Импульсное зарядное устройство

Курс.doc

Технологическая часть4
Функциональная схема импульсного зарядного устройства5
Схема электрическая принципиальная7
Перечень элементов импульсного зарядного устройства10
Выбор элементов устройства по каталогам12
Список используемой литературы18
Для зарядки стартерных аккумуляторных батарей чаще всего применяют самые разнообразные устройства большинство которых построено с использованием понижающего сетевого трансформатора. Таким устройствам свойственны сравнительно низкий КПД большие габариты и масса. И если КПД можно хоть как-то поднять то улучшить остальные показатели подобных устройств практически не удается. Существенно повысить эксплуатационные качества зарядного устройства можно если построить его по принципу импульсного инвертора напряжения.
Импульсные зарядные станции выпускаемые за рубежом (фирмы Bosch Telwin и др ) имеют хорошие технические показатели но стоимость этих устройств сводит на нет все преимущества их использования. Вместе с этим и отечественные производители осваивают выпуск зарядных устройств собранных по принципу импульсного инвертора напряжения. Обычно они строятся на основе обратноходового преобразователя
Несомненное достоинство таких преобразователей - их относительная простота и малые габариты. Однако есть у них и недостатки. Один из наиболее серьезных из них - подмагничивание магнитопровода трансформатора из-за чего приходится использовать магнитопровод сечением в 2 25 раза большим чем для двухтактных преобразователей.
Кроме того выбросы напряжения на коммутирующем элементе обратноходовых преобразователей как правило значительно превышают напряжение питания что требует введения дополнительных подавляющих и рекуперационных цепей. Энергетические потери в них наиболее ощутимо сказываются при большой выходной мощности поэтому однотактные преобразователи применяют в узлах питания мощностью не превышающей сотни ватт.
В курсовой работе рассмотрен двухтактный полумостовой импульсный преобразователь лишённый этих недостатков.
Технологическая часть
Батарею свинцово-кислотных стартерных аккумуляторов обычно заряжают одним из трех способов: при стабильном напряжении при стабильном токе и по так называемому правилу ампер-часов.
Зарядку стабильным напряжением реализовать довольно просто но она не гарантирует стопроцентного использования емкости батареи. Зарядку по правилу ампер-часов (по Вудбриджу) можно считать идеальным способом однако он не получил широкого распространения из-за схемной сложности.
Наиболее оптимальным признан способ зарядки стабильным зарядным током. При подобном заряде сила тока в ходе всего времени заряда должна оставаться постоянной. Коэффициент полезного действия заряда при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 85-95% при токе заряда не более 01С20. Коэффициент использования тока зависит от силы зарядного тока уровня заряженности батареи и температуры электролита. Он будет тем меньше чем больше зарядный ток чем выше уровень заряженности и чем ниже температура электролита. На финальной стадии заряда аккумуляторов начинается вторичный процесс - электролиз воды входящей в состав электролита. Выделяющийся при электролизе воды газ создает видимость кипения электролита что свидетельствует об окончании процесса зарядки аккумуляторов. Устройства реализующие этот способ легко оснастить узлами которые позволяют автоматизировать процесс зарядки.
К этой группе зарядных устройств относится импульсное зарядное устройство рассматриваемое в курсовой работе.
Функциональная схема импульсного зарядного устройства
Функциональная схема импульсного зарядного устройства изображена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема импульсного зарядного устройства.
Фильтр помех требуется на входе любого устройства собранного по схеме импульсного преобразования питающегося от сети переменного тока напряжением 220-380В. Особенности работы схемы таковы что в питающую сеть передаются сильные импульсные помехи которые могут помешать работе других электрических и (или) электронных устройств включенных в сеть питания. Сетевой выпрямитель служит для получения постоянного тока так как инверторный преобразователь питается постоянным током а сетевой фильтр сглаживает пульсации сетевого выпрямителя.
ШИМ контроллер вырабатывает широтно модулированные импульсы которые усиливаются усилителем сигнала ШИМ и подаются на усилитель мощности через разделительный трансформатор который выполняет гальваническую развязку между цепями низкого и высокого напряжения таким образом обеспечивает безопасность эксплуатации устройства.
Усилитель мощности работает на силовой трансформатор на выходе которого формируется высокочастотное напряжение зарядного тока. К выходу силового трансформатора подключены выпрямитель и фильтр обеспечивая тем самым постоянный ток с минимумом пульсация необходимый для зарядки аккумуляторной батареи.
