Аккумуляторные зарядные устройства

Содержание

 

Приложение А – Перечень элементов ……………………………………………………….37

Приложение Б – Спецификация платы………………………………………………………40

Приложение В – Спецификация устройства………………………………………………..43

 
Введение

 

 

Зарядное устройство, электротехническое устройство для зарядки аккумуляторных и конденсаторных батарей. Состоит из зарядного генератора или трансформатора с выпрямителем тока и распределительного  устройства, куда входят регуляторы напряжения и автоматические выключатели. Мощность зарядного устройства определяется ёмкостью заряжаемых батарей и установленной продолжительностью заряда.

Аккумуляторные зарядные устройства применяются для периодической зарядки, непрерывной и прерываемой подзарядки и перезарядки (уравнительной зарядки) аккумуляторных батарей, которые, как правило, предварительно собирают в отдельные группы по признаку равенства ёмкости и силы зарядного тока. При периодической зарядке аккумуляторные батареи делят на две группы. Зарядное устройство заряжает одну из двух групп аккумуляторов. При непрерывной подзарядке зарядное устройство питает сеть нагрузки и одновременно подзаряжает аккумуляторные батареи. При прерывистой подзарядке зарядное устройство часть времени питает нагрузку и осуществляет подзарядку аккумуляторной батареи, а часть времени под малой нагрузкой стоит в резерве; цепь нагрузки питается от аккумуляторной батареи. Конденсаторные  зарядные устройства применяют для зарядки конденсаторов в нормальном режиме, т. е. непрерывно до номинального напряжения.

Выпрямительные зарядные устройства однофазные малой мощности имеют круто падающую внешнюю характеристику, соответствующую режиму зарядки аккумуляторных батарей. Регулирование напряжения выполняется секционированием вторичной обмотки трансформатора.

Разрабатываемое устройство способно не только заряжать аккумуляторы но и работать в режиме заряд-разряд.

Задачи курсового проекта:

• анализ технологического задания на разработку устройства;
• выбор элементной базы, необходимой для изготовления устройства;
• выбор и описание материалов;
• описание сборки и монтажа печатного узла;
• оценка технологичности конструкции;
• оценка надежности конструкции.

 

 

1 Анализ технического  задания

 

 

1.1 Назначения и общая характеристика устройства

 

 

Разрабатываемое радиоэлектронное средство представляет собой зарядное устройство. Оно предназначено для зарядки аккумуляторов хозяйственного инструмента. Помимо функции заряда данное устройство так же выполняет функцию десульфации электродов. Это позволяет увеличивать срок службы аккумуляторов, а так же проводить восстановление аккумуляторов, которые ввиду длительного использования быстро разряжаются. Как правило, такие аккумуляторы рекомендуют заменять, однако разрабатываемое устройство поможет продлить их срок службы.

Рассмотрим основные параметры устройства:

Входное напряжение, В…..………………………………………………………… 25;

Выходное стабилизированное напряжение, В……………………………………..12;

Выходной ток, А……………………………………………………………………....5;

 

 

1.2 Требования по устойчивости к внешним воздействиям

 

 

Устройство будет эксплуатироваться в условиях умеренного и холодного климата:

- температура окружающей среды -10..+30 0С;

- относительная влажность  воздуха – 70%;

- атмосферное давление – 700-900мм. рт. ст.

В соответствии с ГОСТ 15150-69 [4] определяем тип исполнения разрабатываемого устройства. Для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом характерно исполнение, обозначаемое сокращением УХЛ. В соответствии с температурой, определенной техническими условиями выбираем укрупненную категорию 3. Устройства, относящиеся к данной категории предназначены для эксплуатации в закрытых помещениях (объемах) с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха и воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, например, в металлических с теплоизоляцией, каменных, бетонных, деревянных помещениях (отсутствие воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения; существенное уменьшение ветра; существенное уменьшение или отсутствие воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги). Дополнительную категорию определяем как 3.1 (для устройств эксплуатируемых в нерегулярно отапливаемых помещениях (объемах). Такое исполнение позволяет использовать устройство при температурах от -100С до +400С. Влажность воздуха при температуре 250С может достигать 98%. Атмосферное давление может колебаться от 650 до 900 мм. рт. ст.

