Сложные многофункциональные микроконтроллерные зарядные устройства


Разработка принципиальной электрической схемы зарядного устройства



страница9/21
Дата28.11.2017
Размер1.84 Mb.
ТипРеферат
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   21

Разработка принципиальной электрической схемы зарядного устройства

  1. Общие принципы построения зарядных устройств


Если рассматривать зарядные устройства, не учитывая типа аккумуляторов или аккумуляторных батарей, для заряда которых они предназначены, для них можно сформировать общие требования:

  • источник питания зарядного устройства должен обеспечивать достаточные выходные напряжение и ток;

  • зарядное устройство должно обеспечивать ручную установку или автоматическую регулировку напряжения и тока заряда; для некоторых типов аккумуляторов их значения должны быть стабилизированы в пределах допусков;

  • автоматические зарядные устройства должны иметь основную и дублирующие схемы отключения батареи по окончании заряда;

  • должны быть предусмотрены устройства защиты от короткого замыкания, перегрева аккумуляторной батареи.

Построение схемы зарядного устройства требует реализации двух принципов заряда: заряд с ограничением тока и заряд с ограничением напряжения. Принцип заряда с ограничением тока применяется при заряде никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов, а принцип с ограничением напряжения заряда — при заряде свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов.
    1. Процесс разработки электрической схемы зарядного устройства


Разрабатываемая схема будет состоять из трех частей:

  • силовая часть;

  • цифровая часть;

  • аналоговая часть.

Рассмотрим каждую часть подробнее.

Силовая часть


Силовая часть состоит из:

  • разъема и тумблера питания;

  • импульсного повышающее-понижающего преобразователя напряжения;

  • микросхемы TL494 со вспомогательными элементами для управления преобразователем напряжения;

  • источника опорного напряжения +5В для питания цифровой части на микросхеме 7805;

  • модуля разрядки аккумулятора;

  • вспомогательных элементов.

При проектировании силовой части необходимо было выбрать тип преобразователя напряжения для преобразования входного напряжения 10,5—16 Вольт (согласно заданию) в 2—16 Вольт зарядного.

Различают следующие типы преобразователей напряжения:



  1. Трансформаторные (без промежуточного накопления энергии)

    1. Прямоходовые

    2. Двухтактные (инверторы)

      1. Регулируемые

      2. Нерегулируемые

  2. Бестрансформаторные (с промежуточным накоплением энергии)

    1. На конденсаторах

      1. Инвертирующие

      2. Умножающие

    2. На катушках индуктивности

      1. Понижающие

      2. Повышающие

      3. Составные

        1. Инвертирующие (обратноходовые)

        2. Схемы Кука

        3. SEPIC

Для наших целей можно применить более простые и дешевые бестрансформаторные преобразователи. Широкое применение получили следующие типы таких преобраователей:


Понижающий преобразователь (Buck converter). Выходное напряжение меньше входного. Когда ключ замкнут, энергия первичного источника передается на выход и одновременно накапливается в дросселе и конденсаторе. При размыкании ключа, дроссель и конденсатор питают нагрузку.


Повышающий преобразователь (Boost converter). Выходное напряжение больше входного. При замкнутом ключе энергия накапливается дросселем, при размыкании дроссель питает нагрузку.


Понижающий и повышающий инвертирующий преобразователь (Buck-boost converter). Редко используется, так как очень тяжело реализовать точное управление, выход инвертирован (напряжение отрицательное).


Конвертер на несимметричной первичной обмотке (Single-Ended Primary Inductance Converter, SEPIC). Позволяет получать напряжения и больше и меньше входного, неинвертирующий, хорошо управляется.



Для нашего устройства был выбран SEPIC-преобразователь, как наиболее полно отвечающий требованиям.

Расчет SEPIC-преобразователя

Повышающий преобразователь (Рис. 40.) - основная часть SEPIC-преобразователя. Работа повышающего преобразователя происходит так: сначала ключ Sw закрыт в течение времени TON, увеличивая магнитную энергию в индуктивности L1. Потом, ключ открывается на время TOFF, единственный возможный путь для накопленной магнитной энергии пролегает через D1 и COUT. COUT сглаживает импульсы, сгенерированные индуктивностью L1. Когда напряжение VOUT мало, можно увеличить КПД, используя диод Шоттки с низким падением напряжения в прямом направлении (около 400mV) . Такой преобразователь работает при одном условии: напряжение VOUT должно быть выше, чем напряжение VIN, в противном случае диод D1 открыт и ничто не препятствует протеканию тока от VIN к VOUT.

Рис. 40. Схема повышающего преобразователя.