Для стабилизации тока заряда на выходе устройства установлены датчики тока и напряжения сигналы. С датчиков значения тока и напряжения подаются на контроллер который регулирует ширину вырабатываемых импульсов тем самым стабилизируя зарядный ток.
Для предотвращения запуска зарядного устройства при подключении неисправной или сильно разряженной аккумуляторной батареи применяется узел контроля состояния аккумуляторной батареи. В случае подключения такого аккумулятора этот узел вырабатывает сигнал запрета на запуска ШИМ контроллера.
Схема электрическая принципиальная
В основу устройства (Рис. 2) положен двухтактный полумостовой импульсный преобразователь (инвертор) на мощных транзисторах VT4 и VT5 управляемый широтноимпульсным контроллером DA1 по низковольтной стороне. Такие преобразователи устойчивые к повышению питающего напряжения и изменению сопротивления нагрузки хорошо зарекомендовали себя в источниках питания современных компьютеров. Поскольку в ШИ контроллере К1114ЕУ4 [2] находятся два усилителя ошибки для контроля зарядного тока и выходного напряжения не требуется дополнительных микросхем.
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема импульсного зарядного устройства.
Быстродействующие диоды VD14-VD15 защищают коллекторный переход транзисторов VT4 VT5 от обратного напряжения на обмотке 1 трансформатора Т2 и отводят энергию выбросов обратно в источник питания. Диоды обладают минимальным временем включения.
Терморезистор R1 ограничивает ток зарядки конденсаторов С4 С5 при включении устройства в сеть. Для подавления помех со стороны преобразователя служит сетевой фильтр C1C2C3L1. Цепи R19R21C12VD8 и R20R22C13VD9 служат для форсирования процесса закрывания коммутирующих транзисторов путем подачи в их базовую цепь минусового напряжения. Это позволяет снизить коммутационные потери и увеличить КПД преобразователя.
Конденсатор С8 предотвращает подмагничивание магнитопровода трансформатора Т2 из-за неодинаковой емкости конденсаторов С4 и С5. Цепь R17C11 способствует уменьшению амплитуды выбросов напряжения на обмотке I трансформатора Т2.
Трансформатор Т1 гальванически развязывает вторичные цепи от сети и передает управляющие импульсы в базовую цепь коммутирующих транзисторов. Обмотка III обеспечивает пропорционально токовое управление. Использование трансформаторной развязки позволило сделать эксплуатацию устройства безопасной.
Выпрямитель зарядного тока выполнен на диодах КД2997А (VD10 VD11) способных работать на сравнительно высокой рабочей частоте преобразователя.
Резистор R25 — датчик тока. Напряжение с этого резистора поданное на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки контроллера DA1 сравнивается с напряжением на его инвертирующем входе устанавливаемом резистором R2 "Зарядный ток". При изменении сигнала ошибки изменяется скважность управляющих импульсов время открытого состояния коммутирующих транзисторов инвертора и значит передаваемая в нагрузку мощность.
Напряжение с делителя R23R24 пропорциональное напряжению на заряжаемой батарее поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки и сравнивается с напряжением на резисторе R5 приложенным к инвертирующему входу этого усилителя. Таким образом происходит регулирование выходного напряжения. Это позволяет избежать интенсивного кипения электролита в конце зарядки путем снижения зарядного тока.
ШИ контроллер имеет встроенный источник стабильного напряжения 5 В который питает все делители напряжения задающие требуемые значения напряжения на выходе устройства и зарядного тока.
Поскольку питание на микросхему DA1 поступает с выхода устройства недопустимо снижение выходного напряжения устройства до 8 В - в этом случае прекращается стабилизация зарядного тока и он может превысить предельно допустимое значение. Подобные ситуации исключает узел собранный на транзисторе VT3 и стабилитроне VD12 он блокирует включение зарядного устройства если его нагрузить неисправной либо сильно разряженной батареей (с ЭДС менее 9 В). Стабилитрон а значит и транзистор узла остаются закрытыми вход DTC (вывод 4) микросхемы DA1 - подключенным через резистор R7 к выходу Uref встроенного источника образцового напряжения (вывод 14). Напряжение на входе DTC при этом - не менее 3 В и формирование импульсов запрещено.
При подключении к выходу устройства исправной батареи открывается стабилитрон VD12 и вслед за ним транзистор VT3 замыкая на общий провод вход DTC контроллера и тем самым разрешая формирование импульсов на выходах С1 С2 (открытый коллектор). Частота следования импульсов — около 60 кГц. После усиления по току транзисторами VT1 VT2 они через трансформатор Т1 передаются на базу коммутирующих транзисторов VT4 и VT5. Частоту повторения импульсов определяют элементы R10 и С9.
Перечень элементов импульсного зарядного устройства
Перечень элементов сведен в таблицу 1.
К78-2б-1000 В-3300 пФ ОЖ0. 461.112 ТУ
К50-35-220мкф-200В ОЖО.464.214 ТУ
K73-17-01-63В АДПК.673633.020 ТУ
K73-17-10-250В АДПК.673633.020 ТУ
K73-17-15Н-63В АДПК.673633.020 ТУ
К50-35-100мкф-25В ОЖО.464.214 ТУ
K73-17-2Н-63В АДПК.673633.020 ТУ
K73-17-10-63В АДПК.673633.020 ТУ
К50-35-2200мкф-25В ОЖО.464.214 ТУ
К1114ЕУ4 ЩИ4.877.029ТУ
ВПБ6-11- 3.0А-250В ОЮ0.481.021 ТУ
ВПБ6-11- 30А-100В ОЮ0.481.021 ТУ
SCK056-5Ом-6А Производитель NTC
CП1А-05-100кОм ГОСТ 242-38
C1-4-025-2кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-025-82кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-025-15кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-05-15кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-1-47кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-025-12кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-025-27кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-025-1кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
Продолжение табл. 1.
C1-4-025-820Ом±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-025-68кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-1-100Ом±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-05-1кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-05-39Ом±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-025-33кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C2-24-025-2кОм±10% АПШК.434110.001 ТУ
C1-4-10-005Ом±10% АПШК. 456320.001 ТУ
КД257А АДБК 432121.034 ТУ
КД2997А АДБК 432274.061 ТУ
Д818Е ЗЩО3.362.045 ТУ
КТ3102А аАО.336.122 ТУ
КТ886А-1 аАО.358.243 ТУ
Выбор элементов устройства по каталогам
Микросхема представляет собой многофункциональную схему управления источником вторичного электропитания (двухтактный ШИМ-контроллер). ИС выполняет следующие функции (рис.3): формирование опорного напряжения усиление сигнала рассогласования формирование пилообразного напряжения широтно-импульсную модуляцию формирование двухтактного выхода защиту от сквозных токов защиту от перегрузок обеспечение "мягкого" запуска. Корпус типа 238.16-2 масса не более 15 г.
Рис. 3. Функциональная схема
- неинвертирующий вход ОУ 1; 2 - инвертирующий вход ОУ 1; 3 - выход усилителей; 4 - установка паузы; 5 - вывод задания частоты (C); 6 - вывод задания частоты (R); 7 - общий; 8 - коллектор 9 - эмиттер 10 - эмиттер 11 - коллектор 12 - напряжение питания; 13 - блокировка двухтактного выхода; 14 - выход источника опорного напряжения; 15 - инвертирующий вход ОУ 2; 16 - неинвертирующий вход ОУ 2.
Электрические параметры
Остаточное напряжение
Ток закрытой микросхемы
Длительность фронта импульса выходного тока
Длительность среза импульса выходного тока
Температурный коэффициент опорного напряжения
Нестабильность по напряжению ИОП
Нестабильность по току ИОП
Предельно допустимые режимы эксплуатации
Входное коммутируемое напряжение
Рассеиваемая мощность
Температура окружающей среды
Допускается подключение нагрузки в цепь коллектора или эмиттера выходных транзисторов. При включении нагрузки в цепь эмиттера выходных транзисторов остаточное напряжение не превышает 3 В при Iвых=200 мА. Допускается параллельная работа выходных транзисторов на общую нагрузку. Для осуществления синхронной работы выходных транзисторов и увеличения выходного тока до 04 А необходимо соеденить вывод 13 с общей шиной. Допускается использовать источник опорного наряжения в качестве маломощного стабилизатора фиксированного напряжения с выходным током до 5 мА. Допускается изменение коэффициентов усиления и частотной коррекции с помощью резисторов и конденсаторов включаемых между выходом усилителей (вывод 3) и их входами (выводы 12 и 1516). При этом выходной ток усилителей не должен превышать 1 мА а входной 03 мА. Допускается монтаж ИС в аппаратуру 2 раза демонтаж 1 раз. Допустимое значение статического потенциала 200 В.
