Рассмотрение устройства для заряда автомобильного аккумулятора. Импульсное автоматическое зарядное устройство "ЗУ-3000". Структурная схема зарядного устройства. Последовательность сборки проектируемого устройства. Техника безопасности во время пайки.
Если рассмотреть устройство для заряда автомобильного аккумулятора, то это устройство является одним самых востребованных, так как аккумуляторная батарея является одним из важных элементов современного автомобиля густо начиненного всевозможной электроникой - от систем зажигания до систем безопасности, навигации. Срок службы аккумулятора зависит от степени ее заряженности. В общем и целом, импульсное зарядное устройство для аккумулятора автомобильного максимально автоматизировано, им намного труднее испортить аккумулятор при зарядке. ЗУ-3000 предназначено для зарядки и восстановления автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей емкостью 40-75А/ч с автоматической стабилизацией напряжения и тока на разных этапах процесса зарядки и автоматическим переходом в режим дозарядки и сохранения энергии АКБ малым током, при достижении им определенного напряжения. Схема импульсного автоматического зарядного устройства для ИБП работает в таком режиме: питание 220В подается через фильтр на диодный мост, далее с диодного моста сигнал подается на инвертор, с инвертора сигнал поступает на выпрямитель, далее с выпрямителя сигнал на ограничитель тока зарядки, с этого элемента сигнал поступает на генератор для преобразования, с генератора на инвертор через выпрямитель на аккумулятор для заряда.На схеме электрической принципиальной конденсаторы С1,С3 были выбраны типа КМ-5б. Конденсаторы С4, С7-С9, были выбраны типа CL-21.Конденсатор С5-С6-ECAP К50-35.Конденсатор С2-полярный Т110 Конденсаторы этого типа используются в DC цепях и приложениях с высоким импульсным напряжением, в энергосберегающих лампах и электронных балластах ламп. Конденсаторы также могут применяться в качестве фильтров, для подавления помех в схемах с малым импульсным напряжением. В самом начале зарядки прибор будет подавать напряжение с силой тока в 6-8 ампер, но по мере зарядки, сила тока будет уменьшаться.
Введение
Проблемой систем современных промышленных и бытовых систем автоматики и электроники являются перепады напряжения и сбои в подаче электроэнергии. Перед перепадами и сбоями напряжения зависят устройства: начиная от холодильника и автономного автоматического объекта, до персонального компьютера, работающего от сети. Застраховаться от подобных неприятностей возможно с помощью источника бесперебойного питания (ИБП).
Самой главной функцией, выполняемой источником бесперебойного питания, является функция обеспечения электроэнергией подключенной к нему нагрузки в момент пропадания сетевого питающего напряжения. Как известно, для этих целей в состав входит аккумуляторная батарея и инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного тока аккумулятора в переменный ток, требующийся для питания нагрузки. Эти компоненты, безусловно, являются важнейшими в составе но и еще без одного элемента невозможно представить себе ни один источник бесперебойного питания. Это - зарядное устройство.
Основной функцией зарядного устройства, является обеспечение зарядки аккумуляторной батареи и дальнейшее поддержание этого заряда на соответствующем уровне. Функционирование зарядного устройства, т.е. подзарядка аккумулятора осуществляется в те периоды времени, когда на входе имеется сетевое питающее напряжение.
Если рассмотреть устройство для заряда автомобильного аккумулятора, то это устройство является одним самых востребованных, так как аккумуляторная батарея является одним из важных элементов современного автомобиля густо начиненного всевозможной электроникой - от систем зажигания до систем безопасности, навигации. Срок службы аккумулятора зависит от степени ее заряженности. Срок службы аккумулятора не превышает 5 лет и для продления срока службы очень важно, чтобы аккумулятор был всегда заряжен. Поэтому это устройство необходимо для заряда аккумуляторов. Оно будет удобно в использовании так как оно автоматическое, достаточно его включить и настроить, дальше заряд аккумулятора происходит автоматически до нужных условий.