 

 

1.3 Требования к надежности

 

 

Разрабатываемое изделие должно обеспечивать заданную надежность, в установленных условиях эксплуатации. При этом, наработка на отказ изделия должна быть не менее 1000 часов. Вероятность безотказной работы в течении 1000 часов должна быть не менее 90%. Это достигается не только выбором соответствующей элементной базы, но и правильным подбором материалов и защитных покрытий. При этом следует учитывать, что хорошая защита разъемных и неразъемных соединений позволит в значительной мере продлить срок безотказной работы устройства исключив необходимость мелкого ремонта при незначительных поломках, которые, при этом, усложнят работу с устройством

 

2 Анализ электрической принципиальной схемы

 

 

Основой данной схемы послужило внимательное изучение документации на MAX713 и аппнота "an936"

Правая часть схемы: резистором R23, настраивается конечное напряжение разряда: 12,48В.

Запускается режим восстановления кнопкой SA1 устройства.

По окончанию разряда схема автоматически переходит сначала в режим ускоренного заряда током 1,5А (1С), с ограничением времени ускоренного заряда 90 минут (на случай неисправной батареи, т.к. расчётное время заряда аккумулятора 1 час 15 минут), отслеживанием температуры с помощью термовыключателя, установленного в аккумуляторе, и контроль конечного напряжения "-ΔV", а затем переходит в режим "капельного" дозаряда аккумулятора.

Т.к. трансформатор от старого зарядного устройства не пригоден для новой схемы, он был утилизирован.

Для питания используется внешний БП на 25 В.

Обратите внимание, что в случае повторения конструкции, напряжение источника питания должно быть 1,9В на элемент, плюс 2В для нормального функционирования микросхемы, т.е. для 12-ти вольтового шуруповёрта 21 В, для 14,4 В - 25В и для 18В = 30В или 30В для универсального зарядного устройства. В этом случае джампера надо вывести наружу и коммутировать в зависимости от применяемой батареи.

 После  работы в шуруповёрте аккумулятор  устанавливается в зарядное устройство, нажимается кнопка "START", начинается  доразряд аккумулятора, ещё в  течение 15...30минут, что свидетельствует  о том, что энергия в аккумуляторе  ещё есть, и затем переключается на ускоренный заряд. (красный светодиод на схеме).

Самое главное преимущество данной переделки зарядного устройства - это продление жизни аккумуляторным батареям, до их конструктивного ресурса. А т.к. запасные батарей продают не для всех шуруповёртов, то и шуруповёрта в целом.

 По  бокам выступа на аккумуляторе, который вставляется в рукоятку  и зарядное устройство находятся  клеммы, обозначенные «+» и «-»  соответственно. С торца находится  дополнительный контакт - к нему  подключён терморазмыкатель.

Подключение зарядного устройства к батарее согласно вышеприведённой схемы.

 

Вместо разрядного резистора в схеме установлено реле (любое на 12В, например автомобильное, с сопротивлением обмоток ~100ом), которое через нормально замкнутый контакт отключает на время доразряда аккумулятора зарядное устройство от блока питания. Терморазмыкатель использован по назначению для аварийного прекращения ускоренного заряда в случае разогрева аккумуляторов.

 

 

3 Выбор и обоснование  конструкции устройства

 

 

3.1 Выбор элементной базы

 

 

При выборе элементов учитывается актуальность компонентов. Кроме того, учитываются условия эксплуатации устройства и способность выбранной элементной базы сохранять работоспособность при указанных условиях.

Конденсатор электролитический К50-35

Основные параметры;

- допустимое отклонение от номинала 20%;

- максимально допустимое  напряжение 50 В.

Корпус конденсатора приведен  на рисунке 3.1

 

Рисунок 3.1 – Конденсатор электролитический К50-35

 

Стабилизатор LM317L

Параметры стабилизатора приведены в таблице 3.1

 

Таблица 3.1 – Параметры стабилизатора

Параметр	Значение
Корпус	TO220
Номинальный выходной ток, А	1.5
Максимальное входное напряжение, В	40
Выходное напряжение, В	12

 

Корпус микросхемы приведен на рисунке 3.4

 

Рисунок 3.2 – Микросхема в корпусе TO220

 

Реле HFS41/1D-240A3ZNG. Параметры реле приведены в таблице 3.2

 

Таблица 3.2 – Параметры  реле HFS41/1D-240A3ZNG

Параметр	Значение
Номинальное напряжение срабатывания, В	5
Максимальное коммутируемое напряжение, В	220
Максимальный коммутируемый ток (cosf*1), А	2
Ток питания обмотки	постоянный
Количество обмоток	1
Классификация реле по начальному состоянию	моностабильное
Поляризация	нейтральное
Классификация по числу коммутационных положений	двухпозиционное
Контактный набор	2п
Ток срабатывания не более, мА	64
Минимальное рабочее напряжение, В	3,5
Максимальное рабочее напряжение, В	11,4
Максимальный коммутируемый постоянный ток, А	2
Сопротивление обмотки, Ом	178

 

Резистор С2-29

Основные параметры;

- допустимое отклонение от номинала 1%;

- номинальная мощность 0,5 Вт;

- рабочее напряжение 150 В;

- максимально допустимое  напряжение 200 В.

