Введение
Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭАВТ.
Цель курсового проекта – научиться пользоваться нормативно-технической документацией при разработке изделия, изучить порядок построения, изложения и оформления конструкторской документации.
Микроэлектроника, заявившая о себе в начале шестидесятых годов, сегодня оказывает решающее влияние на техническое перевооружение во всех областях радиоэлектроники. Цифровая техника – самое перспективное направление в современной электронике, в науке, народном хозяйстве, в учебном процессе в общеобразовательных школах, лицеях, техникумах, институтах и университетах. Без нее немыслим дальнейший научно-технический прогресс.
Темой данного курсового проекта является цифровое зарядное устройство. Преимущества индивидуальной зарядки аккумуляторов, составляющих батареи питания аппаратуры, измерительных приборов, заключаются в том, что продлевается срок их службы, появляется возможность одновременной зарядки аккумуляторов из различных батарей. Однако зарядные устройства редко строят многоканальными, так как увеличивается сложность и дороговизна изделия. В данном зарядном устройстве используются отечественные цифровые микросхемы распространённых серий, что делает его доступным, компактным и достаточно удобным в использовании.
Расширенное техническое задание
Цифровое зарядное устройство (ЗУ) на четыре канала предназначено для зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов, используемых в бытовой аппаратуре, измерительных приборах и других переносных устройствах и устройствах автономного питания.
1.1 Технические требования
Данное устройство обладает следующими основными техническими характеристиками.
Электрические параметры:
- напряжение питания сети, В 220;
- максимальный ток потребления, мА 10;
- потребляемая мощность, Вт не более 2,5;
- режим работы круглосуточный;
- температура окружающей среды, °С от минус 20 до 35;
- число одновременно заряжаемых аккумуляторов от 1 до 4;
- зарядный ток, мА 50;
- типоразмер заряжаемых аккумуляторов "Size AA";
- напряжение заряженного аккумулятора, В 1,43;
- длительность короткого замыкания выхода не ограничена.
Требования по надежности:
- наработка на отказ, тыс. часов 15 – 25;
- интенсивность отказов, ч-1 10-7 – 10-9.
Конструктивные требования:
- использование интегральной и дискретной элементной базы;
- органы управления вынести на панель;
- масса, форма и габариты устанавливаются в процессе проектирования;
- окрашивается в любой цвет.
1.2 Ориентировочная номенклатура конструкторской документации
Курсовой проект должен содержать приложения в виде следующих конструкторских документов:
- схема электрическая принципиальная на формате А3;
- таблица соединений на формате А4;
- сборочный чертеж изделия на формате А1;
- сборочный чертеж печатной платы на формате А2;
- печатная плата на формате А1.
2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ, ОЦЕНКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
2.1 Сравнительный анализ аналогов
В настоящее время существует множество схем многоканальных зарядных устройств с контролем напряжения каждого из заряжаемых аккумуляторов и ограничением зарядного тока по достижении порогового напряжения зарядки. Как и все такие автоматические устройства: с контролем степени зарядки аккумулятора, они удобны в обращении. Но подобное построение ЗУ приводит к ухудшению его коэффициента полезного действия (КПД) по сравнению с последовательным включением аккумуляторов, а также неоправданному усложнению электрической схемы. Ухудшение КПД при питании от сети незначительно, поскольку в процессе эксплуатации батареи стоимость электроэнергии, потраченной на ее зарядку, ничтожна в сравнении со стоимостью самих аккумуляторов и ЗУ. Однако в указанных разработках при наращивании числа каналов до четырех применяется и счетверённый операционный усилитель (ОУ). Это является недостатком, так как общая тенденция развития схемотехники серийной аппаратуры свидетельствует об уменьшении в её составе удельной доли аналоговых устройств и замене их цифровыми, которые в условиях массового производства имеют лучшую повторяемость выходных параметров. Это свойство цифровых элементов позволяет обходиться практически без налаживания сделанной на них аппаратуры. Немаловажно и то, что сегодня элементы цифровой техники дешевле и более доступны.
2.2 Анализ работы электрической схемы
Работа ЗУ заключается в следующем. На вход CN (вывод 1) счетчика DD1 поступают тактовые импульсы с частотой 100 Гц. На его выходах 2 и 4 (выводы 12 и 13) присутствует в двоичном коде некоторая цифровая комбинация, являющаяся адресом, то есть номером канала зарядного устройства. Сигнал этого кода поступает на адресный вход мультиплексора (выводы 10, 9 микросхемы DD2). Допустим, что в настоящий момент в счетчик DD1 записано число I (I=0, 1, 2, 3). Через мультиплексор (входы X DD2) напряжение с I-го канала ЗУ поступает на неинвертирующий вход (вывод 3) компаратора DA1, который сравнивает его с образцовым напряжением, соответствующим установленному напряжению окончания зарядки аккумулятора. На выходе компаратора (вывод 6) ко времени окончания 1-го тактового импульса сформируется напряжение высокого уровня (аккумулятор, подключенный к I-му каналу, заряжен), или низкого уровня (аккумулятор разряжен), которое поступает на входы D-триггеров микросхем DD3, DD4 всех четырех каналов. В этот момент через дешифратор (входы Y микросхемы DD2) на тактовый вход С I-го триггера поступает импульс низкого уровня, своим спадом (изменением напряжения с -3 В до +3 В) производящий запись информации с информационного входа D. Состояние этого триггера останется неизменным до следующего тактового импульса, то есть до повторения адреса. Напряжения же с выходов триггера, например, DD3.1 зарядного узла А1, поступают на ключевые транзисторы VT2, VT3, которые включают соответственно зарядный ток (аккумулятор G1, подключенный к каналу с адресом «0», разряжен) и индикатор HL2 "Нет зарядки" красного цвета свечения (аккумулятор заряжен). Таким образом, в описываемом устройстве используется единственный аналоговый "скользкий" элемент: компаратор DA1, поочередно принимающий решение по каждому из четырех аккумуляторов: быть ему в течение четырех последующих тактов под зарядкой или же нет.
Тактовые импульсы, следующие с удвоенной частотой сети (98... 100 Гц), поступают на вход счетчика DD1 с выхода выпрямителя VD1-VD2 через формирователь, образованный элементами R2, С2, VT1, R1. С выходов счетчика тактовая последовательность переключает каналы ЗУ с частотой, близкой к 6 Гц:
fтакт = 2·fсети / 16 = 2·50 / 16 ≈ 6 Гц, (1)
где fтакт – тактовая частота ЗУ,
fсети – частота сети питания ЗУ.
А переключение каждого канала ЗУ происходит с частотой около 1,5 Гц:
fперекл = fтакт / 4 = 6 / 4 = 1,5 Гц, (2)
где fперекл – частота переключения канала ЗУ.
При этом частота «моргания» индикаторов зарядки HL2 – HL5, при линейном их расположении и отсутствии аккумуляторов в ЗУ (первым импульсом канал включается, а последующим — выключается, то есть частота «моргания» индикаторов еще в 2 раза ниже), не раздражает пользователя, поскольку работа устройства в этом случае напоминает всем известную елочную гирлянду. Если частоту «моргания» выбрать большей, например, 10 кГц, то световые сигналы индикаторов перестанут быть заметными, а устройство не станет привлекать к себе повышенное внимание. Если же ее сделать меньшей, станет неудобным устранение часто возникающего неконтакта при подключении к ЗУ аккумулятора с окисленной контактной поверхностью.
Конденсатор С2 предотвращает возможные сбои счетчика DD1 из-за помех в питающей сети. Чтобы избежать выхода из строя микросхем при смене полярности напряжения заряжаемого аккумулятора (из-за его переполюсовки или ошибочного подключения), питание их выбрано двуполярным.
