянстве величины зарядного тока) роста напря­жения на клеммах батареи, а также прекращение увеличения плотности электролита.

Практика показывает, что с достаточ­ной точностью можно ограничиться одним из этих признаков, т.е. контро­лем за ростом напряжения на батарее, и при его прекращении и постоянстве величины напряжения в течение не менее двух часов выключать заряд­ное устройство.

Конечно, зарядное устройство, ис­пользующее этот принцип, более слож­но, чем простой пороговый автомат, однако его преимущества очевидны. Исключается возможность не отключе­ния устройства от сети из-за установ­ки повышенного значения "порога", а также недозаряд батареи вследствие преждевременного отключения заряд­ного устройства.

Очевидно, что для дозарядки бата­реи вполне достаточно иметь устрой­ство, обеспечивающее выходной ток, равный току второй ступени режима зарядки, рекомендуемому инструкци­ей по эксплуатации стартерных аккуму­ляторных батарей (равный, в амперах, 0,05 емкости батареи в ампер-часах). Снижение величины зарядного тока благоприятно сказывается на аккуму­ляторной батарее. Как отмечается в, при этом повышается общий КПД про­цесса зарядки и обеспечивается более полный заряд АБ. В жаркое время года зарядку можно проводить, не опасаясь превысить допустимую температуру электролита. Немаловажен и тот факт, что заметно уменьшаются масса и га­бариты зарядного устройства.

Вместе с тем, проведение полной за­рядки аккумуляторной батареи (от нуле­вой степени заряженности), которая, как правило, может понадобиться не чаще одного-двух раз в год при контрольном разряде батареи с целью оценки ее со­стояния, займет с таким зарядным уст­ройством не более 21...22 часов. В большинстве случаев это удобно (ве­чером поставил на зарядку — вечером, через сутки, получил полностью заря­женную батарею).

Устройство не боится кратковремен­ных замыканий в цепи нагрузки и об­рывов в ней. Приняты меры для защи­ты устройства при ошибочном подклю­чении аккумуляторной батареи в об­ратной полярности.

Авторский вариант устройства пред­назначен для работы с аккумуляторной батареей 6СТ-60, поэтому зарядный ток выбран равным 3 А. Для исполь­зования устройства с наиболее рас­пространенной батареей 6СТ-55, дос­таточно снизить величину тока заряд­ки до 2,75 А.

Схема зарядного устройства приведе­на на рис.3.1. Она содержит блок питания, выполненный по простой и хорошо за­рекомендовавшей себя схеме с гасящим конденсатором. Микросхемный стабили­затор напряжения DA1 обеспечивает питанием цифровую часть устройства. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран формирователь прямоугольных импуль­сов частотой 50 Гц. Счетчики DD2.1, DD3 совместно с элементами DD1.3, DD1.4 образуют таймер, определяющий периодичность контроля за ростом на­пряжения на заряжаемой аккумулятор­ной батарее. Двоичные счетчики DD5.1 и DD5.2 совместно с резистивной мат­рицей R11...R20 образуют управляемый генератор ступенчато возрастающего напряжения, используемого в качестве опорного для определения с помощью компаратора DA2 прекращения роста напряжения на аккумуляторной батарее. Двоичный счетчик DD2.2 вырабатывает сигнал на выключение устройства при постоянстве напряжения на батарее в течение заданного времени. На транзи­сторах VT1, VT2 собран узел управле­ния реле К1.

Рис.3.1

Светодиод HL1 зеленого цвета инди­цирует включение устройства. Свето­диод HL2 красного цвета зажигается при ошибочном подключении батареи в обратной полярности. После исправ­ления ошибки потребуется сменить предохранитель FU2.