Корпус резистора приведен  на рисунке 3.3

 

Рисунок 3.3 – Резистор С2-29

 

 

Кнопка тактовая SG-235

Параметры кнопки приведены в таблице 3.3

 

Таблица 3.3 – Параметры кнопки

Параметр	Значение
Функциональное назначение	кнопка тактовая
Рабочее напряжение, В	12
Рабочий ток, А	0,05
Фиксация	нет
Подсветка	нет
Сопротивление изолятора не менее, МОм	100
Сопротивление контактов не более, Ом	0,1
Предельное напряжение, В	250В перем. тока в теч. 1 мин.
Рабочая температура, С	-25...70
Способ монтажа	в отверстия на плату

 

Светодиод BT-204SXD “Betlux Electronics” Светодиод 120" 2х5х7мм 1000мКд 525нМ. Параметры светодиода приведены в таблице 3.4

 

 

Таблица 3.4 – Параметры светодиода

Параметр	Значение
Материал	ngan
Минимальная сила света Iv мин., мКд	400
Максимальная сила света Iv макс., мКд	1000
при токе Iпр., мА	20
Максимальное обратное напряжение, В	5

 

Диод 1N4007

Параметры диода приведены в таблице 3.5

 

Таблица 3.5 – Параметры диода 1N4007

Параметр	Значение
Тип диода	выпрямительный диод
Максимальное постоянное обратное напряжение, В	1000
Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А	1
Корпус	DO204AL
Максимальное импульсное обратное напряжение, В	1200
Максимально допустимый прямой импульсный ток, А	30
Максимальный обратный ток, мкА 25гр	5
Максимальное прямое напряжение, В при 25гр.	1.1
при Iпр., А	1
Рабочая температура, С	-65…150
Способ монтажа	В отверст.

 

Корпус диода приведен на рисунке 3.4

Рисунок 3.4 – Диод 1N4007

 

 

 

Транзистор 2N2907

Параметры транзистора приведены в таблице 3.6

 

Таблица 3.6 – Параметры транзистора

Параметр	Значение
Структура	PNP
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В	900
Макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б.(Uкэо макс),В	800
Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)	3
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	10
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц	18
Максимальная рассеиваемая мощность ,Вт	40

 

Транзистор KN2222

Параметры транзистора приведены в таблице 3.7

 

 

Таблица 3.7 – Параметры транзистора

Параметр	Значение
Структура	NPN
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В	1200
Макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б.(Uкэо макс),В	700
Максимально допустимый ток к ( Iк макс.А)	2
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	120
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр.МГц	25
Максимальная рассеиваемая мощность ,Вт	35

 

Транзистор IRF4903

Параметры транзистора приведены в таблице 3.8

 

Таблица 3.8 – Параметры транзистора

Параметр	Значение
Структура	n-канал
Максимальное напряжение сток-исток Uси, В	75
Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс.. А	106
Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс., В	20
Сопротивление канала в открытом состоянии Rси вкл., мОм	7
Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс.. Вт	200
Крутизна характеристики, S	100
Корпус	d2pak
Пороговое напряжение на затворе	2…4

 

Микросхема MAX713

Параметры микрочхемы приведены в таблице 3.9

 

 

Таблица 3.9 – Параметры микросхемы

Параметр	Значение
Тип батареи	NiCd, NiMH
Входное напряжение, В	42
Напряжение батареи, В	12
Ток заряда, А	5

 

 

3.2 Обоснование выбора  материалов и покрытий

 

 

При выборе материала печатной платы следует учитывать сохранение максимальной прочности печатной платы. Поэтому выбираем толщину печатной платы 2,5 мм с двухсторонней металлизацией 35 мкм, что позволит сохранить работоспособность платы при воздействии механических нагрузок, возможных при незначительной деформации корпуса, а так же при механосборочных работах во время изготовления и ремонта устройства. Материал основания печатной платы – стеклотекстолит. Такой выбор основывается на особенностях материала сохранять свои габаритные размеры и форму при воздействии дестабилизирующих факторов. Марка материала СФ 2-35-2,5.

