Разработка зарядного устройства

Предметом радиоэлектронной техники является теория и практика применения электронных, ионных и полупроводниковых приборов в устройствах, системах и установках для различных областей народного хозяйства. Гибкость электронной аппаратуры, высокие быстродействия, точность и чувствительность открывают новые возможности во многих отраслях науки и техники.

Развитие электроники после изобретения радио можно разделить на три этапа: Радиотелеграфный, радиотехнический и этап электроники.

К характерной особенности современной техники относится широкое внедрение методов и средств автоматики и телемеханики, вызванное переходом на автоматизированное управление. Непрерывно усложняются функции, выполняемые системами автоматизированного управления, а относительная значимость этих систем в процессе производства непрерывно возрастает.

Первое направление связано с постепенным усложнением систем телемеханики за счёт как усложнения структур и увеличения потоков информации, так и увеличения удельного веса процессов обработки информации, второе- с внедрение вычислительной техники в управление производством и разработкой для целей оперативного управления комплекса устройств, называемых внешними устройствами вычислительных машин. Система внешних устройств ЭВМ, расположенных на расстоянии, представляет собой в основном систему телемеханики многопроводную или двухпроводную в зависимости от способов передачи информации (включая устройства передачи данных).

В связи с широким развёртыванием работ по созданию крупных автоматизированных информационных систем, работающих с цифровыми вычислительными машинами, получивших название автоматизированные системы управления (АСУ), значение систем телемеханики и потребность в них существенно возрастают. В тех случаях, когда объекты территориально разобщены и требуется автоматическая телепередача информации, системы телемеханики выполняют функции систем автоматического сбора и передачи для АСУ информации с нижних ступеней контроля и управления.

Первое направление связано с постепенным усложнением систем телемеханики за счёт как усложнения структур и увеличения потоков информации, так и увеличения удельного веса процессов обработки информации, второе- с внедрение вычислительной техники в управление производством и разработкой для целей оперативного управления комплекса устройств, называемых внешними устройствами вычислительных машин. Система внешних устройств ЭВМ, расположенных на расстоянии, представляет собой в основном систему телемеханики многопроводную или двухпроводную в зависимости от способов передачи информации (включая устройства передачи данных).

1. Общая часть

1.1. Анализ технического задания

Напряжение питания (В) ……………………………………… 12 – 15

Потребляемый ток, не более (А) ………………………………….. 0.4

Ток зарядки и разрядки, (А) ……………………………………… 0.3

Максимальная регистрируемая емкость (А.ч) …………………. 9,99

Ток зарядки и разрядки, (А) ……………………………………… 0.1

Данное зарядное устройство (ЗУ) автоматизирует процесс зарядки аккумуляторов. Если аккумулятор не разряжен до напряженния 1 вольт, оно проведет его разрядку до этого напряжения и только потом начнется зарядка. По ее окончанию ЗУ проверит работоспособность аккумулятора и, если он неиспрвен, подаст соответствующий сигнал.

1.2. Описание схемы электрической принципиальной

Предлагаемое ЗУ предназначено для одновременной независимой зарядки трех Ni-Cd или Ni-Mn аккумуляторов типоразмера АА или ААА током 0,23А. Оно разработано на основе аналогичной конструкции с целью упрощения в нем применен микроконтроллер со встроенным аналога – цифровым преобразователем. Принципиальная схема собственно ЗУ состоит из узла управления и трех одинаковых по схеме разрядно-зарядных ячеек А1-А2. Для его питания применен сетевой импульсный блок питания.

Узел управления собран на микроконтроллере PIC12F675 и регистре IN74HC164N. Выбор МК PIC12F675 обусловлен наличием встроенного аналого-цифрового преобразователя и невысокой стоимостью.

Типичным представителями PIC производством фирмы Microsoft PIC контроллеры применяются в системах высокоскоростного управления автомобилями и электрическими двигателями, приборах бытовой электроники, телефонных приставках с АОН, системах охраны с оповещением по телефонной линии АТС.

Почти во всех контроллерах есть система прерываний источника прерываний, для которых могут служить переполнение таймеров или изменения соответствий сигналов на некоторых входах БИС.

В PIC - контроллерах предусморенна защита ПЗУ, которая предотвращает нелегальное копирование данных.

Каждая разрядно-зарядная ячейка состоит из стабилизатора тока на микросхеме с токозадающим резистором, электронных ключей на транзисторах. В БП резистор R1 ограничивает пусковой ток. Диодный мост выпрямляет напряжение сети, а фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Преобразователь напряжения собран на микросхеме TNY264Р и работает на частоте около 132кГц.

После подачи МК на DD1 последовательно проверяет наличие подключенных к ячейки аккумуляторов. При отсутствии напряжения на гнезде XS1 МК DD1 «Делает вывод», что аккумулятор не установлен и переходит к анализу следующей ячейки.