Функцию компаратора (DA1) выполняет ОУ КР140УД1208, обеспечивающий гарантированные параметры при низком напряжении питания. Он, кроме того, является относительно "медленным" и обеспечивает задержку изменения напряжения на информационном входе D триггеров при поступлении тактового импульса на вход С, то есть имеет «встроенный фильтр низкой частоты» на выходе.
Светодиод HL1 (зеленого цвета свечения), являющийся индикатором включения устройства в сеть, совместно с резисторами R10, R12, R13 образует источник образцового напряжения. Соответствующее ему напряжение на инвертирующем входе компаратора DA1 устанавливают резистором R12 равным напряжению заряженного аккумулятора.
Для повышения КПД сглаживание выпрямленного напряжения фильтрующими конденсаторами С7 и С8 происходит только в цепях питания малой мощности. Напряжение питания маломощной части устройства стабилизировано параметрическими стабилизаторами R1-VD4 и R2-VD5.
Налаживание правильно собранного устройства несложно. После включения питания должен засветиться индикатор HL1 (зеленого цвета свечения) и «замигать» индикаторы HL2 – HL5 (красного свечения). Затем, поочередно замыкая контакты каждого из каналов устройства, проверяется, гаснет ли при этом соответствующий ему индикатор.
После такой предварительной проверки подключается к любому из каналов устройства заряженный аккумулятор и подстроенным резистором R12 устанавливается образцовое напряжение на инвертирующем входе компаратора DA1, равное 1,43 В. При этом индикатор зарядного блока этого канала должен светиться.
При эксплуатации устройства выполняется несколько простых действий. Протираются контактные поверхности заряжаемых аккумуляторов спиртом и, соблюдая полярность, подключаются к пружинящим контактам кассеты. Если аккумулятор разряжен, то соответствующий ему светодиод не должен светиться вообще. Все учащающееся «мигание» светодиодов свидетельствует о скором окончании зарядки аккумуляторов, а если какой-то из аккумуляторов полностью заряжен, то его светодиод горит непрерывно.
2.3 Оценка элементной базы устройства
Почти все детали ЗУ смонтированы на двух печатных платах, помещенных в пластмассовый корпус. Подключают устройство к сети питания посредством выведенного через заднюю панель кабель питания, вилку которого вставляют в розетку. Длина кабеля должна позволять класть ЗУ на находящуюся рядом тумбу или стол.
Для обеспечения малого энергопотребления в зарядном устройстве применяются микросхемы серии К561, выполненные по КМОП-технологии. Они представляют собой комплекс микромощных микросхем, третьей степени интеграции на КМОП транзисторах. Они предназначены для применения в аппаратуре цифровой автоматики и вычислительной техники с жесткими требованиями по потребляемой мощности, массе, габаритным размерам в условиях значительного изменения напряжения питания при работе от одного источника. Основной особенностью этих микросхем является малое потребление тока в статическом режиме. Перечислим основные технические параметры данной серии микросхем с учетом применения ее в данной схеме:
– потребление тока в статическом режиме, мкА 0,1…100;
– уровень пульсаций, В не более 0,2;
– минимальное напряжение логического 0 на входе, В 1,4;
– длительность фронтов входных импульсов, с не более 10.
В ЗУ применяется микросхема К561ИЕ10. Это сдвоенный двоичный счетчик-делитель на 16. Она имеет 16 выводов.
Микросхемы К561КП1 содержит два четырехвходовых мультиплексора., имеет два адресных входа 1 и 2, общие для обоих мультиплексоров, общий вход стробирования S, информационные входы Х0 – Х3 первого мультиплексора и его выход, входы Y0 - Y3 второго мультиплексора и его выход. Количество выводов для установки на плату – 16.
Микросхема К561ТМ2 представляет собой два D-триггера со сбросом и предустановкой и имеет 14 выводов.
Полупроводниковая интегральная микросхема КР140УД1208 представляет собой микромощный операционный усилитель с регулируемым потреблением мощности и предназначена для построения активных фильтров, интеграторов и других типов решающих усилителей.
Основные электрические параметры микросхемы КР140УД1208 при температуре 25°С ± 10°С и питающем напряжением ± 3 В:
- максимальное выходное напряжение, В не менее ±2;
- напряжение смещения нуля, мВ не более ±5;
- входной ток, нА 10;
- ток потребления, мА 20;
- коэффициент усиления напряжения 25000.
Вместо КР140УД1208 допускается использовать его аналог из других серий ОУ, работоспособный при низком напряжении питания. Все микросхемы устанавливаются на печатную плату по варианту VIIIa ОСТ 4.010.030-81.
В устройстве применены резисторы МЛТ. Это резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем. Они предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Резисторы МЛТ относятся к неизолированным.
Предельные эксплуатационные данные резисторов МЛТ:
- температура окружающей среды, С от минус 60 до 70;
- предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока
для резисторов с мощностью рассеивания 0,125 Вт, В 200;
для резисторов с мощностью рассеивания 0,25 Вт, В 250;
- минимальная наработка, ч 25000;
- срок сохраняемости, лет 15.
Достоинством данного типа резисторов является широкий диапазон номинальных сопротивлений, малые габаритные размеры, большой срок сохраняемости, широкий диапазон рабочих температур. Устанавливаются на плату по варианту IIa ОСТ 4.010.030-81.
Кроме резисторов МЛТ в схеме используется подстроечный резистор СП5-2. Конструкция его плоская квадратная, для навесного и печатного монтажа. Устанавливается на плату по варианту IIв ОСТ 4.010.030-81. Поворот подвижного контакта в пределах рабочего угла осуществляется за 40 полных поворотов червячного винта. Резистор СП5-2 предназначен для работы в цепях постоянного и переменного тока частотой до 10 000 Гц.
Технические данные резистора СП5-2:
- температура окружающей среды, С от минус 60 до 155;
- функциональная характеристика линейная;
- электрическая разрешающая способность, % от 0,3 до 1,5;
- износоустойчивость, циклов 100;
- минимальная наработка, ч 2000;
- срок сохраняемости, лет 15;
- предельное рабочее напряжение, В 300.
Для обеспечения заданной точности и стабильности частоты в цепи питания микросхем устанавливаются двуполярные конденсаторы К10-17-1. Они предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Конструктивно выполнены изолированными.
- допускаемое отклонение емкости, % плюс 80, минус 20;
- номинальное напряжение, В 40;
- тангенс угла потерь не более 0,035;
- сопротивление изоляции, ГОм не менее 10.
Конденсаторы С6, С7 и С8—С10, шунтирующие цепи питания микросхем, следует расставить на разных участках монтажной платы.
В остальных цепях устройства применены электролитические конденсаторы К50-16.
Основные параметры К50-16:
- допуски, от минус 20до 80;
- номинальное напряжение, В 6,3, 10;
- диапазон рабочих температур, С от минус 20 до 70.
Все конденсаторы устанавливаются на плату по варианту IIв ОСТ 4.010.030-81.
В качестве выпрямительных диодов VD1, VD2 применены кремниевые, эпитаксиально-планарные, импульсные диоды КД522Б. Они предназначены для работы в импульсных устройствах и упакованы в стеклянный корпус с гибкими выводами. Устанавливаются на плату по варианту IIaОСТ 4.010.030-81.
Диоды КД522Б имеют следующие параметры:
- прямой средний ток, мА |
100; |
- прямое напряжение, В |
1,1; |
- обратное напряжение, В |
60; |
- прямой импульсный ток, мА |
1500; |
- температура окружающей среды, С |
от минус 55 до 155. |
Стабилитрон КС139А – кремниевый сплавной. Выпускается в металостеклянном корпусе с гибкими выводами. Устанавливаются на плату по варианту IIaОСТ 4.010.030-81.
Основные электрические параметры стабилитрона КС139А:
- допуски, от минус 20до 80;
- минимальное напряжение стабилизации, В 3,9;
- максимальное напряжение стабилизации, В 3,9;
- ток стабилизации, мА 10.
Маломощный, высокочастотный транзистор КТ3102Е является кремниевым, эпитаксиально-планарным структуры n-p-n, универсальным. Такие транзисторы применяются в низкочастотных устройствах с малым уровнем шумов, переключающих, усилительных и генераторных устройствах средней и высокой частоты.
Основные электрические характеристики транзисторов КТ3102Е:
- максимальный постоянный ток коллектора, мА 100;
- максимальный импульсный ток коллектора, мА 200;
- постоянное напряжение коллектор-база, В 50;
- постоянное напряжение коллектор-эмиттер, В 50;
- постоянное напряжение эмиттер-база, В 5;
- постоянная рассеиваемая мощность, мВт 250;
- температура окружающей среды, С от минус 40 до 85;
- коэффициент шума, дБ 4;
- коэффициент усиления от 400 до 1000.
Также в данной схеме ЗУ используется транзистор КТ315Е. Это кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-n транзистор усилительный высокочастотный маломощный в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Предназначен для работы в схемах усилителей высокой, промежуточной и низкой частоты. Его электрические характеристики:
- максимальный постоянный ток коллектора, мА 100;
- постоянное напряжение коллектор-эмиттер, В 35;
- постоянное напряжение эмиттер-база, В 6;
- постоянная рассеиваемая мощность, мВт 150;
- температура окружающей среды, С от минус 40 до 85;
- граничная частота, МГц 250;
- коэффициент усиления от 50 до 350.
Все транзисторы устанавливаются на плату по варианту IIв
ОСТ 4.010.030-81.
Для индикации применен светодиод типа АЛ307ВМ (зеленого цвета свечения) и АЛ307БМ (красного цвета свечения). Светоизлучающий диод арсенид-гелий алюминиевый в пластмассовом корпусе цвета предназначен для визуальной индикации. Устанавливаются на плату по варианту IIв ОСТ 4.010.030-81.
Электрические и световые параметры:
- сила света, не менее, мккд 900;
- постоянное прямое напряжение, В 2;
- постоянный прямой ток, мА 10.
В качестве переключателя SA1 выбран переключатель типа П2К-Н-1-2. Они предназначены для коммутации цепей постоянного и переменного тока частотой до 20 МГц. Отличием этого переключателей являются малые габаритные размеры при сохранении широкого диапазона коммутируемых токов и напряжений. Способ монтажа печатный. Основные параметры переключателей П2К:
- опротивление изоляции, МОм не менее 1000;
- сопротивление электрических контактов, Ом не более 0,025;
- электрическая прочность изоляции, В 750;
- диапазон коммутируемых переменных токов, А от 5·10-4 до 3;
- температура окружающей среды, °С от минус 40 до 55;
- диапазон коммутируемых напряжений
переменного тока, В от 0,5 до 250;
- максимальное число коммутаций 104.
Для защиты схемы и сети питания от непредвиденных скачков напряжения и коротких замыканий используется вставка плавкая типа ВП2Т-1Ш, устанавливаема в держатель предохранителей ДВП4-2В. Они имеют следующие параметры:
- рабочий ток, А 0,16;
- максимальное рабочее напряжение, В 250;
- диапазон рабочих температур, °С от минус 60 до 85;
- материал керамика.
Полупроводниковая диодная сборка КЦ407А выполняет в схеме функции выпрямительного моста и имеет следующие электрические характеристики:
- прямой максимальный ток, А 0,5;
- максимальное обратное импульсное напряжение, В 300;
- прямое напряжение при максимальном прямом токе, В 2,7;
- максимальная частота, кГц 20.
В цепи питания схемы также используется понижающий компактный герметичный трансформатор ТПК-2. Его параметры:
- максимальная выходная мощность, Вт 2,5;
- ток холостого хода, А не более 0,020;
- масса трансформатора, кг не более 0,11;
- тип магнитопровода пластинчатый.