SEPIC-схема на Рис. снимает это ограничение с помощью конденсатора Cp между индуктивностью L1 и диодом D1. Этот конденсатор препятствует прохождению постоянной компоненты тока между входом и выходом. Анод диода D1, однако, должен быть присоединен к какому-нибудь потенциалу. Это условие выполнено соединением D1 к земле через индуктивность L2, которая может быть намотана как отдельно, так и на том же сердечнике с индуктивностью L1, в зависимости от конкретного конструктивного исполнения. Основные паразитные сопротивления RL1, RL2, RSW, и RCP вызваны соответственно L1, L2, SW, и CP.

Рис. 41. Схема SEPIC-преобразователя с паразитными сопротивлениями.

Исходные данные для расчета:

Freq= 250000 – частота переключений ключа, Гц;

Vin_min= 11 – минимальное входное напряжение, В;

Vin_typ= 12 – типичное входное напряжение, В;

Vin_max= 13 – максимальное входное напряжение, В;

Vout = 16 – максимальное выходное напряжение, В;

dVout = 0,1 – необходимая точность управления выходным напряжением, В;

Iout = 2 – максимальный выходной ток, А;

RL1= 0,1 – паразитное сопротивление L1, Ом;

RL2= 0,1 – паразитное сопротивление L2, Ом;

Rsw = 0,044 – паразитное сопротивление на ключе Sw, Ом;

Rcp = 0,1 – паразитное сопротивление конденсатора Cp, Ом;

Vd = 0,4 – падение напряжения на диоде, В;

Gcp= 0,05 – колебания напряжения на конденсаторе Cp (должно быть мало, примерно 1%-5%).

Т.к. вычисления параметров преобразователя требуют большого количества операций и нескольких итераций, была написана расчетная программа. Формулы для расчета и более подробная информация содержатся в документе AN1051 компании MAXIM.

Полученные данные расчета преобразователя:


λ (часть периода, когда ключ замкнут):

λ_min =65,57%;

λ _typ =62,14%;

λ _max =54,63%;


Cp >=9,9911 мкФ;

Pcp =0,76 Ватт – рассеиваемая мощность на Cp;

Psw =0,58 Ватт – рассеиваемая мощность на ключе без учета переключений;

Prl1 =1,45 Ватт – рассеиваемая мощность на L1 из-за RL1;

Prl2 =0,4 Ватт – рассеиваемая мощность на L2 из-за RL2;

Pd1 =0,8 Ватт – рассеиваемая мощность на диоде;

L1 >29,03 мкГн;

L2 >34,97 мкГн;

IL1нас >> 4,28 A – ток насыщения индуктивности L1;

IL2нас >> 2,5 A ток насыщения индуктивности L2;

Cout > 100 мкФ;

Cin > 10 мкФ;

КПД = 99%;

Vds=21 В – максимальное напряжение на ключе с запасом 15%;

Vr=21 В – максимальное напряжение на диоде с запасом 15%.

Микросхема контроллера преобразователя

Современная промышленность выпускает огромный спектр контроллеров-стабилизаторов для управления преобразователями. Принцип действия всех этих контроллеров практически одинаковый: они должны обеспечивать регулирование скважности сигнала на ключе в зависимости от разницы выходного и опорного напряжений. Некоторые микросхемы имеют дополнения в виде функций плавного старта, принудительного отключения, могут содержать в себе схемы оптимизации управления ключом или двумя ключами по очереди.

Для нашей разработки была выбрана популярная микросхема TL494CN компании Texas Instruments ввиду ее большой распространенности, частого применения, простоты, надежности и низкой цены. Эта микросхема содержит в себе все необходимые функции:


  • Возможность регулировать заполнение в зависимости от сравнения двух сигналов, причем имеется два канала сравнения (например, можно сделать стабилизацию и по току и по напряжению);

  • Возможность включать и отключать генерацию;

  • Возможность установить частоту от 1 до 300 000 Гц;

  • Возможность напрямую управлять ключом.

Рис. 42. Наименования выводов микросхемы TL494CN.

Модуль разряда аккумулятора выполняет свою функцию путем импульсного замыкания подключенного аккумулятора на мощный резистор с помощью ключа на полевом транзисторе IRL3303. Ключ разряда регулируется микросхемой TL494 аналогично ключу SEPIC-преобразователя.

Для формирования питающего напряжения +5 В используется широко распространенная микросхема-стабилизатор напряжения 7805 со стандартным набором элементов, необходимых для ее работы.


Аналоговая часть


Аналоговая часть в схеме выполняет следующие функции:

  • определение тока, протекающего через батарею;

  • определение напряжения на батарее;

  • подачу звуковых сигналов;

  • формирование управляющего сигнала для микросхемы TL494.

Рис. 43. Функциональная схема микросхемы LM324.