Импульсное зарядное устройство для автомобильного аккумулятора все же имеет преимущества и помимо веса и цены. На них зачастую ставится много защитных механизмов, которые значительно упрощают жизнь автолюбителю. На таких устройствах, как правило, есть индикация короткого замыкания, оно показывает вам, что вы неправильно подсоединили клеммы, и так далее. В общем и целом, импульсное зарядное устройство для аккумулятора автомобильного максимально автоматизировано, им намного труднее испортить аккумулятор при зарядке. Обратная же сторона такого решения - в случае поломки владелец наверняка не сможет сам починить устройство. Но в таком случае импульсное зарядное устройство для автомобильного аккумулятора, цена которого значительно ниже трансформаторного, зачастую, просто меняется на новое.
1. Обзор устройств данного класса
Выделяют три основных метода, благодаря которым, собственно и происходит зарядка аккумуляторов: - Зарядка постоянным напряжением - производится при помощи непосредственного контакта АКБ и электросети. С помощью такого зарядного устройства можно не только полностью заряжать аккумулятор, но и частично его подзаряжать, когда требуется его максимальный запас энергии. Важно контролировать процесс, а также для обеспечения безопасности рекомендуется изъять аккумулятор из авто.
- Зарядка постоянным током - сила тока не должна превышать десятой части от емкости аккумулятора, иначе процесс может иметь массу нежелательных явлений, таких как кипение электролита, либо выделение обильных клубов пара. Чтобы этого не допустить, также важно знать уровень заряда самого аккумулятора. Главным недостатком метода является именно самостоятельный контроль за ходом всех процессов. Каждые 30-50 минут придется замерять силу тока и регулировать ее, относительно емкости заряжаемого аккумулятора.
? Комбинированный метод - его принцип крайне прост: вначале подается постоянное напряжение, сила которого регулируется автоматически. Спустя какое-то время завершение происходит при помощи воздействия постоянного тока. Это удобно, поскольку все процессы автоматизированы, и нет необходимости постоянно контролировать, на каком этапе находится процесс.
В зависимости от этого зарядные устройства принято делить на две группы: ? зарядные или зарядно-предпусковые - осуществляют подзарядку непосредственно от сети, при этом аккумулятор в это время может свободно использоваться.
? зарядно-пусковые - зарядка происходит в автономном режиме. Зарядно-пусковые зарядные устройства по принципу работы могут быть двух видов: ? Импульсные - воздействуют токами высоких частот, имеют небольшие габариты.
? Трансформаторные - громоздкие машины, 90% объема и веса которых занимает сам трансформатор.
1.1 Импульсное автоматическое зарядное устройство “ЗУ-3000”
Зарядное выполнено по современной технологии на основе интегрального ШИМ-стабилизатора. ЗУ-3000 предназначено для зарядки и восстановления автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей емкостью 40-75А/ч с автоматической стабилизацией напряжения и тока на разных этапах процесса зарядки и автоматическим переходом в режим дозарядки и сохранения энергии АКБ малым током, при достижении им определенного напряжения.
Рисунок 1 Импульсное автоматическое зарядное устройство “ЗУ-3000”
? Выходное стабилизированное напряжение в начальном этапе зарядки: 16B
?Ограничение зарядного тока: 4А и 6А с оптической обратной связью.
? Выбор ручного или автоматического режима работы зарядного устройства.
?Защита от короткого замыкания на выходе и неправильного подключения (переполюсовки) клемм аккумулятора с встроенными цепями автоматического перезапуска и поциклового ограничения тока.
? Принудительное охлаждение элементов схемы и встроенная система тепловой защиты.
? КПД преобразователя: 90%
? Светодиодная индикация режимов работы. Внешние соединения и органы управления Передняя панель: 1. Переключатель режимов работы ручной/автоматический. 2. Переключатель ограничения тока зарядки. 3. Светодиодный индикатор напряжения. 4. Световой индикатор ограничения тока зарядки зеленого свечения. 5. Световой индикатор ограничения напряжения зарядки красного свечения. 6. Выход /-. 7. Зажим красный ( ). 8. Зажим черный (-).
? Предохранитель 10А (прилагается запасной в случае выхода из строя установленного).
На задней панели устройства расположен провод для подключения к сети переменного тока 220В и выключатель питания.
Рисунок 2 Импульсное автоматическое зарядное устройство “ЗУ-3000”
1.2 Автоматическое импульсное зарядное устройство - 12V TESLA ЗУ-10630
TESLA ЗУ-10630 - автоматическое импульсное зарядное устройство 12V,3.2A,1.2-120AHR,3 режима, импульсный, светодиодная индикация.
3-режимное зарядное устройство, которое подходит для зарядки АКБ автомобилей, фургонов, мотоциклов, катеров, др. Прибор имеет компактный размер
Особенности: Импульсное зарядное устройство.
Три режима зарядки: -Мотоциклы: 1,2-14 А/ч; DC 14,4 В/0,9А - Автомобили: 14-120 А/ч; DC 14,4 В/3,2А - Температура окружающей среды ниже 0 град.С: 14-120 А/ч; DC 14,7В/3,2А - Светодиодная индикация.
- Светодиодная индикация уровня заряда АКБ
- Компактный ударопрочный корпус
- Функция защиты от короткого замыкания
- Функция автоматического отключения
- Функция защиты от перезарядки
- Функция защиты от неправильного подключения
Поддерживается зарядка автомобильных аккумуляторов емкостью до 120 А/ч. Технические характеристики: - Силовой провод - 1,7 м со штекером европейского стандарта
- Зарядный провод- 1,4 м с клеммами красного/черного цвета
- Ток заряда: 3,2 А - Входное напряжение и частота: 220-240 В/50Гц
Рисунок 3 TESLA ЗУ-10630
1.3 Зарядное устройство ELITECH12-24в 1КВТ
Предназначены для зарядки севших аккумуляторных батарей от автомобилей, мотоциклов, генераторов и другого оборудования оснащенного аккумуляторами. Оптимальны для гаражного, домашнего и сервисного применения.
Оснащение: -2 режима заряда аккумулятора стандарт/быстрый
-Переключение заряда 12/24 В
-Амперметр - отображает ток зарядки
-Сменный предохранитель на 40А - защита от перегрузки
1.4 Зарядное устройство QUATTRO ELEMENTI i-Charge 7 полный автомат 771-695
Зарядное устройство QUATTRO ELEMENTI i-Charge 7 полный автомат 771-695 благодаря схеме, основанной на высокочастотном преобразовании бережно снабжает аккумуляторные батареи автомобилей и мотоциклов качественным электрическим зарядом. Подключение к аккумулятору производится посредством специальных зажимов (крокодилов), которые обеспечивают надежный контакт без потери тока номинальным значением 2.5 А и 3 А для двух режимов - 6В и 12 В соответственно.
Визуальный контроль: Наблюдение за всеми параметрами рабочего процесса зарядного устройства QUATTRO ELEMENTI i-Charge 7 полный автомат 771-695 осуществляется с помощью цифрового дисплея и световых индикаторов.
Преимущества: -Малые размеры и вес;
-Сенсорное управление;
-Индикация уровня заряда батареи;
-Напряжение/максимальный ток заряда - 6 и 12 В/3.5 и 4.5 А;
-Тестирование батареи;
-Защита от короткого замыкания;
-Защита от неправильной полярности;
-Защита от перегрузки;
-Не требует специального обслуживания.
Технические характеристики QUATTRO ELEMENTI i-Charge 7 771-695: -Для аккумуляторов напряжением, В: 6/12
-Напряжение питания, В: 220
-Max ток зарядки, А: 4.5
-Тип зарядки: автоматическая
-Зарядка щелочных аккумуляторов: нет
-Вес, кг: 1
-Min емкость аккумулятора, А/ч: 30
-Max емкость аккумулятора, А/ч: 80
-Max потребляемая мощность зарядки, Вт:: 110
Рисунок 5 Зарядное устройство QUATTRO ELEMENTI i-Charge 7
2. Анализ технического задания
Необходимо разработать устройство зарядного автоматического и изготовить действующий макет. Для этого необходимо провести анализ электрической схемы - как работает рассматриваемое электрооборудование. Должны быть указаны все электрические узлы цепи и вид связи между ними. Что бы разобраться в возможных неисправностях и способах их устранения, нужно проанализировать схему электрическую принципиальную и схему структурную. Необходима разработка печатной платы. Так же нужно выполнить подбор элементной базы. В данном устройстве все элементы будут заменены на западные аналоги, т.к их характеристики во многом превосходят характеристики элементов предлагаемых у электрической схеме.
Схема электрическая принципиальная -необходима для понятия как связанны между собой элементы и как работает устройство.
Схема структурная - служит для упрощения восприятия схемы электрической принципиальной. На ней показано, какие блоки, с какими взаимодействуют.
Расчетная часть - в ней производятся расчеты надежности, что бы понять как долго прибор может работать до поломки.
Выбор и обоснование ЭРЕ-в этом разделе будут выбраны и обоснованы все элементы схемы электрической принципиальной.
Описание конструкции- в разделе производится описание и разработка конструкции для устройства.
Технологическая часть- в данном разделе описывается технологический процесс изготовления данного устройства, алгоритм разведения печатной платы, процесс установки элементов на плату.
Техника безопасности и охрана окружающей среды - дает необходимые сведения, что бы не получить травмы и другие негативные воздействия при проведении ремонта.
Экономическая часть- в разделе выполняется расчет затрат на элементы устройства, на изготовление корпуса, на вспомогательные элементы для сборки зарядного устройства.
3. Анализ схемы структурной
В ней представлены такие блоки как: Стабилизатор напряжения, выпрямитель, зарядка, ограничитель тока зарядки, генератор, инвертор, диодный мост. Фильтр, устройство контроля зарядки.
Стабилизатор напряжения: электромеханическое или электрическое (электронное ) устройство, имеющее вход и выход по напряжению , предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки.
Выпрямитель: - преобразователь электрической энергии ; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае - в постоянный выходной электрический ток.
Генератор является основным источником электрической энергии и служит для питания потребителей во время работы двигателя и заряда аккумуляторной батареи.
Диодный мост: электрическая схема, предназначенная для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий
Фильтр: он играет роль высокочастотного фильтра и нейтрализует помехи, которые могут поступать от сети
Инвертор: это преобразователь постоянного тока в переменный (220 вольт). Источниками постоянного тока 12 вольт являются аккумуляторные батареи (АКБ)
Устройство контроля зарядки: служит для контроля заряженности аккумулятора, т.е когда АКБ зарядился, данный элемент в схеме подает сигнал что зарядка АКБ не требуется.
Ограничитель тока зарядки: это своего рода регулятор, который позволяет уменьшить или увеличить ток зарядка аккумулятора,при этом напряжение зарядки остается неизменным.
Схема импульсного автоматического зарядного устройства для ИБП работает в таком режиме: питание 220В подается через фильтр на диодный мост, далее с диодного моста сигнал подается на инвертор, с инвертора сигнал поступает на выпрямитель, далее с выпрямителя сигнал на ограничитель тока зарядки, с этого элемента сигнал поступает на генератор для преобразования, с генератора на инвертор через выпрямитель на аккумулятор для заряда. Далее когда аккумулятор зарядился с него снимается сигнал и поступает на стабилизатор напряжения, с этого элемента он уходит на устройства контроля зарядки, далее сигнал поступает на генератор и устройство перестает заряжать аккумулятор, но оно подключено в сеть и потребляет очень малую энергию.
Рисунок 6 Схема структурная зарядного устройства
4. Анализ схемы электрической
Схема устройства показана на формате А1. Оно содержит полумостовой инвертор на транзисторах VT3, VT4 и конденсаторах С7, С8. Для внешнего возбуждения инвертора применен генератор на микросхеме КР1211ЕУ1 (DA3), который вырабатывает противофазные импульсы с разделительными паузами, исключающими возникновение сквозного тока через транзисторы инвертора. Частота импульсов (около 50 КГЦ) определяется цепью R6C1.
Первоначальное питание генератора на микросхеме DA3 осуществляется от заряжаемой батареи через стабилизатор напряжения на микросхеме DA2, поэтому включение устройства в сеть без батареи не приводит к запуску инвертора, потребляемый ток практически равен нулю. Подключение батареи запускает генератор, что вызывает протекание импульсного тока в первичной обмотке I трансформатора Т2 и появление импульсного противофазного напряжения на секциях обмотки II, выпрямляемого диодами VD2 и VD3. Напряжением, снимаемым с выхода выпрямителя, заряжают батарею и питают генератор на микросхеме DA3.
Элементы R1- R5, DA1, VT1 образуют узел, предотвращающий перезарядку батареи. Напряжение батареи, сниженное делителем R1R2, поступает на управляющий вход (вывод 1) микросхемы DA1. Пока напряжение батареи ниже 14 В, ток анода микросхемы DA1 минимален (около 1,2 МА). Создаваемое этим током падение напряжения на резисторе R3 недостаточно для открывания транзистора VT1. Этот транзистор закрыт, на входе FV (вывод 2) микросхемы DA3 присутствует низкий логический уровень, разрешающий генерацию. Когда напряжение батареи достигнет 14...14,2 В, напряжение на управляющем входе (вывод 1) микросхемы DA1 превысит пороговый уровень 2,5 В, ток анода микросхемы DA1 существенно возрастет, транзистор VT1 откроется, на вход FV (вывод 2) микросхемы DA3 поступит напряжение высокого логического уровня, которое остановит генерацию импульсов, в результате чего зарядка батареи будет прекращена.
Транзистор VT2 и резисторы R7-R9 ограничивают максимальный ток зарядки на уровне 6...7 А. Пока ток зарядки меньше допустимого предела, падение напряжения на резисторе R8 (датчике тока) недостаточно для открывания транзистора VT2. Если ток зарядки превысит допустимый предел, транзистор VT2 откроется, ток его коллектора создаст на резисторе R5 и, соответственно, на выводе 2 микросхемы DA3 напряжение высокого логического уровня, которое прекратит генерацию импульсов возбуждения. Диод VD1 ограничивает напряжение на выводе 2 микросхемы DA3 до безопасного уровня.
Емкость конденсаторов С7 и С8 недостаточна для сглаживания пульсаций на удвоенной частоте напряжения сети. Ток зарядки батареи пульсирует с этой частотой. Как показала практика, это не ухудшает качество зарядки батареи и дает возможность отказаться от сглаживающего конденсатора большой емкости, что способствует дальнейшему уменьшению габаритов устройства и снижению нагрева коммутирующих транзисторов VT3 и VT4.
5. Расчетная часть
5.1 Расчет надежности устройства
Надежность - одно из важнейших свойств изделий, в том числе электронных устройств, которое определяет их эксплуатационную пригодность. Показатели надежности являются техническими параметрами изделия наряду с точностью, коэффициентом полезного действия, массогабаритными характеристиками и пр. Техническое задание на разработку любого изделия должно содержать раздел (подраздел) с требованиями по надежности.
Признаки, по которым оценивается надежность изделия, называются критериями. Основными критериями надежности являются безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Только все перечисленные критерии в совокупности могут дать полное представление о надежности изделия. Количественные характеристики определяются количественными значениями критериев надежности и называются показателями.
Ремонтопригодность - среднее время восстановления - верояность выполнения ремонта в заданное время - средняя стоимость технического обслуживания
Сохраняемость Средний срок сохраняемости
Расчет надежности заключается в определении показателей надежности проектируемого изделия по известным характеристикам надежности составляющих элементов конструкции и компонентов системы с учетом условий эксплуатации. Основным показателем безотказности изделия является вероятность безотказной работы Р(?) - безразмерная величина, зависимая от времени наработки ? и изменяющаяся в пределах от 0 до 1. Понятие надежности связано с отказами.
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности. При этом под работоспособностью понимают такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.
Отказы классифицируют по характеру их возникновения на внезапные и постепенные, независимые и зависимые, по внешним проявлениям - на очевидные и скрытые, по объему - на полные (авария) и частичные, по длительности действия - на окончательные (устойчивые) и перемещающиеся (временные).
Для нерезервированных систем на основном временном участке работы, когда приработка изделия завершена и производственные дефекты, если такие выявились, устранены, а износ еще не наступил, то вероятность безотказной работы будет равна: Р(?) = ехр (1) где: - число элементов; - интенсивность отказа 1-го элемента.
То есть, вероятность безотказной работы уменьшается во времени по экспотенциальному закону от значения 1. При этом интенсивность отказов системы
= (2) а среднее время наработки до отказа: Т=1/ (3)
При расчете интенсивности отказов изделия необходимо знать номенклатуру и количество входящих в схему элементов. Так как отказ любого элемента приведет к отказу всей схемы, то расчет интенсивности отказов будем считать по формуле: (4) где: - ? - интенсивность отказов элементов схемы;
- n1, n2,…, nn - количество элементов каждого типа в схеме.
Вероятность безотказной работы называется вероятность того, что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени не произойдет ни одного отказа. Вероятность безотказной работы рассчитывается по формуле: (5) где: - e - основание натурального логарифма
- t - время нормальной работы изделия.
Отказ и безотказная работа являются событиями несовместимыми и противоположными, поэтому: (6)
Средняя наработка на отказ связана с интенсивностью отказов следующим соотношением: (7)
Интенсивность отказов для диодов выпрямительных:
Интенсивность отказов для диода:
Интенсивность отказов конденсаторов элекролитические общего назначения
;
Интенсивность отказов для керамических конденсаторов
;
Интенсивность отказов для конденсаторов металлобумажных
;
Интенсивность отказов для резисторов композиционные
;
Интенсивность отказов для резисторов проволочных
Интенсивность отказов для транзисторов
;
Интенсивность отказов для микросхемы КР1211ЕУ1
;
Интенсивность отказов для стабилитрона
;
Интенсивность отказов для стабилизатора напряжения
Вероятность безотказной работы при t = 1 год = 8760 часов будет равна: ??(??) = ???1,707•10-6•8760 = 0,86, а вероятность на отказ соответственно составит: ??(??) = 1 ? 0,86 = 0,14
Средняя наработка на отказ составит: Тср = =116276 ч., что составит примерно 13 лет
6. Выбор и обоснование ЭРЭ
Резисторы на схеме электрической принципиальной R1-R7,R9 были выбраны типа SMD-чипов. Резисторы R8,R10 были выбраны в качестве резисторов типа SQP
Аббревиатура «SMD» расшифровывается как Surface Mounted Devices, что в переводе на русский язык означает «устройство, монтируемое на поверхность». Резисторы устанавливаются над поверхностью на специальных креплениях. Монтируются же эти устройства на печатных платах. Одно из значительных преимуществ smd-чипов заключается в их небольшом размере. На одной печатной плате можно без труда разместить десятки подобных изделий. Также благодаря высокому качеству и небольшой стоимости, резисторы обрели необычайную популярность на рынке электроники.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