Выпрямительные диоды КД257Б с повышенным прямым током и теплостойкостью. Предназначены для преобразования переменного напряжения. Изготавливают в стандартном стеклянном корпусе каплевидной формы КД-29В с жесткими проволочными лужеными выводами.диода - не более 1 г.
Основные технические характеристики диода КД257Б:
Unp - Постоянное прямое напряжение: не более 15 В при Inp 5 А;
Ioбp - Постоянный обратный ток: не более 2 мкА при Uoбp 400 В;
tвoc обр - Время обратного восстановления: не более 250 мкс
Диоды КД2997А кремниевые эпитаксиально-диффузионные.
Предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 100 кГц. Выпускаются в металлопластмассовом корпусе с гибкими выводами (металлическое основание корпуса соединено с отрицательным электродом).
Тип диода и схема соединения электродов с выводами приводятся на корпусе.диода не более 4 г.
Основные технические характеристики диода КД2997А:
fд - Рабочая частота диода: 200 кГц;
Unp - Постоянное прямое напряжение: не более 1 В при Inp 30 А;
FR155 импульсный диод 1.5А 600B.
Основные технические характеристики:
Максимальное постоянное обратное напряжение - 600 В;
Максимальный постоянный прямой ток - 15 А;
Время восстановления - 250 нс;
Емкость диода - 40 пФ;
Максимальное прямое напряжение - 13 В;
Рабочая температура -65 +150 °С;
Тип корпуса - DO-15;
Технические характеристики Д818Е
Мощность рассеяния Вт
Минимальное напряжение стабилизации В
Номинальное напряжение стабилизации В
Максимальное напряжение стабилизации В
Статическое сопротивление Rст. Ом
Температурный коэффициент напряжения стабилизации аUст.%С
Временная нестабильность напряжения стабилизации dUст. В
Минимальный ток стабилизации Iст.мин. мА
Максимальный ток стабилизации Iст.макс. мА
Рабочая температура С
Транзистор КТ3102А - эпитаксиально-планарный n-p-n структуры кремниевый универсальный. Применяется в НЧ устройствах требовательных к уровню шумов а также в генераторных и усилительных СЧ и ВЧ устройствах. Является комплементарным по отношению к транзистору КТ3107А.
Характеристики транзистора сведены в таблицу 1.
Транзисторы КТ886А-1
Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные структуры п-р-п переключательные высоковольтные. Предназначены для применения в генераторах строчной развертки видеомодулей с повышенной информационной емкостью источниках вторичного электропитания. КТ886А-1 выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами тип корпуса КТ-43В-2.транзистора не более 6 г.
Характеристики транзистора сведены в таблицу 2.
В результате выполнения курсовой работы была разработана функциональная схема импульсного зарядного устройства. Начерчена функциональная и принципиальная схемы импульсного зарядного устройства.
Рассмотрена принципиальная схема и описана работа элементов и устройства в целом. Составлен перечень элементов и осуществлен выбор активных компонентов рассматриваемого устройства по каталогам и справочникам.
Список используемой литературы
Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебн. для вузов.М: Высш. школа 1982.- 496 с.
Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника ( Полный курс): Учебник для вузов Ю.Ф. Опадчий и др. –Телеком 1999
Каталог: Микроэлектронные компоненты. Средства отображения информации. Изделия электронной техники. ИНТЕГРАЛ Р.Беларусь.-. 2014г.
.4. Полупроводниковые приборы. транзисторы: Справочник. Под ред. Н.Н. Горюнова. – М.: Энергоатомиздат 1983.
М.Н.Дьяконов В.И.Карабанов и другие. Справочник по электрическим конденсаторам. - М.: Радио и связь 1983. - 576 с
Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Том 8.А. В. Нефедов. - М.:ИП РадиоСофт 1998г. - 640с.:ил.

Функциональная схема.dwg

Схема функциональная.
КП103М ОСТ568.931-88
КТ814В ОСТ568.931-88
КТ815В ОСТ568.931-88
КТ818В ОСТ568.931-88
КТ819В ОСТ568.931-88

Схема электрическая принципиальная.dwg

КП103М ОСТ568.931-88
КТ814В ОСТ568.931-88
КТ815В ОСТ568.931-88
КТ818В ОСТ568.931-88
КТ819В ОСТ568.931-88