Пайка платы будет выполняться припоем ПОС-61, в состав которого входит безкислотный флюс «Halogenfrei». Дополнительно для достижения лучших результатов пайки будет использован флюс «Indium» марки WF-9942.

Покрытие печатных проводников, контактных площадок и метализированных отверстий осуществляется сплавом Розе ТУ6-09-4065-75.

Покрытие платы выполняется защитным составом ФТОРЕЛ, предотвращающим выход устройства из строя или кратковременную потерю работоспособности при воздействии дестабилизирующих факторов.

В качестве покрытия будет применен УР-231. Он обеспечивает хорошую защиту платы и ЭРЭ от воздействия климатических факторов, а также повышает и ее механическую жесткость. При этом он дешевле лака ЭП-730.

Маркировочная краска разрабатываемого функционального узла должна отвечать следующим требованиям:

• возможность автоматического нанесения в условиях крупносерийного производства;
• механическая прочность;
• хорошая адгезия к маркируемой поверхности;
• диапазон рабочих температур от - 60 до +450 С;
• рекомендация к маркировке стеклотекстолита.

Всем этим требованиям в полной мере удовлетворяет краска МЛ-283. Предлагается использовать краску белого цвета. Свойства краски МЛ-283: диапазон температур от - 60 до +1500 С; обладает механической прочностью, маслостойкостью, хорошей адгезией к маркируемым материалам, водостойкостью, спиртобензиностойкостью.

Устройство не требует экранирования от внешних электромагнитных излучений, соответственно может быть применен корпус из материала, непроводящего электрический ток. Исходя из этого и учитывая, что стоимость устройства должна быть небольшой выбираем материал корпуса и серии пластмасс. Отсюда получаем, что корпус устройства лучше всего изготовить из пластмассы фенопласт марки К-15-202 ТУ 2475-51 горячим прессованием.

 

 

3.3 Разработка компоновки  устройства

 

 

Компоновка блока – это процесс размещения ЭРЭ и деталей несущих конструкций в пространстве, ограниченном размерами и конфигурацией кожуха, с учетом функциональных, геометрических, механических и других видов связей между элементами с одновременным решением вопросов обеспечения ремонтопригодности, теплового режима и защиты устройства от влияния внешних дестабилизирующих факторов. Блоки конструктивно состоят из следующих составных частей: печатных узлов, корпусов с элементами крепления узла в блоке и блока в месте использования; соединительных разъемов, элементов управления, вынесенных на лицевую панель; элементов монтажа.

В результате компоновки должны быть определены геометрические размеры, форма, ориентировочная масса изделия и взаимное расположение всех элементов в конструкции.

При внутренней компоновке необходимо удовлетворять основным требованиям:

• между отдельными элементами, узлами, блоками, приборами должны отсутствовать паразитные электрические взаимосвязи, которые могут существенно изменить характер полезных взаимосвязей и нарушить нормальное функционирование изделия;
• тепловые поля возникающие в РЭА вследствие перегрева отдельных элементов, не должны ухудшать технические характеристики аппаратуры;
• необходимо обеспечить легкий доступ к деталям, узлам, блокам в конструкции для ремонта, контроля и обслуживания;
• расположение элементов конструкции должно так же обеспечивать технологичность монтажа и сборки с учетом использования автоматизации этих процессов;
• габариты и масса изделия должны быть минимально возможными.

Паразитные обратные связи определяются взаимным расположением отдельных частей конструкции и соединяющих их проводников и могут возникать не только между отдельными элементами, но и между узлами, блоками, приборами, что нарушает устойчивость работы схемы. Для устранения паразитных обратных связей, прежде всего, необходимо рациональное размещение элементов в конструкции. Однако этого иногда недостаточно и приходится применять различные конструкционные меры.

При компоновке элементов разрабатываемого изделия на плате следует руководствоваться следующими принципами:

• достижение максимальной эргономики при расположении кнопок и индикаторов. В устройстве будет использована одна кнопка и три индикатора, они будут расположены рядом, что позволит оценить правильность выбранного режима;
• разъем рекомендуется установить с края платы, чтобы упростить подключение внешнего источника питания и заряжаемого аккумулятора;
• остальные элементы располагаются таким образом, чтобы дорожки имели минимальную длину.