Когда аккумулятор подключен, МК DD1 измеряет его напряжение, и если оно более 1Вольта, ячейка включается на режиме разрядки. На выводе 5 регистра DD2 появляется высокий уровень напряжения, открывается транзистор и через него протекает ток разрядки 100мА. Как только напряжение аккумулятора станет менее 1В МК DD1 выключит режим разрядки и светодиод погаснет. Высокий уровень появиться на выводе 6 регистра DD2, откроются транзисторы и начнется зарядка аккумулятора при этом загорится светодиод, информируя о том, что началась зарядка аккумулятора.

1.3 Особенности данного типа микропроцессора PIC12F675

Вычисляемый переход

Вычисляемый переход может быть выполнен командой приращения к регистру PCL (например, ADDWF PIC). При выполнении табличного чтения вычисляемым переходом следует заботиться о том, чтобы значение PCL не пересекло границу блока памяти (каждый блок 256 байт).

Стек

PIC12F675 имеет 8- уровневый 13-зарядный аппаратный стек. Стек не имеет отображения на память программ и память данных, нельзя записать или прочитать данные из стека. Значение счетчика команд заносится в вершину стека при выполнении инструкции перехода на подпрограмму (CALL) или обработки прерываний. Чтение из стека и запись в счетчик команд PC происходит при выполнении инструкций возвращения из подпрограммы или обработки прерываний (RETURN, RETLW, RETFIE), при этом значение регистра PCLHT не измениться.

Стек работает как циклический буфер. После 8 записей в стек, девятая запись запишется вместо первой, а десятая запись заменит вторую и так далее.

Примечание:

1. В микроконтроллере не имеется никаких указателей о переполнении стека.

2. В микроконтроллере не предусмотрено команд записи/чтение из стека, кроме команд вызова/возвращения из подпрограмм (CALL, RETURN, RETLW и RETFIE) или условий перехода по вектору прерывании.

Порты ввода вывода

Некоторые каналы портов ввода/вывода мультиплицированы с периферийными модулями микроконтроллера. Когда периферийный модуль включен, вывод не может использоваться как универсальный канал ввода/вывода.

Регистры PORTA и TRISA

PORTA – 6-разрядный порт ввода вывода. Все каналы имеют соответствующие биты направления в регистре TRISA, позволяющие настраивать канал как вход или выход. Запись '1' в TRISA переводит в соответствующий выходной буфер в 3-е состояние. Запись в '0' в регистр TRISA определяет соответствующий канал как выход, содержимое защелки PORTA передается на вывод микроконтроллера (если выходная защелка подключена к выводу микроконтроллера).

Чтение регистра PORTA возвращает состояние на выводах порта, а запись производится в защелку PORTA. Все операции записи в порт выполняются по принципу «чтение - модификация - запись», т.е. сначала производится чтение состояния выводов порта, затем изменение и запись в защелку.

RA4 – имеет триггер Шмидта на входе и открытый сток на выходе, мультиплицирован с тактовым входом TOCKI. Все остальные каналы PORTA имеют TTL буфер на входе и полнофункциональные выходные КМОП буферы.

Каналы PORTA мультиплицированы с аналоговыми входами АЦП и аналоговым входом источника опорного напряжения. Биты управления режимов работы каналов порта ввода/вывода PORTA находятся в регистре ADCON1.

Примечание. После сбора по включению питания выводы настраиваются как аналоговые входы, а чтение дает результат '0'.

Проверка записи

В микроконтроллере PIC12F675 аппаратно не проверяется значение. Сохраненное при записи. Рекомендуется поверять фактически записанное значение контрольным чтением. Особенно проверку записи необходимо выполнять при возможном исчерпании гарантированного числа циклов стирания/записи.

Защита от случайной записи

Существуют условия при которых запись данных в EEPROM память или во FLASH память программ не будет выполнена. В микроконтроллере PIC12F675 предусмотрены различные виды защиты от случайной записи. При включении питания сбрасывается в '0' бит WREN и во время счета таймера по включению питания PWRT (если он включен) запись запрещена. Обязательная последовательность команд, бит WREN предотвращают случайную запись при сборе микроконтроллера или сбое программы.

Защита записи FLASH памяти программ.

В слове конфигурации размещен бит защиты записи во FLASH память программ командами микроконтроллера. Состояние этого бита может быть изменено только в режиме программирования микроконтроллеров PIC12F675 по протоколу ICSP. Эта защита может быть включена только полным стиранием памяти микроконтроллера. Защита записи влияет на операцию чтения FLASH программ.

2. Исследовательская часть

2.1 Обоснование выбора элементов схемы

2.1.1 Обоснование выбора транзисторов

Произведём выбор наиболее подходящего полупроводникового прибора из ниже приведённого списка.

Таблица 3.1

Выбираем транзистор с наибольшей мощностью и высокой частотой типа КТ 972А.

Таблица 3.2

Выбираем транзистор с малой мощностью и высокой частотой типа КТ 315Г.

Таблица 3.3

Выбираем транзистор с высокой мощностью и высокой частотой типа КТ 973А.

2.1.2 Обоснование выбора диодов

Диоды VD1 1n5822 и стабилитрон VD2 Bzx79-В8V2 кремниевые.

Они удовлетворяют всем поставленным требованиям, они дешевые и очень экономичны по питанию.

Импортный диодный мост RS207 мы заменим нашим КДС111А.

Его постоянное прямое напряжение при I = 100мА и:

При температуре окружающей среды +25°С---------1,2В

При температуре окружающей среды -60°С --------- 1.3В.

Постоянный обратный ток Uобр.= Uобр.макс не более:

При температуре окружающей среды 25°С -----------3мкА

При температуре окружающей среды 85°С -----------50мкА

Данный диодный мост соответствует по всем параметрамю по этому свой выбор я остановлю на нем.

Светодиод АЛ307ЖМ арсенитгалевый светодиод для нашей схемы подойдет любой. Так как он используется в данной схеме как нндикатор то возьмем красный.

2.2.3. Обоснование выбора резисторов

Все резисторы выбираются по требуемому номинальному значению и мощности. Иногда в особо точных схемах учитывается допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления. Допустимое отклонение от номинальной величины сопротивления зависит от типа резистора: композиционный, проволочный, угольный. Выбирая резисторы по мощности, определяется мощность рассеяния на каждом резисторе отдельно по формуле P=UI, P=U²/R, P=I²R, выведенные из закона Ома. Полученная величина увеличивается вдвое. Исходя из полученных значений, выбирают, резисторы эталонных мощностей: 0,125, 0,25, 0,5 ,1, 2 ,5, 10Вт и т.д.

Металлооксидные резисторы содержат резистивный элемент в виде очень тонкой металлической пленки, осажденной на основании из керамики, стекла, слоистого пластика, ситалла или другого изоляционного материала. Металлопленочные резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения и высокой надежностью. ТКС резисторов типов МТ и ОМЛТ не превышает 0,02%. Уровень шумов резисторов группы А не более 1мкВ/В, группы Б – не более 5 мкВ/В.

2.2.4. Обоснование выбора конденсаторов

При выборе конденсаторов для радиоэлектронных устройств, приходиться решать одну из противоположных по своему характеру задач. Прямая задача – по известному стандартному напряжению конденсатора найти максимально допустимые значения переменной и постоянной составляющих рабочего напряжения. Обратная задача заключается нахождения типа и стандартного напряжения конденсаторов по рабочему режиму.

Под номинальным напряжением понимается наибольшее напряжение между обкладкам конденсатора, при котором он способен работать с заданной надёжностью в установленном диапазоне рабочих температур. Номинальное напряжение, оговоренное стандартами, называется стандартным напряжением – оно маркируется на конденсаторах, выпускаемых согласно действующих стандартов. Под рабочим напряжением подразумевается значения постоянного и переменного напряжения, которые действуют на конденсаторе при его работе.

Прямая задача нахождения рабочего напряжения по стандартному решается с помощью условий, оговоренных в действующих стандартах. Однако эти условия справедливы лишь для тех случаев, когда переменная составляющая (пульсация) напряжения на конденсаторе меняется по закону гармонического колебания.

Для решения обратной задачи – нахождения типа и стандартного напряжения конденсатора по рабочему режиму, необходимо вначале найти минимальное напряжение, а затем выбрать ближайшее к нему стандартное значение.

Величина рабочего напряжения конденсатора ограничивается тремя требованиями:

а) конденсатор не должен перегреваться;

б) перенапряжение на нём недопустимо;

в) он должен быть защищён от прохождения обратных токов, если это полярный оксидный конденсатор.

Для того чтобы конденсатор не перегревался следует рассчитать выделяемую на нём реактивную мощность. Она не должна превышать номинальную мощность конденсатора.

Чтобы защитить конденсатор от перенапряжения, рабочее напряжение на нём не должно превышать номинальное. Это условие формулируется в стандартах как сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей рабочего напряжения не должна быть больше стандартного напряжения.

Полярные оксидные конденсаторы, помимо перегрева и перенапряжения, должны быть защищены от прохождения разрушающих обратных токов. Чтобы оксидная плёнка была непроводящей, потенциал оксидированного метала (анода) должен всегда превышать потенциал второго электрода (катода). С этой целью в стандартах оговаривается, что амплитуда переменной составляющей напряжения не должна превышать постоянную составляющую.

