Проектирование конкурентоспособных изделий

Кроме удобства в эксплуатации, ЗУ данного типа являются и наиболее "полезными" для аккумуляторов: заряд током средней величины с контролем окончания заряда по отрицательной дельте является оптимальным с точки зрения увеличения срока жизни аккумуляторов.

 Отдельный подкласс  быстрых зарядных устройств –  ЗУ с предварительным разрядом  аккумуляторов. Сделано это для  борьбы с эффектом памяти и  может быть весьма полезно  для Ni-Cd аккумуляторов: ЗУ проследит, чтобы сначала они были полностью разряжены, и только после этого начнёт заряд. Для современных Ni-MH такая тренировка уже не является обязательной.

 Заряд током более 1C с контролем окончания заряда

 И, наконец, последний  метод – сверхбыстрый заряд,  продолжительностью от 15 минут до  часа, с контролем заряда опять  же по отрицательной дельте  напряжения. Достоинств у таких ЗУ два: во-первых, вы почти моментально получаете заряженные аккумуляторы, во-вторых, сверхбыстрый заряд позволяет в большой степени избежать эффекта памяти.

 Есть, впрочем, и минусы. Во-первых, не все аккумуляторы  хорошо выдерживают быстрый заряд:  недостаточно качественные модели, имеющие большое внутреннее сопротивление,  могут в таком режиме перегреваться  вплоть до выхода из строя.  Во-вторых, очень быстрый (15-минутный) заряд может негативно влиять  на срок жизни аккумуляторов  – опять же, из-за их избыточного  нагрева при заряде. В-третьих,  такой заряд "наполняет"  аккумулятор лишь до 90...95 % ёмкости  – после чего для достижения 100 % ёмкости требуется дополнительный  дозаряд малым током (впрочем, большинство быстрых ЗУ его осуществляют).

Тем не менее, если вы нуждаетесь в сверхбыстрой зарядке аккумуляторов, приобретение "15-минутного" или "получасового" ЗУ будет хорошим выходом. Разумеется, использовать с ним надо только качественные аккумуляторы крупных производителей, а также своевременно исключать  из батарей отслужившие своё экземпляры.

 Если же вас устраивает  продолжительность заряда в несколько  часов, то оптимальными по-прежнему  остаются описанные в предыдущем  разделе ЗУ с зарядным током менее 1C и контролем окончания заряда по отрицательной дельте напряжения.

 Отдельный вопрос –  совместимость зарядных устройств  с разными типами аккумуляторов.  ЗУ для Ni-MH и Ni-Cd, как правило, универсальны: любое из них может заряжать аккумуляторы каждого из этих двух типов. ЗУ для Ni-MH аккумуляторов с окончанием заряда по отрицательной дельте напряжения, даже если для них это не заявлено прямо, могут работать и с Ni-Cd аккумуляторами, а вот наоборот – увы. Дело здесь в том, что скачок напряжения, та самая отрицательная дельта, у Ni-MH заметно меньше, чем у Ni-Cd, поэтому не всякое ЗУ, настроенное на работу с Ni-Cd, сможет "почувствовать" этот скачок на Ni-MH.

 Для других же типов  аккумуляторов, включая литий-ионные  и свинцово-кислотные, эти ЗУ  непригодны в принципе – такие  аккумуляторы имеют совершенно  другую схему заряда.

Заряд литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов

 Зарядное устройство  для Li-ion аккумуляторов очень подобно зарядному устройству для свинцово-кислотных аккумуляторов SLA в части ограничения напряжения на аккумуляторе. Основные различия между ними заключаются в том, что у зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов - выше напряжение на элемент (номинальное напряжение элемента 3.6 V против 2 V для SLA), более жесткий допуск на это напряжение и отсутствие тонкоструйного или плавающего подзаряда по окончании полного заряда.

 

В то время как для SLA аккумуляторов  допустима некоторая гибкость в  установке значения напряжения прекращения  заряда, то для Li-ion аккумуляторов изготовители очень строго подходят к выбору этого напряжения. Порог напряжения прекращения заряда для Li-ion аккумуляторов с графитовым электродом - 4.10 V, с коксовым электродом - 4.20 V, допуск на установку для обоих типов + - 0.05 V на элемент. Для вновь разрабатываемых Li-ion аккумуляторов, вероятно, будут другие значения этого напряжения. Следовательно, зарядные устройства для них должны быть адаптированы к требуемому напряжению заряда.

Более высокое значение порога напряжения обеспечивает большее значение емкости, поэтому в интересах  изготовителя выбрать максимально  возможный порог напряжения без  нарушения безопасности. Однако на величину этого порога влияет температура  аккумулятора, и его устанавливают  достаточно низким для того, чтобы допустить повышенную температуру при заряде. Вмешательство потребителя в любое Li-ion зарядное устройство не рекомендуется.

В зарядных устройствах и  анализаторах аккумуляторов, которые  позволяют изменять порог напряжения, правильная установка этого порога должна соблюдаться при обслуживании любых аккумуляторов Li-ion типа. Однако большинство изготовителей не обозначают тип Li-ion аккумулятора. И если напряжение установлено неправильно, то коксовый аккумулятор выдаст более низкое значение емкости, а графитовый будет немного перезаряжен. При умеренной температуре, никакого повреждения не происходит, и более низкое напряжение разряда не повредит графитовому аккумулятору.

Время заряда Li-ion аккумуляторов приблизительно 3 часа и аккумулятор остается прохладным во время заряда. Полный заряд достигается после того, как напряжение достигнет верхнего порога напряжения, и ток уменьшится до некоторого низкого уровня.

Увеличение зарядного  тока в Li-ion зарядном устройстве не намного сокращает время заряда. Хотя и пик напряжения достигается быстрее, все же лучше более длительный заряд.

При основном методе заряд  оканчивается, как только уровень  напряжения достигнут. Такое зарядное устройство более быстрое и простое, чем зарядное устройство с двумя  стадиями, но оно может зарядить аккумулятор только до 70 % емкости.

Тонкоструйный заряд не применяется, потому что Li-ion аккумулятор не терпит перезаряда. Тонкоструйный заряд может вызвать металлизацию лития, что приводит к нестабильности элемента. Вместо этого, время от времени для компенсации маленького саморазряда аккумулятора из-за небольшого тока потребления устройством защиты, может применяться кратковременный заряд.

Коммерческие Li-ion аккумуляторы содержат несколько встроенных устройств защиты. Обычно, плавкий предохранитель срабатывает, если напряжение заряда любого элемента достигает 4.30 V или температура элемента достигает 100° C (212° F). Переключатель давления в каждом элементе прекращает заряд, если превышен некоторый порог давления; а внутренняя схема управления отключает аккумулятор в нижней и верхней точках напряжения.

Большинство изготовителей  продают Li-ion элементы только в составе аккумулятора вместе с устройством защиты. Эта предупредительная процедура вызвана возможной опасностью взрыва и воспламенения в случае, если аккумулятор заряжается и разряжается вне безопасных ограничений.

3.1 Выбор схемы

При проектировании  интеллектуального зарядного устройства, его структуру можно разбить на несколько основных блоков, разработку которых проведём как самостоятельно выделенные сегменты, которые выполняют свои функции.

Исходя из поставленных технических  условий разработаем структурную схему устройства, на основании которой можно будет вести дальнейшую разработку. Таким образом, исходя из схемной реализации устройства, структурная схема устройства должна содержать следующие элементы:

1. Блок питания

2. Контроллер

3. Блок термоконтроля

4. Блок управления

5. Блок преобразователя USB

6. Блок управления зарядки

7. Блок управления разрядки

8. Стабилизатор

9. Блок индикации

10.  Блок аккумуляторов

Структурная схема представлена на рисунке 3.1

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Выбор конструктива

Данное изделие представляет собой блок, к которому подсоединяется аккумулятор и фиксируется в нем, также в корпусе установлен разъем для подключения интерфейса USB. Внутри блока будет находиться печатная плата, на которой будут располагаться элементы зарядного устройства. На передней панели будут располагаться ЖК-дисплей, кнопки для работы с меню прибора и кнопка включения прибора.

    Корпус устройства  выполнен из ударопрочного полистирола  марки УПМ-0508 методом литья под  давлением. Этот способ является  самым производительным способом  изготовления тонкостенных деталей.  Выбор данного материала значительно  сокращает затраты и облегчает  массу прибора. Корпус черного  цвета изготовленный из ударопочного полистирола сохраняет свой эстетический внешний вид длительное время

3.3 Обоснование схемы электрической принципиальной

Отличительная особенность  от ранее встречавшихся в литературе устройств состоит в импульсном режиме заряда-разряда. В схеме отсутствуют нагревающиеся элементы, вследствие чего КПД устройства достаточно высок.

3.3.1 Описание  схемы электрической принципиальной

Рассмотрим работу схемы (схема см. приложение). После подачи переменного напряжения на разъем ХP1,XP2 пройдя через сетевой заграждающий фильтр C19,C21,L2 выпрямляется диодным мостом VD2-VD5 и сглаживается емкостью C17. Первоначально запуск преобразователя осуществляется за счет смещения, поступающее с резистора R37 которое приоткрывает транзистор VT6. Затем режим автогенерации осуществляется за счет положительной местной обратной связи обмоток I и II трансформатора Т1. Резистор R43 является датчиком  пилообразного тока первичной обмотки трансформатора.