В составе аналоговой части для формирования управляющего сигнала использован фильтр нижних частот на операционном усилителе LM324 для фильтрации управляющего ШИМ-сигнала. Фильтр рассчитан в программе Microchip FilterView, полоса пропускания 200 Гц.

Для определения напряжения на нагрузке используется RC-фильтр нижних частот, резисторный делитель и АЦП микроконтроллера.

Для определения протекающего через нагрузку тока используется резисторный делитель напряжения и усилитель на микросхеме LM324.

Для подачи звуковых сигналов используется широко распространенный звуковой пьезоизлучатель, воспроизводящий монотонный сигнал при подаче напряжения производства компании Murata.



Рис. 44. Звуковой пьезоизлучатель с встроенным генератором.


Цифровая часть


Задача микропроцессорной части состоят в работе с оператором и выполнении алгоритма заряда с учетом максимально допустимых значений параметров, а именно:

  • регулировке выходного напряжения силовой части путем управления микросхемой TL494;

  • переключении режимов работы;

  • контроле тока, протекающего через аккумуляторную батарею, с помощью датчика тока;

  • контроле напряжения на аккумуляторной батарее;

  • контроле таймера заряда;

  • контроле

  • вводе информации через кнопки на передней панели устройства;

  • отображении информации на дисплее;

  • хранении и считывании параметров заряда из внутренней памяти микроконтроллера;

  • расчету параметров заряда в соответствии с введенными данными.

Микропроцессорная часть устройства состоит из микроконтроллера, монохромного экрана, кнопок управления, внешнего датчика температуры и вспомогательных компонентов.

Требования для выбора микроконтроллера:



  • наличие таймера;

  • наличие АЦП разрядностью от 8 бит;

  • наличие встроенной flash-памяти для программ от 2 Кбайт;

  • наличие встроенного ОЗУ от 256 байт;

  • наличие встроенного ПЗУ от 32 байт:

  • доступные средства разработки;

  • невысокая цена;

  • большая доступность.

Был выбран микроконтроллер ATmega32 компании Atmel, который помимо невысокой цены и большой доступности имеет следующие отличительные особенности:

  • Использование RISC-архитектуры;

  • Приближающаяся к 16 флопс (при тактовой частоте 16 МГц) производительность

  • Встроенный двухцикловый перемножитель

  • Энергонезависимая память программ и данных

  • 8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash-памяти (In-System Self-Programmable Flash)

  • 512 байт ПЗУ

  • 1 Кбайт встроенной ОЗУ

  • Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

  • Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения

  • Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения

  • Счетчик реального времени с отдельным генератором

  • Три канала ШИМ

  • 8-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусах TQFP и MLF)

  • 6 каналов с 10-разрядной точностью

  • 2 канала с 8-разрядной точностью

  • 6-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусе PDIP)

  • 4 канала с 10-разрядной точностью

  • 2 канала с 8-разрядной точностью

  • Байт-ориентированный 2-проводной последовательный интерфейс

  • Программируемый последовательный USART-интерфейс

  • Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)

  • Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором

  • Встроенный аналоговый компаратор

  • Функция сброса по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания

  • Встроенный калиброванный RC-генератор

  • Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов АЦП

  • Наличие 23-х программируемых выводов (доступны для ввода/вывода);

  • Рабочее напряжение 4,5—5,5 В

  • Рабочая частота 0—16 МГц

Данная микросхема поставляется в корпусах PDIP, TQFP и MLF.

Для переключения режимов работы используется микросхема К555ЛИ1 или ее аналог, которая содержит четыре логических элемента «И». Получая управляющие сигналы с микроконтроллера, эта микросхема разрешает или запрещает прохождение управляющего сигнала на ключ SEPIC-преобразователя и ключ разряда.

Для контроля температуры батареи используется внешний цифровой датчик DS18B20 производства компании MAXIM. Этот датчик позволяет измерять температуру от −10° C to +85° C с точностью ±0.5° C. Коммуникации с датчиком происходят по протоколу 1-Wire. Датчик DS18B20 выпускается в корпусах TO-92 и μSOP.


Рис. 45. Датчик DS18B20 в корпусе TO-92.

Принципиальная электрическая схема разработанного устройства представлена в приложении 1.



  1. Каталог: raznoe
    raznoe -> Цга чувашской Республики. Ф. Р-76. Оп Д. 42. Л
    raznoe -> Образовательная программа по английскому языку для общеобразовательной школы пояснительная записка «Инновационная уровневая образовательная программа по английскому языку для общеобразовательной школы»
    raznoe -> Базы данных
    raznoe -> Возврат водительского удостоверения лицу, лишенному права на управление, осуществляется только после сдачи теоретического экзамена на знание правил дорожного движения
    raznoe -> Руководство администратора по разворачиванию системы


    Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   21


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница