IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

В представленной работе рассматривается вариант курсового проекта по  разработке автоматического зарядного устройства с функцией полного разряда для предотвращения возникновения «эффекта памяти» при эксплуатации Ni-MH и Ni-Cd аккумуляторов. Разработка электрической принципиальной схемы устройства ведётся с применением  системы автоматизированного проектирования и компьютерного моделирования Multisim 10.

Проектирование электронных устройств - сложный процесс, включающий в себя этапы разработки структурной (функциональной) и электрической принципиальной схем, этап моделирования, этап изготовления и испытаний разработанного устройства.

Существует большое количество систем проектирования, позволяющих упростить и ускорить этот процесс и предназначенных для автоматизации этапов разработки электрических схем, проектирования монтажных плат и моделирования работы устройства для проверки правильности функционирования до этапа изготовления.

В работе используется Multisim 10 - пакет программ для моделирования электронных схем и разводки печатных плат. В системе Multisim 10 реализовано большое количество функций для профессионального проектирования, ориентированных на самые современные средства моделирования, улучшенную компонентную базу данных и расширение пользовательского сообщества. Компонентная база данных включает в себя более 1200 новых элементов и более 500 моделей от ведущих производителей - Analog Devices, Linear Technology и Texas Instruments, а также более 100 моделей импульсных источников питания.

Совместное использование Multisim 10.0 и технологии виртуальных приборов, позволяет применять его в учебных и инженерных задачах на всех этапах проектирования, включая изучение теории, создание принципиальной схемы и моделирование, изготовление прототипа и проведение тестовых испытаний.

1. Особенности функционирования зарядного устройства

1.1. Принцип работы

Рассмотрим задачу разработки автоматического зарядного устройства для зарядки Ni-MH или Ni-Cd аккумуляторных батарей. Зарядное устройство должно иметь функцию разряда батареи до напряжения 1В на аккумулятор, автоматически отключать заряжаемую батарею по окончании заряда. Зарядка должна осуществляться стабильным током.

В разрабатываемом зарядном устройстве для определения момента завершения зарядки аккумуляторов предлагается предусмотреть контроль напряжения на каждом элементе.  При этом отключение батареи необходимо  производить при достижении напряжения 1,45 В на элемент. Например, при зарядке батареи из двух аккумуляторов АА отключение производится при напряжении на батарее 2,9 В.

Уменьшение разрядного напряжения, наблюдаемое при частых и долгих перезарядах, может быть устранено при периодическом осуществлении нескольких разрядов до 1 В. При эксплуатации Ni-Cd аккумуляторов при постоянных неполных разрядах (до напряжения, большего 1В) возникает «эффект памяти». Этот эффект проявляется в том, что емкость аккумулятора уменьшается. Для восстановления свойств аккумулятора достаточно проводить полные разряды до напряжения 1В на элемент. Такие разряды достаточно проводить 1 раз в месяц. Проводить их чаще не рекомендуется, т. к. при этом сокращается срок службы батареи. Разряжать аккумуляторы до напряжения, меньшего 1В, нельзя.

1.2. Алгоритм работы зарядного устройства.

В соответствии с требованиями к разрабатываемому зарядному устройству составим алгоритм его функционирования (рис. 1.1).

При включении питания происходит установка начального состояния - зарядное устройство включает аккумуляторы на зарядку. Через каждые 2 минуты зарядный ток выключается на 1 с и производится контроль ЕДС на батарее. Если ЕДС достигла 2,9 В, то зарядный ток снова не включается - батарея заряжена. Если в процессе зарядки нажата кнопка «разрядка», то к батарее подключается нагрузочный резистор и начинается процесс разряда до напряжения 2 В (1 В на элемент). По окончании разряда нагрузка отключается и включается зарядный ток.

1.3  Структура зарядного устройства

Исходя из предложенного алгоритма функционирования, структурная схема разрабатываемого устройства должна иметь вид, представленный на рис. 1.2. Основа устройства - триггер Шмидта, совмещенный со схемой блокировки и предустановки. Он осуществляет контроль напряжения на батарее и управление работой генератора. В свою очередь генератор может блокировать работу триггера Шмидта. Триггер Шмидта также переключает триггер режима по окончании разряда аккумулятора. Триггер режима управляет ключом, подключающим нагрузочный резистор.   

Питание стабилизатора тока осуществляется от нестабилизированного источника, а питание узлов устройства осуществляется от стабилизатора напряжения.

2. Разработка принципиальной схемы

Разработав структурную схему, используя базу данных системы Multisim 10.0, можно получить электрические схемы каждого функционального элемента и электрическую схему всего зарядного устройства. 

2.1. Стабилизатор тока

Схема стабилизатора тока показана на рис. 1.3.

Стабилизатор тока выполнен на транзисторе VT2. Источником образцового напряжения является светодиод HL1, одновременно индицирующий о протекании зарядного тока. Зарядный ток задается резистором Rэ. Включается стабилизатор тока при открывании транзистора VT1. Резистор Rб ограничивает ток базы VT1. Диод Шоттки VD препятствует разряду аккумуляторной батареи через устройство при отключении напряжения в сети. Использование диода Шоттки позволило снизить падение напряжения на нем (U_VD=0,3В). Благодаря этому минимально допустимое напряжение источника питания может быть ниже. Оно определяется по формуле:

U_{пит min} = U_{бат. max} + U_VD + U_{ст. min},

где U_{бат. max} - максимально возможное напряжение на батарее, равное 2,9 В, U_{ст. min} - минимальное падение напряжения на стабилизаторе тока, необходимое для его нормальной работы (U_{ст. min}=2,8...3В). Таким образом, U_{пит min} = 6 В.

Расчет стабилизатора тока

Для зарядки аккумулятора емкостью С=2600 мА∙ч, зарядный ток  должен быть Iз=Iк=0,177∙С=460,2 мА≈460 мА.

, где  - статический потенциал  открытого перехода эмиттер-база, =0,6...0,8 В для кремниевых транзисторов.

Из этого следует, что:

,

где Uб - напряжение источника опорного напряжения (напряжение на светодиоде).

Выберем светодиод красного цвета свечения АЛ307Б. Падение напряжения на нем составляет ≈1,8 В. В качестве VT2 используем транзистор КТ816Г. h21э примем равным 50. Ом

Мощность, выделяемая на Rэ P_Rэ=  Вт. Практика показывает, что даже двухваттный резистор МЛТ-2 при такой рассеиваемой мощности значительно нагревается. Поэтому в качестве Rэ выбираем 2 включенных параллельно резистора МЛТ-1 сопротивлением 4,7 Ом.

Рассчитаем сопротивление ограничительного резистора Rогр:

,

где  - прямое напряжение светодиода HL1,  - напряжение КЭ насыщения транзистора VT1. I_HL1 - ток через светодиод (для АЛ307Б I_HL1 =10мА).

В качестве VT1 будем использовать транзистор КТ315Б. =0,4 В.

Rогр=(6-1,8-0,4)/10=380 Ом ≈390 Ом.

Расчет резистора Rб:,

где Uвх - входное напряжение высокого логического уровня (для микросхем КМОП принимается равным напряжению питания микросхемы U_вх=4,7В),  - температурный потенциал;

 - постоянная Больцмана;  - универсальная газовая постоянная;  - элементарный заряд электрона;  - число Фарадея.

, где β - минимальный статический коэффициент передачи тока базы транзистора VT1 (дла КТ315Б β=50).

I_б=10/50=0,2 мА

ψ_T=8,314∙300/9,6484∙10⁴=0,0258 В (для Т=27^оС=300К)

R_б=(4,7В - 0,7 - 0,0258)/0,2=19 кОм

Это максимально допустимое сопротивление резистора, при котором ключ еще будет открываться. Для надежного открывания ключа этот резистор рекомендуется взять меньшего сопротивления, например, 10 кОм.

Через диод VD1 протекает ток 460 мА. Для надежной работы максимально допустимый прямой ток диода должен быть хотя бы в два раза больше. Обратное напряжение на диоде не превышает 2,9 В (максимальное напряжение на батарее). Исходя из этого выбираем диод Шоттки 1N5817 (максимальный прямой ток 1А, максимальное обратное напряжение 20В).

2.2. Генератор

Возможные схемы генератора показаны на рис. 1.4 (а, б). Схема на трех логических элементах лучше поддается моделированию, однако схема на рис. 1.4, а) проще.

Генератор импульсов собран на элементах DD1.1 и DD1.2 по стандартной схеме. Частота следования импульсов определяется конденсатором  С1 и резисторами R1 и R2. Длительность импульса определяется резистором R1, а длительность паузы - резистором R2.

Расчет генератора

Генератор и другие узлы зарядного устройства выполним на микросхемах КМОП. Микросхемы, выполненные по этой технологии, имеют очень низкое энергопотребление, а также они простоты в изготовлении и, следовательно, дешевы. Их недостаток невысокое быстродействие. Однако это не является существенным в данной схеме, т. к. в ней протекают медленно изменяющиеся во времени процессы. Нам необходимы элементы 2И-НЕ, поэтому выбираем микросхему К561ЛА7, содержащую 4 таких элемента.

Длительность импульса генератора определяется по формуле t_и=1,1∙R₁∙C₁, а длительность паузы - t_п=0,7∙R₂∙C₁.

Поскольку длительность импульса составляет достаточно большой промежуток времени (130 с.), емкость конденсатора С1 должна быть достаточно большой (десятки микрофарад). Выберем в качестве С1 неполярный конденсатор емкостью 33 мкф на напряжение 16 В. Использовать полярный конденсатор нельзя, т. к. в процессе работы генератора напряжение на обкладках конденсатора меняет полярность. Тогда:

R1=t_и/(1,1∙C₁), R2= t_п/(0,7∙C₁), емкость конденсатора задается в фарадах, длительность импульса - в секундах, а сопротивление резистора получается в омах.

R1=130/1,1∙33∙10^-6=3,58∙10⁶ Ом≈3,6 МОм.

R2=1/0,7∙33∙10^-6=0,0433∙10⁶ Ом. Выбираем стандартный номинал 39 кОм.

В качестве VD1 можно использовать любой диод. Выбираем широко распространенный диод КД522Б (ближайший аналог - 1N4148).

2.3. Триггер Шмидта                                         

Схема триггера Шмидта на двух инверторах приведена на рис. 1.5, а. Инверторы охвачены обратной связью через резистор R2.

Пороги включения U_вкл и выключения U_выкл такого триггера можно найти по формулам [9]:

,

,

где U_пор - пороговое напряжение элемента, которое для микросхем КМОП близко к половине напряжения питания. С учетом этого формулы для U_вкл и U_выкл примут вид:

,                       (1.1)

Ширина петли гистерезиса (U_вкл - U_выкл) не зависит от U_пор и равна:

       (1.2)

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу триггера Шмидта, показаны на рис. 1.6. Как видно из рисунков, порог включения выше порога выключения.

Шмидта, полученные в системе Multisim: а) пороги переключения, б) петля гистерезиса

Триггер Шмидта со схемой управления и блокировки показан на рис. 1.5 (б).

Триггер Шмидта образован элементами DD1.3, DD2.1, DD2.2, DD1.4 и резисторами R1, R1´, R2 (на общей схеме - R8, R9, R6). Контролируемое напряжение снимается с делителя R_д1, R_д2 (R16, R17). Цепь Rc1, Rc2, Cc (R20, R21, C3) устанавливает устройство в начальное состояние при включении питания. Номиналы элементов этой цепи выбираются исходя из того, что цепь должна формировать при включении питания импульс низкого уровня достаточной длительности и амплитуды, а напряжение на 6 выводе DD2.2 во время работы устройства должно соответствовать лог. 0.

Расчет триггера Шмидта:

Ширина петли гистерезиса равна разности максимального (2,9 В) и минимального (2 В) напряжения на батарее. Следовательно, U_г = 2,9 - 2 = 0,9 В. Примем напряжение питания микросхем равным U_пит=4,7 В.

1) По формуле (1.2) определяем R1/R2:

R1/R2=0,9/4,7=0,191

2) При этом Uвкл и Uвыкл равно:

U_вкл=(4,7/2)∙(1+0,191)=2,799 В

U_выкл=(4,7/2)∙(1 - 0,191)=1,901 В

3) Рассчитываем делитель напряжения. Для этого необходимо задаться минимальным током I_{д мин.} через него. Поскольку у микросхем КМОП большое входное сопротивление, то этот ток может быть маленьким. Пусть I_д = 0,05 мА = 50 мкА. Тогда:

R_д1+R_д2=U_{бат. мин.}/I_{д мин.},

где U_{бат. мин.} = 2В- минимальное напряжение на батарее.

R_д1+R_д2=2/0,05=40 кОм

R_д2=U_вкл/I_{д макс.}= U_вкл.∙( R_д1+R_д2)/ U_{бат. макс.},

где U_{бат. макс.} = 2,9В- максимальное напряжение на батарее.

R_д2=2,799 ∙40/2,9=38,6 кОм.

Сопротивление этого резистора возможно придется подобрать, поэтому он должен быть подстроечным. Выбираем многооборотный резистор СП5-2 номиналом 47 кОм и включаем его реостатом.

R_д1= (R_д1+R_д2) - R_д2=38,6 - 40 = 1,4 кОм. Выбираем резистор из стандартного ряда значений 1,3 кОм (меньше или равен расчетному).

Определяем напряжение на R_д2 при минимальном напряжении батареи:

U´_выкл=R_д2∙I_{д мин.}=38,6∙0,05=1,93 В

Это напряжение приблизительно равно U_выкл. В случае значительного расхождения необходимо повторить пункты 1 - 3 данного расчета, взяв

U_г=U_вкл - U´_выкл.

4) Рассчитаем R1 и R2. Для этого зададим сопротивление резистора R2. Пусть R2=1 МОм= 1000 кОм, тогда R1=(R1/R2)∙R2=0,191∙1000=191 кОм. Используем в качестве R1 последовательно соединенные постоянный и подстроечный резисторы. Сопротивление постоянного резистора возьмем равным 150 кОм, а подстроечного - 47 кОм. В сумме выходит 197 кОм.

Точно пороги срабатывания триггера Шмидта настраивают подстроечными резисторами R1´ и R_д2.

Если необходимо повысить нижний порог срабатывания триггера Шмидта, то сопротивление резистора R1´ необходимо уменьшить. Если необходимо повысить верхний порог срабатывания триггера, то необходимо уменьшить сопротивление резистора R_д2. При изменении сопротивления одного из резисторов необходимо снова отрегулировать другой резистор.

Триггер режима и ключ разрядки

Схема триггера режима и ключа разрядки показана на рис. 1.7.

На элементах DD2.3, DD2.4 собран RS-триггер, определяющий режим работы устройства. Этот триггер управляет ключом на транзисторе VT3, подключающим нагрузочный резистор Rн при разряде. Режим разряда индицирует светодиод HL2. Резистор Rогр ограничивает ток через светодиод. Ключ рассчитывается по формулам, аналогичным формулам для расчета ключа, включающего стабилизатор тока.

В качестве VT3 выберем транзистор КТ815А. Uкэ нас. =0,6 В.

I_б=100/70=1,42 мА

R_б=(4,7В - 0,7 - 0,0258)/1,57=2,79 кОм≈2,7 кОм (стандартное значение)

R_н=(U_{бат. ср.} - U_{кэ нас.})/I_н, где I_н - ток разряда (100 мА), U_{бат. ср.}=2,45 В - среднее напряжение на батарее.