Керамические конденсаторы представляют собой пластинки, диски или трубки из керамики с нанесенными на них электродами из металла. Для защиты от внешних воздействий эти конденсаторы окрашивают эмалированной краской или герметизируют, покрывая эпоксидными компанентами после чего заключают в специальный корпус. Керамические конденсаторы широко применябтся в качестве контурных, блокировочных, разделительных. Конденсаторы с диэлектриком из высококачественой керамики характеризуются высокими электролитическими показателями и сравнительно небольшой стоимостью. Сопративление изоляции этих конденсаторов при 20⁰С превышает 5…10 ГОм, тангенс угла потерь на частотах порядка.

Электролитические и оксидно-олупроводниковые конденсаторы отличаются малыми размерами, большими токами утечки и большими потерями. При одинаковых номинвльных напряжениях и номинальных емкостях объем танталовых конденсаторов меньше объема конденсаторов с аллюминивыми анодами. Танталовые конденсаторы могут работать приболеее высоких температурах, их емкость меньше изменяется при изменении температуры, токи утечки у них меньше. Оксидно-полупроводниковые конденсаторы могут работать при более низких температурах, чем электролитические.

Проводимость широко распространненных электролитических и оксидно-полупроводниковых онденсаторов сильно зависит от полярности приложенного напряжения, поэтому они используются лишь в цепях постоянного и пульсирующего токов.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы используются в фильтрах выпрямителей, в качестве блокирующих и развязывающих в цепях звуковых частот, а также в качестве переходных в полупроводниковых усилителях звуковых частот.

2.2.5 Обоснование выбора микросхем.

В схеме зарядного устройства на микроконтроллере PIC 12F675 используется сдвигающий регистр на 8 выходов IN74HC164N – мы его заменим на КР1157FH5A

Электрические параметры сдвигающего регистра IN74HC164N:

Выходное напряжение ………………………………………..5В+ 0,1В

Ток потребления < ……………………………………………..5мА

Ток нагрузки ….............................................................................1А

Нестабильность по напряжению ………………………….. + 0,05%

Микросхему LM7805CT и 78L05 заменим на КР142ЕН2А

Электрические параметры КР142ЕН2А:

Выходное напряжение ………………………………………………5В

Ток потребления ……………………………………………………..4мА

Нестабильность по направлению ………………………………..< 0.3%

Входное напряжение ………………………………………………...20В

Выходное напряжение ………………………………………………20В

Выходной ток …………………………………………….................50мА

Микросхема TNY264P импортная микросхема аналогов нет.

3. Расчетная часть

Расчет надежности

Расчет надежности проводится на этапе проектирования. Для расчета задаются ориентирные данные. В качестве температуры окружающей среды может быть принято среднее значение температуры в нутрии блока. Для большинства маломощных полупроводниковых устройств она не превышает 40⁰С.

Для различных элементов при расчетах надежности служат различные параметры. Для резисторов и транзисторов это допустимая мощность рассеивания, для конденсаторов допустимое напряжение, для диодов - прямой ток.

Коэффициенты нагрузок для элементов каждого типа по напряжению могут быть определены по величине напряжения источника питания. Так для конденсаторов номинальное напряжение рекомендуется брать в 1.5 -2 раза выше напряжения источника питания. Рекомендуемые коэффициенты приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Допустимую мощность рассеяния резисторов можно определить от принятым обозначении на схеме.

Допустимую мощность рассеяния следует брать в качестве номинального параметра, надо брать в половину меньше согласно таблице 1.

Для конденсаторов номинальным параметром в расчете надежности считается допустимые напряжения на обкладках конденсатора. В большинстве схем этот параметр не указывается. Его следует выбирать исходя из напряжения источника питания. Uн, для конденсатора следует брать в два раза (или в полтора) больше напряжения источника питания. При этом следует учитывать, что согласно ГОСТу конденсаторы выпускаются на допустимое напряжение (в вольтах) 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350.

Конденсаторы на более высокие допустимые напряжения на обкладках, в схемах курсового и дипломного проектирования практически не применяются.

Фактически знание (U_ф) для конденсаторов в расчете надежности следует брать в половинку меньше выбранного.

Для транзисторов номинальный параметр Р_к допустимое следует брать из справочников.

Для диодов контролируемый параметр величина прямого тока I_пр. Брать в справочниках.

Фактическое значение параметров этих элементов следует брать исходя из рекомендации таблицы 1.

При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность отказов увеличиться.

Она так же возрастает, если элемент эксплуатируется в более жестоких условиях: при повышенной температуре, влажности, при ударах и вибрациях. В стационарной аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях, наибольшее влияние на надежность аппаратуры имеет температура.

Определяя интенсивность отказов при t⁰ = 20⁰C приведены в таблице 2.

Интенсивность отказов обозначается λ₀. Измеряется λ₀ в (1/час).

Таблица 3.