Проследим работу устройства. Перед включением его в сеть необходимо под­ключить к зажимам Х1 и Х2 аккумулятор­ную батарею. Далее нажимают кнопку SB1. Через замкнутые контакты кнопки и конденсатор С1 на трансформатор Т1 подается напряжение сети. Ко вторич­ной обмотке трансформатора подклю­чен выпрямительный мост на диодах VD1...VD4, с которого снимается пуль­сирующее напряжение, создающее ток зарядки аккумуляторной батареи. Два диода этого моста совместно с диода­ми VD5, VD6 образуют второй выпрями­тельный мост, постоянное напряжение с которого после сглаживания конден­сатором СЗ подается для питания узла на транзисторах VT1, VT2. Цифровая часть устройства залитана от микро­схемного стабилизатора DA1, обеспечи­вающего высокую стабильность и низ­кий уровень пульсаций выходного на­пряжения.

Начинается зарядка аккумуляторной батареи. Через диод VD7 пульсирую­щее напряжение поступает на фильтр низких частот R4-C3, снижающий пуль­сации до уровня, при котором они не оказывают заметного влияния на рабо­ту компаратора DA2. С конденсатора СЗ постоянное напряжение, пропорци­ональное напряжению на клеммах за­ряжаемой батареи, через резистивный делитель напряжения R21-R22 посту­пает на неинвертирующий вход компа­ратора DA2 (вывод 3). На инвертиру­ющий вход компаратора (вывод 4) по­ступает напряжение с резистивной матрицы R11...R20. В момент включе­ния устройства дифференцирующая цепь C5-R10 формирует импульс по­ложительной полярности, который об­нуляет все счетчики, за исключением DD2.2. Поэтому напряжение на выхо­де резистивной матрицы минимально и заведомо меньше напряжения, по­ступающего на вывод 3 DA2. На выхо­де компаратора (вывод 9) при этом высокий уровень, который через рези­стор R26 поступает на вход R (вывод 7) счетчика DD2.2, обнуляя также и его. Напряжение низкого уровня с выхода DD2.2 (вывод 4) через резистор R25 поступает на базу транзистора VT1, закрывая его. Транзистор VT2 при этом открывается, срабатывает реле К1 и своими контактами блокирует контак­ты кнопки SB1.

Через резистивный делитель R2-R3 на формирователь прямоугольных им­пульсов, выполненный на элементах DD1.1 и DD1.2, поступает пульсирующее напряжение частотой 50 Гц. С выхода, формирователя импульсы подаются на входы счетчиков DD2.1 и DD5.1. Счет­чик DD2.1 совместно со счетчиком DD3 и элементами DD1.3, DD1.4 образуют таймер, отсчитывающий часовые про­межутки времени. С целью некоторого упрощения схемы, цикл выбран равным примерно 65 минутам, что практически не влияет на режим зарядки аккумуля­торной батареи.

Пока таймер не отсчитал заданный интервал времени, на выходе элемен­та DD1.4 будет присутствовать логический "0" и, следовательно, на выхо­де элемента DD4.3 и входе CN (вывод 1) счетчика DD5.1 будет логическая "1", запрещающая работу счетчика. Через час на выходе элемента DD1.4 появит­ся напряжение высокого уровня. Эле­мент DD4.3 переключится и разрешит работу счетчика DD5.1, а также связан­ного с ним счетчика DD5.2. На выходе резистивной матрицы начнет формиро­ваться ступенчато возрастающее (в такт входным импульсам) напряжение. Его минимальная величина (при логическом "0" на всех выходах счетчиков) выстав­ляется резистором R19 в процессе ре­гулировки, а максимальная — практи­чески равна напряжению питания счет­чиков DD5.1, DD5.2. Весь диапазон вы­ходного напряжения матрицы разбит на 256 ступеней по 16...18 мВ.

Компаратор DА2 сравнивает напря­жение на своем неинвертирующем вхо­де, которое пропорционально напря­жению на аккумуляторной батарее, с напряжением на выходе матрицы. Как только эти напряжения сравняются, компаратор переключится, и на его выходе появится напряжение низкого уровня. Элемент DD4.3 также переклю­чится, и логическая "1" с его выхода запретит работу счетчика DD5.1. Таким образом, на инвертирующем входе компаратора зафиксируется напряже­ние, пропорциональное напряжению на заряжаемой аккумуляторной бата­рее на данный момент времени.

При переключении компаратора пере­ключится логический элемент DD4.4. Логическая "1" с его выхода поступит на вход (вывод 6) элемента DD4.1, на втором входе которого (вывод 5) так­же присутствует логическая "1". Эле­менты DD4.1, DD4.2 переключатся, высокий уровень напряжения с выхо­да DD4.2 через диод VD12 обнулит счетчики DD2.1 и DD3, возвращая их и связанные с ними логические элемен­ты DD1.3. DD1.4, DD4.1, DD4.2 в ис­ходное состояние.

Импульс положительной полярнос­ти с выхода элемента DD4.2 поступит также на вход СР счетчика DD2.2 (вы­вод 2), однако счетчик не изменит сво­его состояния, поскольку на его входе R (вывод 7) в течение некоторого вре­мени, определяемого постоянной раз­ряда конденсатора С6 через резистор R26, поддерживается высокий уровень напряжения.

По мере зарядки аккумуляторной батареи напряжение на ней постепен­но увеличивается. Пропорционально увеличивается напряжение на неинвер­тирующем входе компаратора DA2. Когда оно превысит напряжение на

инвертирующем входе, компаратор пе­реключится, на его выходе вновь по­явится напряжение низкого уровня, и при появлении на выходе элемента DD1.4 логической "1" описанный выше процесс повторится вновь.

Так будет продолжаться до тех пор, пока рост напряжения на аккумулятор­ной батарее не прекратится (строго говоря — пока изменение напряжения на неинвертирующем входе компарато­ра не выйдет за пределы текущей "сту­пеньки" на выходе резистивной матри­цы R11...R20). В этом случае появле­ние на выходе элемента DD1.4 напря­жения логической "1" не вызовет пере­ключения элемента DD4.3. Счетчики DD5.1, DD5.2 и компаратор останутся в прежнем состоянии, конденсатор С6 разряжен. Поэтому импульс положи­тельной полярности, поступивший с выхода элемента DD4.2 на выход СР счетчика DD2.2, будет им "учтен". При повторении (через час), той же ситуа­ции, на выходе 2 (вывод 4) счетчика по­явится напряжение высокого уровня, которое поступит через резистор R25 на базу транзистора VT1, что вызовет отпускание якоря реле К1 и отключе­ние устройства от сети.

Если в течение второго часа напря­жение на аккумуляторной батарее уве­личится настолько, что это вызовет пе­реключение компаратора DA2, то по­явившееся на его выходе напряжение высокого уровня через резистор R26 обнулит счетчик DD2.2. Таким образом, выполняется требуемое инструкцией по эксплуатации батарей условие не­изменности напряжения на заряжае­мой аккумуляторной батарее в течение двух часов подряд.

Положительная обратная связь, вве­денная в компаратор через делитель R23-R22, создает небольшой гистере­зис, что способствует более четкому переключению компаратора в услови­ях медленно меняющегося входного напряжения и обеспечивает защиту от помех, вызываемых небольшими пуль­сациями напряжения на его входах.

При случайном отключении аккуму­ляторной батареи от клемм зарядного устройства, напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т1 и выходе моста VD1...VD4 резко возрастает. От­крывается стабилитрон VD8, что при­водит к открыванию транзистора VT1 и выключению устройства.

С целью защиты диодов VD1...VD4 при случайном подключении аккумуля­торной батареи в обратной полярнос­ти, в устройство введен предохрани­тель FU2.

Перечень входящих в состав рассматриваемой электрической схемы активных элементов и микросхем, на основе которых эти элементы выполнены, приведён в Таблице 4.1.

Перечень элементов к электрической схеме

Таблица 4.1

Назначение каждого из элементов рассматриваемого ключа описано в Таблице 5.1.

Назначение элементов схемы

Таблица 5.1