R_н=(2,45 - 0,6)/0,1=18,5 Ом≈20 Ом.

R_огр рассчитывают с учетом максимально возможного напряжения на батарее (чтобы светодиод не вышел из строя при случайном включении разряда только что заряженной батареи).

R_огр=(U_{бат. макс.} - U_{кэ нас.} - U_HL2)/I_HL2=(2,9 - 0,6 - 1,8)/0,01=50 Ом ≈ 51 Ом.

Следует отметить, что при напряжении батареи близком к 2 В светодиод будет светить слабо.

2.4. Стабилизатор напряжения

Схема стабилизатора напряжения приведена на рис. 1.8.

Стабилизатор напряжения выполнен на микросхеме DA1, представляющей собой параллельный интегральный стабилизатор. Резисторы R4, R5 задают напряжение стабилизации 4,7В, резистор R12 ограничивает ток через стабилизатор, а конденсатор С2 (совместно с резистором R12) образует сглаживающий фильтр. Применение интегрального стабилизатора позволило значительно повысить стабильность напряжения питания автоматики устройства по сравнению с применением стабилитрона. Благодаря этому порог отключения батареи практически не изменяется при колебаниях напряжения сети.

R12=(U_вх.- U_пит.)/(I_{ст. мин..}+I_дел.+I_{н. макс.}). Где I_{ст. мин..} - можно принять равным 1 мА,

I_{н. макс.} =5 мА - максимальный ток нагрузки, I_дел. =0,8 мА - ток делителя напряжения.

R12=(6 - 4,7)/(1+0,8+5)=0,19 кОм=190 Ом≈200 Ом

Выходное напряжение стабилизатора определяется по формуле U_пит.=2.5·(1+R4/R5).

R4+R5=U_пит/ I_дел.=4,7/0,8=5,6 кОм

R5=2,5∙(R3+R2)/U_пит=2,5∙5,6/4,7=2,97≈3 кОм

R4=5,6 - 3 = 2,6 кОм≈2,7 кОм

2.5. Схема электрическая принципиальная

После того как получили электрические схемы каждого функционального модуля и соединили все элементы связями (рис. 1.2.), получаем электрическую схему всего зарядного устройства. С учетом элементов индикации, подстройки и согласования результирующая схема примет вид, представленный на рисунке 1.9.

3. Моделирование работы зарядного устройства в системе Multisim

Программный комплекс Multisim способен моделировать работу как  каждого транзистора в логической схеме, так и крупных блоков из которых состоит устройство. Процесс моделирования всей схемы, учитывая все транзисторы в каждой из микросхем, установленных на большой плате, занимает достаточно долгое время. При этом программа последовательно проходит каждую ветвь, запуская каждый источник сигнала, рассчитывая сигналы на входах всех приемников для положительных и отрицательных переходов входных сигналов. Затем путем анализа полученного набора принятых сигналов формируются значения времени установления и перекрестных помех в каждой ветви, соответствующие наихудшему случаю.

Рассмотрим результаты моделирования процесса функционирования  разработанного зарядного устройства. На рис. 1.10 представлены временные диаграммы сигналов на входе и выходе устройства. Анализ результатов моделирования показывает, что разработанное устройство функционирует в соответствии с заданием,  следовательно, можно приступать к изготовлению прототипа и проведению его тестовых испытаний.

Заключение

На примере задачи разработки автоматического зарядного устройства для зарядки Ni-MH или Ni-Cd аккумуляторных батарей рассмотрены возможности  автоматизированного проектирования электронных устройств с использованием системы Multisim 10.0. При этом этапы проектирования включают в себя подготовительные этапы - разработку алгоритма функционирования устройства, в соответствии с техническим заданием и разработку структурной схемы устройства для реализации полученного алгоритма, и непосредственно разработку электрических принципиальных схем (и, при необходимости, печатных плат) устройства с использованием элементов базы данных и моделирования работы устройства  системы  Multisim 10.0 в соответствии с разработанной структурной схемой.  

Код для цитирования: Скопировать