При превышении тока (около 1 ампера при запуске преобразователя  или при перегрузке) приоткрывается транзистор VT5 который устанавливает нулевой потенциал на затворе VT6 и тем самым закроет его. При запирании силового транзистора VT6 магнитная энергия, накопленная сердечником трансформатора T1, передается в нагрузку. Импульсное напряжение сглаживается конденсаторами С28,С30, дросселем L5 по 5 вольтам. Резисторы R40-R51, VD10-VD12, VD16  и оптопара VS1 образуют петлю отрицательной обратной связи, стабилизирующую выходное напряжение. При превышении выходного напряжения увеличивается ток, протекающий через светодиод оптрона и тем самым еще сильнее открывает транзистор оптопары. При этом через диод VD10 открывается транзистор VT5 который закрывает VT6 раньше окончания импульса автогенерации и тем самым уменьшает время накопления энергии трансформатором Т1. А это в свою очередь уменьшает выходное напряжение. Для трансформатора Т1 был использован стандартный каркас и Ш-образный ферритовый магнитопровод от ТМС-15. Для нормальной работы в обратноходовом блоке питания сердечник необходимо доработать. Для этого стачиваем алмазным надфилем среднюю часть керна, так чтобы зазор был равен 0,32мм. Первичная обмотка намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 0,2мм и содержит 168витков. Вторичная, намотана тем же проводом и содержит 14 витков. Третья обмотка намотана в два провода ПЭВ-2 диаметром 0,5мм и составляет 15 витков. Четвертая обмотка намотана  проводом ПЭВ-2 диаметром 0,2мм и составляет 21 виток. Для уменьшения потерь в проводах на высокой частоте трансформатор мотаем следующим образом. Первым слоем укладываем 50 витков первичной обмотки, 2-ым. слоем 8 витков третьей обмотки, 3-им. слоем 50 витков первичной обмотки, 4-ым. слоем оставшиеся 7 витков третьей обмотки, 5-ым. слоем 50 витков первичной обмотки, 6-ым. слоем 14 витков вторичной обмотки располагаем равномерно по всему слою, 7-ым. слоем равномерно укладываем оставшиеся витки первичной обмотки, 8ы-м. слоем 21 виток четвертой обмотки. Между каждым слоем прокладываем изоляцию из тонкой трансформаторной бумаги.

Дроссель L2 намотан на ферритовом кольце типа М2000НМ размером К20х10х5 скрученным между собой двойным проводом МГТФ-0,12 и состоит из 30 витков. Дроссель L5 намотан на ферритовом стержне  М600НМ диаметром 8мм. и длиной 20мм. и  содержит 20 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,9мм.

Напряжение 5 В поступает на микроконтроллер DD6, после сброса регистров которого происходит инициализация всех портов ввода вывода. RA0(2) настраивается как 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь. RA3(5) - вход опорного напряжения,  которое формируется цепочкой VD18 R57 R59 C31 и подстраивается с помощью резистора R57. С портов RA1 (3), RA5(7) логическими уровнями происходит управление адресами аналогового коммутатора DD3. По очереди происходит опрос напряжения на аккумуляторах GB1, GB2 и шунтах R41, R42. Выходное напряжение с ножки 3 DD3 поступает на неинверсный вход операционного усилителя DA1, коэффициент усиления которого составляет около 4. На инверсную ножку операционного усилителя DA1 с делителя R1 подается напряжение смещения, для достижения полного измеряемого диапазона с 0,6 до 1,6 В, равного 1 В.

Индикация всех режимов осуществляется графическим индикатором HG1. Данный индикатор рассчитан на рабочее напряжение 3 В, поэтому для его питания используется параметрический стабилизатор, собранный на R32, VD1. Управление индикатором осуществляется с портов микроконтроллера через делители напряжения, собранные на R15-R22, R29 R30. С ножки RB0 DD6 происходит переключение управляющий код/данные, с RB1 - выбор устройства, с RB2 - сброс индикатора, RC3-RC5 передаются стробирующие импульсы и данные.

Транзисторные ключи VT3, VT4 и нагрузочные резисторы R35, R36 используются для разряда аккумуляторов ШИМ-импульсами с портов RC1, RC2 микроконтроллера. Микросхема DD7 и инверторы, собранные на VT1, VT2, R25- R28, служат для переключения ШИМ-импульсов между разрядно-зарядными ключами с портов RC0, RC4 микроконтроллера DD6. Во время зарядки используются преобразователи напряжения, собранные на\/Т7-VT10, R45-R54, VD13, VD14, С24, С25, и накопительные дроссели L3, L4. Дроссель L6 служит для предотвращения проникновения помех от преобразователей зарядной цепи на шины питания микроконтроллера. Кнопки SB1-SB3 предназначены для перемещение вверх/ вниз по меню и ввода режима работы.

.

Рассмотрим экранные формы после  включения устройства. На короткое время на индикаторе появляется заставка, затем появляется меню выбора типа аккумулятора (рис.2). Кнопками SB1 (Up), SB2 (Down) выбирают, какой емкости аккумулятор установлен для зарядки / разрядки.

 

 

 

 

После нажатия кнопки SB3 (Enter)

 

 

 

переходим в меню выбора режима заряда или раз ряда (рис.3). Кнопками Up, Down выбирают режим, а затем - Enter, далее переходят в рабочий режим (рис.4). Загораются светодиоды HL3, HL4, и начинается заряд или разряд. На индикаторе также отображается время заряда / разряда. Если аккумулятор разрядится ниже 1 В, индицируемое время и напряжение на аккумуляторе останавливаются. Гаснет соответствующий светодиод, и появляется надпись «Стоп». Разряд осуществляется нестабильным током около 0,05С.