ВВЕДЕНИЕ

Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, освоение методов расчетов и конструирования ЭАВТ.

Цель курсового проекта: разработать зарядное устройство, изложить и оформить соответствующую конструкторскую документацию в соответствии с системой государственных и отраслевых стандартов.

Для питания современной носимой аппаратуры широко используют никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы. Для их зарядки выпускается множество устройств. Однако большинство из них рассчитано на простую подзарядку аккумуляторов. Нередко они не способны зарядить их полностью из-за присущего Ni-Cd элементам недостатка – так называемого «эффекта памяти». Заключается он в том, что если зарядить неполностью разряженный аккумулятор, то он отдаст энергию только с того уровня, с которого началась зарядка. Для того, чтобы этот эффект не проявлялся, аккумулятор необходимо полностью разрядить (примерно до 1 В), а потом зарядить до напряжения 1,4 В.

Важнейшим условием успешной работы любой аккумуляторной батареи является ее правильная зарядка, которая зависит от грамотного выбора зарядного устройства (ЗУ) и его использования. Выбор зарядного устройства влияет на производительность и срок службы аккумуляторных батарей, хотя пользователь не всегда может это сделать. Наиболее распространенные типы зарядных устройств:

• ускоренные ЗУ 1-3-часовые;

• медленные ЗУ 14-16-часовые (иногда 24-часовые);

• кондиционирующие ЗУ.

На правильность зарядки может влиять как сам пользователь, так и собственно принцип работы того или иного зарядного устройства. В зависимости от типа аккумуляторной батареи, ее конструкции и времени заряда, существуют различные принципы работы зарядных устройств.

Важным моментом для большинства зарядных устройств является определение окончания заряда. Обычно медленные зарядные устройства (для Ni-Cd аккумуляторов ток зарядки равен 10% от номинальной емкости аккумулятора) не определяют окончание заряда, поскольку при малом зарядном токе более длительное нахождение аккумулятора в ЗУ, скажем, на 1-2 часа, не приводит к критическим последствиям. Определение окончания заряда исключительно важно в ускоренных зарядных устройствах, так как более длительный заряд аккумулятора на больших токах и соответственно повышение температуры опасны для аккумуляторной батареи. В некоторых дешевых зарядных устройствах определение окончания заряда производится по принципу достижения конкретного абсолютного значения напряжения на аккумуляторной батарее. Однако трудность правильной оценки степени заряда аккумулятора в этом случае объясняется тем, что напряжение батареи изменяется при повторном циклировании и может варьироваться в зависимости от температуры и скорости заряда. В некоторых зарядных устройствах реализован принцип отсчитывания конкретного времени заряда с помощью таймера, с последующим прекращением подачи зарядного тока на аккумулятор. Недостаток данного метода состоит в том, что пользователь, забыв уже о заряженной батарее, может снова установить ее в данное зарядное устройство, которое в свою очередь <добросовестно>, в строго отсчитанное таймером время, на этот раз отдаст батарее еще одну порцию зарядного тока, в результате чего аккумуляторная батарея выходит из строя.

Сложные зарядные устройства имеют микроконтроллер, с помощью которого осуществляется более точное обнаружение окончания заряда. В них контролируются напряжение батареи, ток, температура или другие переменные значения [1].

1. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1) Наименование и область применения

Проектируемое устройство предназначено для зарядки аккумуляторных батарей переносной аппаратуры (радиотелефоны, фотоаппараты и др.). Оно рассчитано на независимую одновременную зарядку четырех Ni-Cd аккумуляторов емкостью 600, 800 и 1200 мАч, но может быть использовано и для зарядки аккумуляторов других типов. Не полностью отдавший свою емкость аккумулятор оно вначале полностью разряжает. Затем заряжает до заданного уровня, проверяет его способность нормально работать, после чего отключается. Возможность изменения алгоритма работы устройства программным путем обеспечивает необходимую гибкость и легкость работы с ним.

2) Технические и конструктивные требования

Технические требования:

- номинальное напряжение питания, В 9;

- условия эксплуатации:

- температура, С от +10 до +55;

- влажность при температуре 25С, не более  80;

- атмосферное давление, мм. рт. ст. 650-860;

Транспортировка в упаковке любыми видами транспорта без ограничения расстояния.

В устройстве использовать интегральные и дискретные комплектующие ЭРЭ.

3) Требования по надежности:

- наработка на отказ, тыс. ч 10000-15;

• интенсивность отказов, ч 10^-7-10^-9 ч^-1.

4) Конструктивные требования:

• форму и размеры конструкции определить в процессе проектирования, причем они должны быть минимальными;

• устройство выполнить в пластмассовом корпусе;

• при монтаже использовать печатный и объемный монтаж, органы управления и индикации вывести на лицевую панель;

5) Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

• сборочный чертеж печатной платы – А2;

• сборочный чертеж блока – А1

• схема электрическая принципиальная – А2;

• печатная плата – А1;

• таблица соединений – А4;

• пояснительная записка – А4.

2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ, ОЦЕНКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

2.1 Сравнительный анализ аналогов

Одним из функциональных аналогов разрабатываемого зарядного устройства является прибор, описанный в [2]. Отличие состоит в том, что в аналоге применяются элементы зарубежного производства, которые не выгодно использовать. Кроме того, в данном приборе нет возможности заряжать сразу несколько аккумуляторных батарей.

Устройство, предложенное в [3] предназначено для зарядки четырех батарей одновременно, но в нем отсутствуют функции контроля за состоянием батареи, а также нет возможности разрядить не до конца разрядившуюся батарею.

Устройство из [4] лишено подобных недостатков, в нем предусмотрены все необходимые параметры зарядки, но оно достаточно сложно в изготовлении и наладке. В устройстве используются импортные элементы, что экономически невыгодно.

Разрабатываемое зарядное устройство основано на отечественной элементной базе (за исключением микроконтроллера), позволяет заряжать одновременно 4 аккумулятора, разряжать не до конца разрядившийся аккумулятор, выдавать сигнал о выходе его из строя. Кроме того, при изменении программы микроконтроллера можно заряжать аккумуляторы других типов.

2.2 Анализ работы устройства

Функционально устройство состоит из блока управления и четырех одинаковых по схеме зарядно-разрядных ячеек.

Блок управления содержит микроконтроллер DD1, коммутатор DD2, компаратор DA1, формирователь образцовых напряжений (VT13, VT14), узел звуковой сигнализации неисправности аккумулятора (VT15) и буфер DD3. Микроконтроллер управляет работой устройства в целом, обеспечивая работу всех четырех зарядных узлов. Переключение напряжений поступающих с аккумулятора на неинвертирующий вход компаратора DA1, осуществляется коммутатором DD2. Образцовые напряжения формируются в зависимости от кода, определяемого сигналами Е0 и Е1, задаваемыми микроконтроллером. Буфер DD3 обеспечивает развязку порта Р1 микроконтроллера от зарядно-разрядных ячеек.

Каждая такая ячейка состоит из стабилизатора тока DA2, токозадающих резисторов R3-R5, транзисторных ключей (VT1-VT3), коммутирующих состояния узла (зарядка - разрядка - контроль) и светодиодов (красного цвета), индицирующих состояние узла (HL1 – зарядка, HL2 - разрядка). Выключатели SA1 и SA2 позволяют задать необходимый зарядный ток.

При включении питания программа анализирует состояние аккумулятора G1, поочередно сравнивая напряжение на нем (сигнал К1) с образцовыми напряжениями, выдаваемыми формирователем на транзисторах VT13, VT14. Если напряжение на аккумуляторе менее 0,7 В, она «делает вывод», что ячейка пуста, и переходит к анализу состояния следующей. Если же напряжение на аккумуляторе более 1 В, МК DD1 выдает (через буфер DD3) сигналы R1 = 1, Z1 = 1. При этом зажигается светодиод HL2 и открываются транзисторы VT1, VT3. Первый из них блокирует канал зарядки (DA2, R3-R5, VT5), а второй подключает параллельно аккумулятору резистор R9. Начинается процесс зарядки.

Сигнал К1 (напряжение на разряжаемом аккумуляторе) через коммутатор DD2 поступает на неинвертирующий вход компаратора DA1, где сравнивается с образцовым напряжением (около 1 В), поступающим на инвертирующий вход с формирователя на транзисторах VT13 и VT14 (первый из них открыт, а второй закрыт). В момент достижения заданного значения напряжения компаратор выдает сигнал о завершении процесса разрядки и МК переводит устройство в режим зарядки (сигналы R1 и Z1 принимают значения лог. 0). При этом загорается светодиод HL1, закрываются транзисторы VT1, VT3, а VT2 открывается.

В режимах разрядки и зарядки напряжение на аккумуляторах измеряется один раз в четыре секунды. Цикл измерения (сигнал Z1=1, R1=0) равен примерно одной секунде, то есть время на обслуживание одного аккумулятора вместе с задержкой составляет одну секунду. В это время происходит измерение напряжение на аккумуляторе, и в зависимости от его значения микроконтроллер принимает решение, продолжать разрядку (зарядку) аккумулятора или отключить его (если зарядка завершена). Это наглядно видно по свечению светодиодов. Периодическое зажигание зеленого светодиода (HL2) свидетельствует о том, что аккумулятор данной ячейки находится в режиме зарядки, а красного (HL1) – в режиме зарядки.

При достижении напряжения на аккумуляторе G1 примерно 1,45 В зарядка прекращается. Затем на некоторое время (примерно 8…10с) ячейка переключается в режим разрядки (загорается светодиод HL2) с контролем напряжения на аккумуляторе. Если оно за это время существенно не изменилось, зарядка заканчивается (не светятся оба светодиода). Если же напряжение резко упало (до 1…1,1 В), что свидетельствует о неисправности аккумулятора, то выдается звуковой сигнал, а светодиод HL2 начинает мигать.

В устройстве предусмотрен режим принудительной зарядки. Его используют в том случае, когда аккумулятор разряжен до напряжения менее 1 В или его необходимо срочно подзарядить (минуя процесс разрядки до 1 В). Включение на принудительную зарядку осуществляется кнопкой SB1 (ее удерживают в нажатом положении до зажигания светодиода HL1).

Выбор зарядных токов, равных 0,1 емкости аккумулятора, осуществляется выключателями SA1 и SA2 путем шунтирования резистора R4 резисторами R3 и R5. В положениях выключателей, показанных на схеме, зарядный ток определяется сопротивлением резистора R4 и равен 60 мА. Замыкание контактов выключателя SA1 приводит к увеличению зарядного тока до 80 мА, а обоих (SA1 и SA2) – до 110…120 мА [5].

2.3 Обоснование выбора элементной базы

В зарядном устройстве используются следующие интегральные микросхемы: AT89C1051, К554СА3А, КР555АП6, КР561КП2, КР142ЕН5В.

Микросхема AT89C1051 представляет собой сокращенный микроконтроллер, выполненный в 20-ти выводном DIP корпусе. Максимальная тактовая частота 24 МГц, RAM 64 байт, FLASH 1 Кбайт. Рассеиваемая мощность – 1,5 Вт.

Микросхема К554СА3А – компаратор напряжения. Мощность рассеивания (при Т  75С) 500 мВт. Корпус 2102.14-1.

Микросхема КР555АП6 – формирователь образцового напряжения. Рассеиваемая мощность 1 Вт. Корпус 2140.20-1.

КР561КП2 – коммутатор. Рассеиваемая мощность 1 Вт. Корпус 238.16-1.

КР142ЕН5В – стабилизатор напряжения на 5В. Рассеиваемая мощность 0,8 Вт. Тип корпуса КТ-28-2 [6].

В электрической схеме используются несколько видов конденсаторов. Конденсаторы серии К50 - алюминиево-оксидно-электролитические конденсаторы общего назначения. Характеризуются очень большой удельной емкостью, большими потерями, значительными токами утечки. Применяются в шунтирующих и фильтровых цепях, для накопления энергии в импульсных устройствах. В устройстве используются конденсаторы К50-35 220 мкФ х 16 В и К50-6 10 мкФ х 16 В. Вариант установки IIa. [7]

Для конденсаторов К53 характерна большая удельная емкость, меньшие потери и токи утечки, увеличенный срок хранения, более широкий интервал работы по сравнению с электролитическими алюминиевыми конденсаторами. В зарядном устройстве применяются конденсаторы К53-10 22 мкФ. [7]

Конденсаторы типа КМ – характеризуются минимальными токами утечки, малыми габаритными размерами, высокой надежностью. Применяются КМ-4а 0,01 мкФ и КМ-6 0,1 мкФ. [7]

Резисторы типа МЛТ - резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем, предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Относятся к неизолированным резисторам. Вариант установки IIa. [7]

Переменные резисторы СП3 – непроволочные композиционные резисторы переменного сопротивления.

Сборка резисторов HP1-4-9M - металлопленочная резисторная сборка на керамической подложке с покрытием специальной эпоксидной резиной и с жесткими выводами. Применяются в устройствах с микропроцессорным управлением, где требуется высокая плотность монтажа и низкая стоимость.

Транзисторы КТ315В – кремниевые транзисторы эпитаксиально-планарные высокочастотные малой мощности, выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Выполнены по технологии n-p-n. Применяются в схемах усилителей высокой, средней и низкой частоты. Вариант установкиIIв[8].

Предельные эксплуатационные данные транзистора КТ315В:

• постоянная рассеиваемая мощность, Вт 0,15

• температура перехода, С 120

• температура окружающей среды, С -60 - +100

Транзисторы типа КТ503А – кремневые низкочастотные транзисторы малой мощности, выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Выполнены по n-p-n технологии. Используются в усилителях НЧ, операционных усилителях, преобразователях, импульсных схемах. Вариант установки IIв[8].

Предельные эксплуатационные данные транзистора КТ503А:

• постоянная рассеиваемая мощность, Вт 0,35

• температура перехода, С 115

• температура окружающей среды, С -40 - +85

В устройстве используются миниатюрные движковые переключатели ВДМ3-2В, а также кнопка КМ1-1. Их необходимо вынести на лицевую панель [7].

Для звуковой индикации используется пьезоизлучатель ЗП-31. Данный элемент имеет следующие характеристики [9]:

Уровень звукового давления на расстоянии 1 м, дБ >75

Входное напряжение, в 5

Резонансная частота, кГц 5 ± 0,5

Габаритные размеры, мм (диаметр х толщина) 17 х 5

Масса, г <1,5

Световая индикация обеспечивается светодиодами АЛ307А. Арсенид-галлий-алюминиевые в пластмассовом корпусе красного цвета свечения [10].

- сила света, мкд 0,15;

- постоянное прямое напряжение, В 2,8

Таблица 1 - Параметры элементной базы

Наименование элемента	Кол.	Конструкционные параметры		Диапазон Температур, ºС
		Масса, г	Установочная площадь, мм2
1	2	3	4	5
Микросхемы: AT89C1051 К554СА3А КР555АП6 КР561КП2 КР142ЕН5В	1 1 1 1 5	3,5 0,45 3,5 0,45 0,45	270 146,25 270 161,25 40	-55…+ 125 -10…+ 75 -10…+ 70 -10…+ 70 -45…+ 85
Конденсаторы: К50-6 10мкФ х 16В К53-10 22мкФ К50-35 220мкФ х 16В КМ-6 0,1мкФ КМ-4а 0,01мкФ	1 2 1 2 1	0,8 2 2,1 2,5 0,6	42,25 67,5 169 84 37,5	-10...+85 -10...+85 -10...+85 -60...+85 -60...+85

Продолжение таблицы 1

Резисторы МЛТ-0,125 Переменные СП3-19а Сборка резисторов НР1-4-9М	43 3 1	0,15 0,8 0,35	36,6 43,56 62,5	-60…+70 -60…+125 -55…+125
Транзисторы: КТ315В КТ503А	2 13	0,18 0,3	21,6 21,84	- 60…+ 100 - 40…+ 85
Светодиоды АЛ307А	8	0,25	32,5	– 60…+ 70
Пьезоизлучатель ЗП-31	1	<1,5	-	-25...+85
Кварцевый резонатор РК374	1	3,8	60,95	-60…+85

Анализируя условия эксплуатации и технические условия на использование элементной базы, можно сделать вывод, что устройство можно эксплуатировать в диапазоне рабочих температур -10...+70 ⁰ С, при влажности - не более 98. Эти условия в полной мере соответствуют указанным в техническом задании параметрам.

Максимальной рассеиваемой мощностью обладает микроконтроллер AT89C1051 (1,5 Вт).

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЭУ

При разработке конструкции устройства были учтены требования, приведенные в разделе «Расширенное техническое задание». Объем устройства должен быть минимальным, а коэффициент заполнения - максимальным. Конструкция должна обладать достаточной механической прочностью, иметь защиту от дестабилизирующих факторов, а также обеспечивать удобство ремонта и эксплуатации РЭУ.

Исходя из этого, устройство будет представлять собой блок, имеющий форму параллелепипеда, на дне которого располагается печатная плата, а элементы индикации и управления вынесены на лицевую панель. На задней панели находится разъем для подключения блока питания. На рисунках 1 и 2 приведены 2 варианта компоновки блока устройства.

Рисунок 1 – Первый вариант компоновки блока

Рисунок 2 – Второй вариант компоновки блока

При первом варианте движковые переключатели расположены на передней стороне блока, сверху расположены светодиоды и кнопка SB1. Также сверху предусмотрено место для расположения четырех заряжаемых аккумуляторных батарей.

Второй вариант отличается тем, что движковые переключатели расположены на верхней части блока, а кнопка была перемещена на переднюю сторону. За счет этого высота блока значительно уменьшилась.

В обоих вариантах печатная плата расположена горизонтально на дне блока. Для более подробного рассмотрения преимущества того или иного блока необходимо провести объемно компоновочный расчет.

4 КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