 

 

3.4 Выбор способа  монтажа

 

 

В настоящее время применяются следующие виды монтажа печатных плат:

Навесной монтаж — способ монтажа электронных схем, когда расположенные на изолирующем шасси радиоэлементы соединяются друг с другом проводами или непосредственно выводами.

Промышленные и любительские ламповые конструкции навесного монтажа используют металлические шасси (соединённые с общим проводом схемы или непосредственно выполняющие роль общего провода. Ламповые и релейные панели, трансформаторы, дроссели и прочие крупногабаритные детали крепятся непосредственно к шасси, мелкие резисторы и конденсаторы — распаиваются непосредственно к выводам панелей и крупных деталей, либо к контактным лепесткам (контактным колодкам), изолированным от шасси. При заводском изготовлении монтажники руководствуются технологическими картами, чтобы не пропустить элемент или перемычку. Надёжность промышленных изделий, выполненных навесным монтажом, в целом ниже, чем у аналогов на печатных платах. Ремонтопригодность — выше, в том числе за счёт меньшей плотности компонентов и простоты доступа к ним.

В массовой электронике навесной монтаж применялся до 50—60-х годов, впоследствии уступив место печатным платам; за навесным монтажом осталась ниша — коммутация трансформаторов и аналогичных крупногабаритных изделий.

Навесной монтаж остаётся наиболее уместным способом монтажа ламповой техники — как из-за конструктива ламповых панелей и крупногабаритных трансформаторов, так и из-за лучшего температурного режима отдельных компонентов, эффективной механической развязки ламп, возможности оптимального подбора сечения соединительных проводников и сокращения общего числа паяных соединений в цепи сигнала. Для лучшей механической развязки ламп соединительные провода (а также вывод резисторов и конденсаторов, распаиваемые непосредственно к ламповым панелям) формуются с S-образными изгибами, избегая прямых, жёстких перемычек.

Монтаж в отверстия:

Технология монтажа в отверстия (Through Hole Technology, THT), также называемая иногда штырьковым монтажом , является родоначальником подавляющего большинства современных технологических процессов сборки электронных модулей. Также существует ряд распространенных, но не совсем корректных названий данной технологии, например, DIP-монтаж (название происходит от типа корпуса – Dual In-Line Package – корпус с двухрядным расположением выводов, широко применяемого, но не единственного в данной технологии) и выводной монтаж (название не совсем корректно, поскольку монтаж компонентов с выводами применяется и во многих других технологиях, в т. ч. в поверхностном монтаже).

Фактически данная технология появилась вместе с началом использования монтажных плат, как метода выполнения электрических соединений. До этого монтаж компонентов осуществлялся пространственно путем крепления выводов компонентов к металлическим контактам на конструктивных элементах устройства, либо соединением выводов компонентов между собой. Применение монтажных плат перенесло конструирование узлов из пространства на плоскость, что значительно упростило как процесс разработки конструкций, так и изготовление устройств. Появление печатного монтажа в дальнейшем привело к революции в технологичности и автоматизации проектирования электронных устройств.

Технология монтажа в отверстия, как следует из названия, представляет собой метод монтажа компонентов на печатную плату, при котором выводы компонентов устанавливаются в сквозные отверстия платы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия.

Широкое распространение технология монтажа в отверстия получила в 50-х – 60-х годах XX века. С тех пор значительно уменьшились размеры компонентов, увеличилась плотность монтажа и трассировки плат, было разработано не одно поколение оборудования для автоматизации сборки узлов, но основы конструирования и изготовления узлов с применением данной технологии остались неизменны.

В настоящее время технология монтажа в отверстия уступает свои позиции более прогрессивной технологии поверхностного монтажа, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, бытовой электронике, вычислительной технике, телекоммуникациях, портативных устройствах и других областях, где требуется высокая технологичность, миниатюризация изделий и хорошие слабосигнальные характеристики.

Тем не менее, есть области электроники, где технология монтажа в отверстия по сей день является доминирующей. Это, прежде всего, силовые устройства, блоки питания, высоковольтные схемы мониторов и других устройств, а также области, в которых из-за повышенных требований к надежности большую роль играют традиции, доверие проверенному, например, авионика, автоматика АЭС и т.п.

Также данная технология активно применяется в условиях единичного и мелкосерийного многономенклатурного производства, где из-за частой смены выпускаемых моделей автоматизация процессов неактуальна. Эта продукция, в основном, выпускается небольшими отечественными предприятиями как для бытового, так и для специального применения.

Поверхностный монтаж — технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность). Она является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов.