Блок зарядного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Главной проблемой всех зарядных устройств является определение момента окончания зарядки.

В простейших ЗУ зарядка аккумуляторов осуществляется небольшим током, и момент её окончания определяется по прошедшему времени. Это так называемая капельная зарядка. В этом случае передержать аккумулятор не страшно, но такая зарядка занимает весьма продолжительное время (около 15-20 часов).

Большинство производителей Ni-MH аккумуляторов приводят характеристики своих аккумуляторов для случая быстрой зарядки большим током, равным по численному значению ёмкости аккумулятора (если ёмкость аккумулятора равна 1000 мА/ч, то ток зарядки составит 1000 мА). «Умное» зарядное устройство должно оценить условия и принять решение о допустимости быстрого заряда. Считается, что быстрый заряд можно использовать только в диапазоне температур 0…+40°C и при напряжении на аккумуляторе 0.8…1.8 В. КПД процесса быстрой зарядки очень высок (порядка 90%), поэтому аккумулятор нагревается слабо. Однако в конце зарядки КПД этого процесса резко падает и практически вся подводимая к аккумулятору энергия начинает превращаться в тепло. Это вызывает резкий рост температуры и давления внутри аккумулятора, что может вызвать его повреждение. И хотя для современных аккумуляторов взрыва, скорее всего, не последует, просто откроются вентиляционные отверстия, и часть содержи-мого аккумулятора будет безвозвратно утрачена. Поэтому при быстрой зарядке аккумулятора очень важно зарядку вовремя прекратить. К счастью, в режиме быстрой зарядки есть довольно надежные критерии, по которым зарядное устройство может это сделать.

Для Ni-Cd аккумуляторов критерием окончания зарядки являлось снижение напряжения примерно на 30 мВ (на каждый аккумулятор). « -dV»- это самый быстрый метод, он хорошо работает даже с частично заряженны-ми аккумуляторами. Если, например, установить на зарядку полностью заряженный аккумулятор, то напряжение на нем начнет быстро расти, затем довольно резко падать. Это вызовет окончание зарядки.

Для Ni-MH аккумуляторов этот метод работает не столь хорошо, потому что падение напряжения для них менее выражено. При небольших токах зарядки максимум напряжения вообще может отсутствовать. При повышенных температурах максимум напряжения также несколько смазы-вается. Слабое падение напряжения в конце зарядки вынуждает повышать чувствительность, что может привести к досрочному завершению быстрой зарядки из-за помех.

Иногда для Ni-MH аккумуляторов вместо метода «-dV» используют метод «dV=0», когда вместо падения напряжения детектируют плато на профиле напряжения. Критерием конца зарядки в этом случае служит постоянство напряжения на аккумуляторе в течение, например, 10 минут.

Одновременно с падением напряжения в конце зарядки начинает расти температура и давление внутри аккумулятора. Поэтому конец зарядки можно определить по возрастанию температуры. Либо устанавливают абсолютный порог температуры (что ненадёжно, так как ЗУ должно работать при различных температурах), либо используют не саму температуру, а скорость ее изменения dT/dt. Считается, что при зарядном токе, численно равном ёмкости аккумулятора, процесс зарядки нужно завершать, когда скорость роста температуры dT/dt достигнет 1°C/мин. Нужно отметить, что при меньших токах зарядки скорость роста температуры почти не меняется и этот критерий использовать нельзя.

В данном курсовом проекте разрабатывается блок ЗУ, лишённый всех перечисленных выше недостатков. Блок ЗУ предназначен для одновременной независимой зарядки от одного до четырёх Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов типоразмера АА стабильным током 0,5 А. При установке аккумулятора блок ЗУ измеряет его температуру, и когда температура повысится на восемь градусов относительно измеренной первоначально, зарядка соответствую-щего аккумулятора прекратится. Таким образом, для определения момента окончания зарядки здесь применяется не абсолютный, а относительный порог температуры, что делает качество зарядки независимым от темпера-туры окружающей среды. Кроме того, если при подключении аккумулятора его напряжение составляет больше 1 В, то производится его предварительная разрядка, что увеличивает срок службы батареи.

Блок ЗУ выполнен в небольшом удобном пластмассовом корпусе. Предельная простота эксплуатации и полнота предоставляемой информации о процессе зарядки делают данное устройство весьма привлекательным и конкурентоспособным.

1. Конструкторский анализ электрической схемы

1.1 Принцип работы

Нам задана электрическая схема блока. Опишем принцип её работы.

Блок ЗУ предназначен для одновременной независимой зарядки от одного до четырёх Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов типоразмера АА стабильным током 0,5 А. Его основой является микроконтроллер DD1, кото-рый обрабатывает информацию, поступающую от узла измерения темпера-туры, собранного на датчиках DS1621, и выводит информацию о протекаю-щих процессах на узел индикации. Микроконтроллер DD1 также контроли-рует напряжение на аккумуляторах, подключаемых к контактам ХS5-ХS12, и управляет четырьмя зарядно-разрядными ячейками, собранными по одинако-вой схеме. Каждая из них состоит из стабилизатора тока на микросхеме 1DA1 с токозадающим резистором 1R2, электронных ключей на транзис-торах 1VT1-1VT3, индикатора разрядки на светодиоде 1HL2 жёлтого цвета свечения и индикатора зарядки на светодиоде 1HL1 красного цвета свечения.

В режиме зарядки открываются транзисторы 1VT1, 1VT2 и осуществ-ляется зарядка аккумулятора, подключённого к контактам ХS1 и ХS2. В режиме разрядки эти транзисторы закрываются, открывается 1VT3 и ааккумулятор разряжается через этот транзистор и резистор 1R8. Напря-жение питания микроконтроллера и цифровых микросхем стабилизировано микросхемой DA1.

Узел управления собран на микроконтроллере DD1. После поступления питающего напряжения он выводит на дисплей число 2005 для проверки индикации, потом проводит инициализацию четырёх датчиков температуры с последующим измерением температуры окружающей среды и запомина-нием её. Впоследствии эти данные будут использованы для контроля по-вышения температуры аккумуляторов и принятия решения о прекращении их заряда. Затем микроконтроллер последовательно проверяет наличие под-ключённых аккумуляторов. По присутствию напряжения на контакте ХS1 микроконтроллер «делает вывод» о том, что аккумулятор установлен, и пере-ходит к анализу напряжения на остальных контактах. Если аккумулятор под-ключён и его напряжение более одного вольта, ячейка включается в режим разрядки, о чём сигнализирует светодиод 1HL2. Разрядный ток составляет около 180 мА.

Как только напряжение аккумулятора станет менее одного вольта, микроконтроллер переключает соответствующую ячейку в режим зарядки, и загорается светодиод 1HL1. В этом режиме происходит периодический конт-роль температуры и напряжения аккумулятора, и когда температура по-высится на восемь градусов относительно измеренной первоначально, заряд-ка соответствующего аккумулятора прекратится. Если при включении БЗУ напряжение аккумулятора не превышает одного вольта, то сразу включается режим зарядки.

В процессе зарядки, последовательно контролируя ячейки, микро-контроллер выводит на дисплей значения напряжения и температуры каждого аккумулятора. В первых трёх старших разрядах сначала индици-руется температура, затем напряжение, в младшем - номер ячейки, в которой производится измерение.

Цифровые микросхемы устанавливаются на панели. Для лучшего охлаждения закрепим на стабилизаторах 1DA1-1DA4 малогабаритные радиаторы FK301A. Остальные элементы в установке радиаторов не нуждаются. Габаритные конденсаторы С5 и С7 для увеличения вибропрочности желательно поставить на клей.

Сердцем схемы является микроконтроллер PIC16F876-14/P, который для управления использует три порта: PORT A - порт ввода-вывода, порт ввода для аналогового сигнала; PORT B - порт ввода-вывода с возможнос-тью программного задания уровня слабого повышения напряжения; PORT C - порт ввода-вывода. Для измерения температуры используются датчики DS1621, которым аппаратно присвоены коды: 111, 101, 011, 001. Они под-соединены к порту C, который также используется для вывода информации о процессе зарядки на дисплей. Порт B управляет зарядно-разрядными ячейками. Напряжение с аккумуляторов поступает на порт A, где преобра-зуется в цифровой код.

1.2 Анализ элементной базы по условиям эксплуатации

Анализ элементной базы выполняют с целью проверки соответствия использованных в схеме блока радиоэлементов (РЭ) требованиям условий эксплуатации.

Для выполнения анализа составим таблицу 1.

Таблица 1

Условия эксплуатации РЭС

Наименование радиоэлемента	Диапазон рабочих температур, °С	Отн. Влаж-ность, %	Вибрация, Гц (g)	Лин. уско-рения, g	Атм. давление, мм рт. ст.
Микросхемы
PIC16F876-04/P	-40…+85	98	1-2000 (10)	40	10-800
DS1621	-55…+125	98	1-2000 (10)	20	10-800
LM7805CT	-40…+125	98	1-600 (10)	10	500-800
IN74HC164N	-55…+125	98	1-2000 (10)	20	10-800
Диоды
КД522Б	-60…+125	98	1-3000 (10)	50	50-800
КД208А	-60…+85	98	1-3000 (10)	50	50-800
АЛ307БМ	-60…+70	98	1-2000 (10)	50	50-800
АЛ307ЖЛ	-60…+70	98	1-2000 (10)	50	50-800
Транзисторы
КТ972А	-45…+85	98	1-600 (10)	10	100-800
КТ853А	-60…+100	98	1-600 (10)	10	100-800
КТ315Г	-60…+100	98	1-600 (10)	10	100-800
КТ361Г	-60…+100	98	1-600 (10)	10	100-800
Дисплей
GNQ-5641BUE	-40…+85	98	1-600 (10)	10	10-800
Панель
SCL	-60…85	98	1-5000 (10)	100	5-800
Розетка на плату
СНП346	-60…+85	98	1-5000 (10)	100	5-800

Видно, что все элементы соответствуют условиям эксплуатации изделия, то есть, пригодны для отапливаемых помещений.

1.3 Разукрупнение схемы изделия

Разукрупнению обычно подвергается та часть элементной базы, которую планируется разместить на печатных платах. В нашем случае это вся ЭРА, кроме выключателя и клемника.

В электрической структурной схеме устройства можно четко выде-лить группы функциональных узлов, деление которых нецелесообразно.

Первый узел - узел микроконтроллера с разрядно-зарядными ячейками. Дальнейшее деление этого узла не целесообразно, так как микроконтроллер непосредственно управляет процессом заряда аккумуляторов, и его с разрядно-зарядными ячейками связывает большое количество проводников.

Второй узел - узел измерения температуры, собранный на микросхемах DS1621.

Третий узел - узел индикации на дисплее GNQ-5641BUE с необходимым окружением.

Способы распределения этих узлов по платам определяют варианты разукрупнения схемы блока.

Очевидно, что целесообразно разместить каждый узел на отдельной плате, так как узел измерения температуры желательно конструктивно изолировать от мощных элементов узла микроконтроллера, а узел индикации должен быть расположен удобно для пользователя, то есть так чтобы было хорошо видно дисплей и светодиоды, что при размещении его (узла индикации) с другим узлом на одной плате затруднительно.

1.4 Выводы по конструкторскому анализу

Проведя конструкторский анализ, можно сделать следующие выводы:

- вся элементная база полностью соответствует условиям эксплуатации (отапливаемые помещения);

- в изделии применены элементы со штырьковыми выводами;

- микросхемы для их защиты во время пайки и удобства сборки устанавливаются на панели;

- для лучшего теплового режима на стабилизаторы следует установить небольшие радиаторы;

- конденсаторы С5 и С7 желательно установить на клей (совет производителя);

- в результате разукрупнения схема была разбита на три узла (узел индикации, узел измерения температуры, узел микроконтроллера).

2. Техническое задание

2.1 Наименование, назначение и область применения изделия

Наименование: «Блок ЗУ с контролем окончания зарядки по темпе-ратуре».

Обозначение - БЗУ (далее в тексте также изделие, блок).

Изделие предназначено для одновременной независимой зарядки от одного до четырёх Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов типоразмера АА стабильным током 0,5 А.

Изделие предназначено для применения в бытовых условиях.

2.2 Основание для разработки

Задание на выполнение проекта, в которое входят основные требова-ния к изделию, выдано на кафедре КиТ РЭС АПИ (ф) НГТУ.

2.3 Источник разработки

Журнал Радио №1, 2009 г, с. 25-29.

Изделие разрабатывается впервые.

2.4 Цели и задачи разработки

блок зарядное устройство

Целью является разработка конструкции БЗУ и предоставление необходимой для сдачи курсового проекта конструкторской документации.

2.5 Технические требования

В состав изделия входит блок ЗУ.

Показатели назначения

Питание БЗУ осуществляется от блока питания постоянного тока напряжением 10 В (блок питания должен обеспечивать ток не менее 2 А).

Потребляемая мощность блока не превышает 20 Вт.

Режим работы блока - периодический (с минимальными пере-рывами в 15 минут).

Время готовности к работе после включения питания не более четырёх секунд.

Время зарядки аккумуляторов - около двух часов.

Зарядка аккумулятора прекращается, когда его температура увеличивается на 8 °С по сравнению с измеренной первоначально.

Требования к конструкции

БЗУ должен быть выполнен в индивидуальном корпусе.

Конструкция блока переносного типа.

Масса блока не должна превышать 0,5 кг (значение массы уточняется в процессе проектирования).

Объем блока не должен превышать 4 дм³, при этом высота не должна превышать 100 мм (значение объёма и высоты уточняются в процессе проектирования).

Изделие по защищенности от проникновения пыли и воды должно иметь исполнение корпуса соответствующего нормативам IP31 по ГОСТ 14254 (МЭК 529-89 CEI70-1 EN60529).

Требования к установке и креплению на объекте - конструкция блока должна быть рассчитана на эксплуатацию на ровной горизонтальной поверхности.

2.6 Условия эксплуатации

Изделие предназначено для эксплуатации в отапливаемых поме-щениях.

Изделие при эксплуатации должно быть стойким к внешним климатическим факторам в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2

Климатические условия эксплуатации блока

Климатический фактор (КФ)	Характеристика КФ	Предельное значение КФ	Примечание
Атмосферное пониженное давление	Рабочее минимальное, мм рт. ст.	650	устойчивость
Повышенная температура среды	Рабочая, °С Предельная, °С	+35 +50	устойчивость стойкость
Пониженная температура среды	Рабочая, °С Предельная, °С	+10 -50	устойчивость стойкость
Относительная влажность при температуре окружающей среды не выше +35 °С	Рабочая, %	95	устойчивость

• Изделие должно быть вибропрочным при воздействии синусои-дальной вибрации в диапазоне частот 1 - 100 Гц с максимальной перегрузкой 2g.
• 2.7 Требования к ремонтопригодности
• Блок БЗУ относится к восстанавливаемым и ремонтируемым изделиям.
• 2.8 Требования к элементной базе и комплектующим изделиям
• В БЗУ допускается применение комплектующих зарубежного произ-водства при условии их явного преимущества перед отечественными анало-гами по основным техническо-экономическим показателям.
• 2.9 Требование к стандартизации и унификации
• Изделие должно быть разработано с максимальным использованием стандартных деталей.
• 2.10 Требования к технологичности
• Печатную плату следует изготовить химическим негативным методом.
• 2.11 Требования к транспортировке и хранению
• Изделие, упакованное в транспортную тару, должно сохранять работоспособность после транспортирования любым видом транспорта без ограничения расстояния и скорости.
• Срок хранения без переконсервации не более двух лет.
• 2.12 Требования охраны окружающей среды

БЗУ при испытаниях, транспортировании, хранении и эксплуатации не должен наносить вреда окружающей среде, здоровью и генетическому фонду человека.

2.13 Эстетические и эргономические требования

Изделие должно быть выполнено в удобном для переноски и установке корпусе; поверхность корпуса должна быть матовой, чёрного цвета. Элементы индикации следует расположить так, чтобы с них было удобно считывать показания при установке блока на столе.

3. Анализ технического задания

Изучая ТЗ можно сделать вывод, что необходимо спроектировать блок зарядного устройства с контролем окончания зарядки по темпера-туре. Это довольно простой и надёжный способ, обеспечивающий зарядку аккумуляторов практически на сто процентов.

Проектируемое изделие не имеет встроенного блока питания, поэтому следует предусмотреть специальные клеммы для подключения внешнего БП. Использование клемм, а не разъёмов, объясняется тем, что это обеспечивает возможность подключения блоков питания с различными разъёмами выходов. Также следует предусмотреть защиту каналов питания от пере-плюсовки путём установки на них выпрямительных диодов.

Режим работы БЗУ - периодический, так как необходимо перед зарядкой новой партии аккумуляторов обеспечить охлаждение датчиков до комнатной температуры. Это является практически единственным недостатком проектируемого изделия.

БЗУ имеет малое время готовности к работе, равное четырём секундам. Блок не содержит прецизионных элементов, поэтому не нуждается в про-греве, и время готовности к работе определяется только быстротой анализа температуры датчиками температуры.

Время зарядки аккумулятора зависит от его ёмкости. Так, зарядка аккумулятора ёмкостью 1000 мА/ч займет около двух часов. Более ёмкие аккумуляторы будут заряжаться дольше.

БЗУ прекращает зарядку аккумулятора, когда его температура поднимается на восемь градусов. Поэтому необходимо расположить датчики температуры так, чтобы они плотно прилегали к аккумуляторам. Также следует предусмотреть конструктивную изолированность датчиков темпера-туры от мощных элементов изделия (мощных резисторов, транзисторов и стабилизаторов напряжения), так как нагрев датчиков ими может привести к неполному заряду аккумулятора.

БЗУ выполняется переносным, в индивидуальном корпусе. Масса изделия мала, поэтому устанавливать специальные ручки не требуется. По форме блок желательно максимально приблизить к планару и снабдить резиновыми нескользящими ножками для хорошей устойчивости.

Для защиты от пыли и частично от влаги согласно пункту 2.5.3.5 ТЗ необходимо использовать корпус, отвечающий требованиям ГОСТ 14254 для группы IP31. Первая цифра (3) означает степень защиты от пыли и посторонних частиц, которую должен иметь корпус, а вторая цифра (1) - от воды и влаги. В обоих случаях, чем больше цифра, тем выше требуемая от корпуса степень защиты. Чтобы корпус отвечал требованиям группы IP31 достаточно сделать его с крышкой без отверстий, по бокам можно устроить щелевидные вентиляционные отверстия шириной не более 2,5 мм. Учитывая, что влагу особенно боится печатная плата, целесооб-разно покрыть печатный узел несколькими слоями защитного лака.

Защита от влияния внешних климатических факторов, указанных в таблице 2, обеспечивается применением соответствующей элементной базы, дополнительных мер по защите от влияния этих факторов применять не стоит.

Согласно пункту 2.6.3 ТЗ, изделие может подвергаться вибрациям в диапазоне частот 1 - 100 Гц. По своему уровню указанное воздействие является относительно мягким, поэтому защиту проектируемого блока можно обеспечить простым средством - подбором подходящей элемент-ной базы и повышением жесткости печатных плат, деталей корпуса и других тонкостенных элементов конструкции.

Согласно пункту 2.10 ТЗ плата изготавливается химическим негатив-ным методом. Это базовый и хорошо освоенный метод изготовления одно-сторонних печатных плат.

В изделии нет элементов, особо чувствительных к воздействию внешнего электромагнитного поля, поэтому не требуется принятие мер по экранированию. Ударам блок не подвергается. В связи с этим, в качестве материала корпуса выбираем пластмассу. Чёрный цвет придаст изделию благородный вид, а практичная матовая поверхность воспрепятствует проявлению на ней отпечатков пальцев.

Для удобства считывания информации, сидя за столом или стоя, дисплей желательно расположить на верхней панели прибора под небольшим углом к горизонтали. Для повышения информативности светодиоды, сигна-лизирующие о заряде-разряде, необходимо расположить так, чтобы они легко сопоставлялись с соответствующими аккумуляторами, подключёнными к контактам.

4. Разработка конструкции блока

4.1 Компоновка блока

Все платы односторонние.

Так как по результатам разукрупнения схемы БЗУ (п. 2.3) количество плат, размещение по ним ЭРА, топология совпали с вариантом, предложен-ным в источнике разработки (п. 1.3), то размеры печатных плат берём оттуда с некоторыми изменениями для платы микроконтроллера.

Согласно ГОСТ Р 53429-2009 ПП размеры каждой из сторон печатной платы должны быть кратными: 2,5 мм при длине до 100 мм включительно; 5 мм до 350 мм включительно. Окончательно получим следующие габаритные размеры печатных плат:

1) плата измерения температуры: длина L_x1=60 мм, ширина L_y1=65 мм, максимальная высота элементов Н_эл1=9 мм;

2) плата индикации: L_x2=65 мм, L_y2=105 мм, Н_эл2=12 мм;

3) плата микроконтроллера: L_x3=110 мм, L_y3=115 мм, Н_эл3=23 мм;

Выбор типа конструкции и схемы компоновки блока.

Компоновку БЗУ для простоты сборки, эксплуатации и ремонта выполняем разъёмной. Коммутацию между платами целесообразно осуществить с помощью миниатюрных розеток СНП346 и плоских кабелей.

В результате разукрупнения электрических схем схема блока была разбита на три печатных узла, которые имеют сравнительно большие длину и ширину, и малую высоту. При этом ПУ микроконтроллера имеет самые большие габаритные размеры. Поэтому для обеспечения высокой плотности упаковки все ПУ расположим горизонтально, причём ПУ индикации и измерения температуры расположим над ПУ микроконтроллера. Это позволит вынести держатель аккумуляторов и элементы индикации на верхнюю панель (крышку), что, согласно анализу ТЗ, обеспечит удобство использования.

Во избежание нагрева датчиков ПУ измерения температуры элементами других ПУ изолируем её стенкой корпуса, в которой следует предусмотреть щелевидное отверстие для плоского кабеля. После сборки и проверки блока это отверстие желательно промазать герметиком.

Разъёмы питания и выключатель вынесем на заднюю панель.

Компоновочный эскиз БЗУ представлен на рисунке 2.

При выполнении эскиза принимаем следующие нормы:

- толщина платы h_п=2 мм (одинакова для всех плат);

- воздушный зазор между наиболее высоким элементом на плате и верхней стенкой корпуса назначается таким, чтобы не было их касания даже при вибрациях, = 4 мм;

Из эскиза видно, что длину L_к, ширину В_к и высоту Н_к кожуха блока можно рассчитать по формулам:

L_k=L_x1+3+2+70+6=60+3*5+2*1+70+6=153 мм;

B_k=L_y3+2+2=115+2*5+2*1=127 мм;

H_k=2h_б+2h_п+2+h_зв+Н_эл3+Н_эл1+Н_д+20=2*8+2*2+2*1+4+23+9+11+20= =89 мм,

где Н_д - высота держателя аккумуляторов.

Объём корпуса блока V_б будет равен:

V_б=L_k B_k H_k=153*127*89-6*127*20-0,5*70*20*127-77*127*20=

=1833499 мм²?1,445 дм³.

Габаритные размеры блока (длина L_б, ширина В_б и высота Н_б) определяются следующим образом:

L_б=L_k+l_кл=153+24=177 мм,

где l_кл - выступающая часть клемника;

В_б=B_k=127 мм;

Н_б=H_k+h_н=89+4=93 мм.

4.2 Выбор способа охлаждения

Цель данного выбора заключается в определении способа охлаждения разрабатываемого изделия, который необходим и достаточен для обеспече-ния нормального теплового режима (НТР) его конструкции.

На начальных стадиях разработки исходных данных недостаточно для детального теплового расчета, поэтому для выбора способа охлаждения используются диаграммы, построенные по результатам обработки статисти-ческих данных для большого числа реальных конструкций РЭС и их макетов. На рис. 3 приведена диаграмма, характеризующая области целесообразного применения различных способов охлаждения РЭС.

Рис. 3. Диаграмма для выбора способа охлаждения РЭС

Незаштрихованные области диаграммы относятся к следующим способам охлаждения: 1 - естественное воздушное, 3 - принудительное воздушное, 5 - принудительное жидкостное, 9 - принудительное испаритель-ное.

Заштрихованным областям соответствуют следующие способы охлаждения: 2 - естественное и принудительное воздушное, 4 - при-нудительное воздушное и жидкостное, 6 - принудительное жидкостное и естественное испарительное, 7 - принудительное жидкостное, принудитель-ное и естественное испарительное, 8 - естественное и принудительное испарительное.

Для того, чтобы выбрать способ охлаждения необходимы следующие исходные данные:

· тепловой поток Р, Вт, рассеиваемый поверхностью теплообмена (корпуса) конструкции;

· площадь поверхности теплообмена (корпуса) ;

· допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента , °С;

· максимальная температура окружающей среды , °С;

· минимальное давление окружающей среды , мм рт. ст.

Значение теплового потока можно определить через потребляемую от источников питания мощность Р_П, которая указана в ТЗ, и коэффициент полезного действия изделия :

.

Согласно пункту 2.5.2.2 ТЗ - Р_П=20 Вт, для маломощных аналого-цифровых схем - = 0,3. Тогда:

Вт.

Чтобы выбрать систему охлаждения, необходимо найти поверхност-ную плотность теплового потока P_s и допустимый перегрев в конструкции Дt_доп:

,

,

где - поправочный коэффициент на давление окружающей среды;

Н = 760 мм рт. ст. - нормальное атмосферное давление.

По таблице 1 определим =70 °С, по таблице 2 =650 мм рт. ст., =35 °С.

Так как известны габаритные размеры корпуса, то площадь поверх-ности теплообмена определяется по формуле:

=L_к·B_к+B_к·H_к+B_к·(H_к-0,02)+2·L_к·(H_к-0,02)+2·0,5·0,07·0,02

+0,006·0,02·2 +B_к(0,077+0,0728+0,006).

где L_к, B_к, H_к - длина, ширина и высота кожуха (пункт 4.1.3).

Теперь посчитаем вышеприведённые величины:

=0,153•0,127+0,127•0,089+0,127(0,089-0,02)+2•0,5•0,07•0,02+

+0,006•0,02•2+0,127(0,077+0,0728+0,006)= 0,082 м²,

Вт/м²,

°С.

Точка с координатами (P_s=184,56 Вт/м², t_доп=35 °С) попадает в область 1 на диаграмме (рис. =3), поэтому выбираем естественное воздушное охлаждение, но в виду большой мощности желательно предусмотреть вентиляционные отверстия на боковых панелях блока.

5. Разработка конструкции печатного узла и печатной платы

5.1 Выбор типа конструкции печатного узла

Будем разрабатывать печатный узел микроконтроллера.

Конструкция печатного узла в значительной степени зависит от типа конструкции самого блока, в состав которого он входит. В блоке ПУ микроконтроллера закрепляется в четырёх точках по углам - моделируется пластиной, равномерно нагруженной ЭРЭ, со свободным опиранием со всех сторон. Выбираем безрамочное исполнение, так как ПУ не подвергается ударам и значительным вибрациям. Тип сборки 1А - монтаж ЭРЭ в отверстия, ЭРЭ только на верхней А стороне изделия.

5.2 Конструирование печатной платы

Так как отсутствуют специальные требования по увеличению плотности, быстродействия и т. д., то выбираем одностороннюю ПП, которая характеризуется:

- возможностью обеспечения повышенных требований к точности выполнения проводящего рисунка;

- простотой технологического процесса изготовления ПП;

- возможностью установки ЭРЭ на плату в основном со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительного изоляционного покрытия;

- самой низкой себестоимостью.

Основными областями применения ОПП являются: бытовая техника, источники питания и средства связи.

Класс точности печатной платы - условное цифровое обозначение, характеризующее минимальные значения и точность выполнения размеров рисунка печатной платы.

Различают печатные платы семи классов точности [1]. Печатные платы 1 и 2 классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. Так как уровень насыщенности поверхности ПП - средний и имеются элементы (панельки, розетки) с большим числом достаточно близко расположенных выводов (2,54 мм), то выбираем 2-ой класс точности.

Условия эксплуатации изделия определяют выбор группы жесткости, которые нормируют условия и параметры испытаний, проводимых с целью проверки работоспособности ПП. В стандарте ГОСТ 23752-79 выделены 4 группы жесткости.

Исходя из предъявляемых к ПП требованиям по допустимым воздействиям внешних климатических факторов (таблица 1), выбираем класс жёсткости 2.

При выборе толщины ПП необходимо учитывать следующее:

- она должна соответствовать диаметрам применяемых металлизиро-ванных отверстий (для качественной металлизации отношение диаметра металлизированных отверстий к толщине ПП должно быть не менее 0,4 [1]);

- механические нагрузки в процессе эксплуатации и транспортировки;

- применяемую элементную базу.

Проектируемая ПП односторонняя, металлизированных отверстий нет. Она имеет достаточно большие размеры, на ней будут установлены достаточно массивные элементы, поэтому выбираем толщину ПП равной 2 мм.

Координатная сетка (КС) вводится для задания положения элементов рисунка печатной платы и является самым удобным способом для указанных целей.

В прямоугольной системе координат КС - ортогональная сетка, состоящая из параллельных осям X-Y линий, условно или фактически нанесенных на чертеж печатной платы (рис. 4). Расстояние между двумя соседними параллельными линиями называют шагом координатной сетки. Точки пересечения линий координатной сетки называют узлами. Узлы координатной сетки предназначены для определения местоположения монтажных и переходных отверстий, контактных площадок для монтажа поверхностно-монтируемых компонентов. Поэтому шаг координатной сетки печатной платы должен строго соответствовать шагу выводов радиоэлементов.

а б

Рис. 4 - Нанесение координатной сетки на чертеж:

а - начало координат - левый нижний угол платы;

б - начало координат, образованное линиями построения

В ПУ применяются как отечественные элементы с шагом выводов 2,5 мм, так и иностранные с шагом 2,54 мм. Так как микроконтроллер иностранного производства в корпусе DIP 28 имеет всего 14 выводов по одной стороне корпуса, то можно применить не дюймовую, а метрическую систему задания шага. Для увеличения плотности монтажа выбираем шаг равным 1,25 мм. Он принадлежит ряду предпочтительных шагов согласно ГОСТ Р 51040-97.

Выбор материала будем производить с помощью комплексного показателя качества, который записывается в виде:

,

где цi - весовые коэффициенты, определяющие значимость дифферен-циальных показателей качества;

бi* - нормированные значения показателей качества;

n - число дифференциальных показателей качества.

Нормирование дифференциальных показателей выполним следующим образом:

бi* = бi / бimax ,

где бimax - максимальное из значений i-го дифференциального показателя для сравниваемых элементов.

Для химического негативного метода изготовления односторонних печатных плат [1] рекомендуются следующие материалы: ГФ1-50Г-2, СФ1-50Г-2, СТФ1-50Г-2. По сравнению с устаревшим гетинаксом стекло-текстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение, поэтому дальнейший выбор будем производить из стеклотекстолитов.

В ПУ микроконтроллера к материалу ПП особых требований не предъявляется, поэтому в качестве показателей качества используем модуль упругости и стоимость (таблица 3).

Таблица 3

Показатели качества

Материал	Модуль упругости (б1) Е•1010, Н/м3	Примерная оптовая стоимость (б2), руб. за 1 кг
СФ1-50Г-2	3,02	312,7
СТФ1-50Г-2	3,2	371,7

Пронормируем показатели качества, сведём их к одной тенденции, выберем весовые коэффициенты. Результаты запишем в таблицу 4.

Таблица 4

Нормированные показатели качества

Материал	б1	б2
СФ1	0,94	1,19
СТФ1	1	1
цi	0,5	0,5

Подсчитаем комплексный показатель качества для каждого материала.

Для СФ1:

.

Для СТФ1:

.

Так как Q₁>Q₂, то выбираем СФ1-50Г-2.

Номинальный диаметр монтажных неметаллизированных отверстий установим исходя из следующего соотношения:

,

где - нижнее предельное отклонение диаметра отверстия, для отверстий диаметром до 1 мм включительно =0,1 мм, для отверстий диаметром более 1 мм =0,15 мм [1].

r=0,1 мм - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода, устанавливаемого ЭРЭ (ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм при ручной установке ЭРЭ);

- значение диаметра вывода ЭРЭ, устанавливаемого на ПП (для прямоугольного вывода за диаметр принимается диагональ его сечения).

Расчётное значение d следует округлить в сторону увеличения до десятых долей миллиметра и свести к предпочтительному ряду: 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5.

В соответствии с вышеизложенными соображениями составим таблицу 5.

Таблица 5

Диаметры отверстий и массы элементов

Наименование ЭРЭ	Кол. n, шт.	Тип корпуса	Масса mi, г	Диаметр или ширина и толщина выводов, мм	Диаметр монтажного отверстия, мм
Микросхемы
PIC16F876-04/P	1	DIP 28	4,6	0,48x0,29	-
LM7805CT	5	TO-220	2	0,8x0,5	1,3
Панелька
DIP 28 SCS узкая	1	-	2,5	0,6х0,15	0,9
Транзисторы
КТ972А	4	КТ972	1	0,88х0,6	1,5
КТ315Г	4	КТ315	0,18	0,95х0,2	1,3
КТ853А	4	КТ-28-2	2,8	1,15х1,1	1,9

По угла платы также следует предусмотреть четыре неметаллизирован-ных отверстия диаметром 3,5 мм под крепежные винты М3.

Выбор расстояния от края ПП до элементов печатного рисунка

Расстояние Q₁ от края ПП до элементов печатного рисунка должно быть не менее толщины платы, то есть Q₁?2 мм.

Расчёт расстояния от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка

Расстояние Q₂ от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка определяют по формуле:

,

где q - ширина ореола, скола, мм;

k - наименьшее расстояние от ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка, которое должно быть не менее 0,3 мм для первого и второго класса точности;

T_D - позиционный допуск расположения центров контактных площадок, мм;

T_d - позиционный допуск расположения осей отверстий, мм;

Дt_в.п. - верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции (ширины печатного проводника), мм.

Из [1] определяем: q=1,2 мм; T_D=0,25 мм; T_d=0,15 мм; Дt_в.п.=0,1 мм. Тогда

мм.

Таким образом расстояние от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка должно быть не менее 1,65 мм.

Расчёт ширины печатных проводников

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t, мм, рассчитывают по следующей формуле:

,

где Дt_н.о. - нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника, мм;

t_{min D} - минимально допустимая ширина проводника, которая зависит от токовой нагрузки, мм.

t_{min D} определяется по формуле:

,

где I_max - максимальный постоянный ток, протекающий в

проводниках, А;

j_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

h - толщина печатного проводника, мм.

По [1] определяем: Дt_н.о.=0,1 мм; j_доп=100 А/мм². Максимальный постоянный ток не превышает 1 А, h=0,05 мм. Тогда:

=0,2 мм,

мм.

В соответствии со вторым классом точности наименьшая ширина печатного проводника составляет 0,45 мм, что больше расчётной. Поэтому примем ширину всех проводников ПП равной 0,5 мм.

Расчёт диаметра контактных площадок

Все монтажные отверстия располагаются в зоне контактных площадок, которые предпочтительно должны иметь круглую форму. Наименьшее номинальное значение диаметра контактных площадок определяют по формуле:

,

где Дd_в.о. - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, мм;

b - гарантийный поясок, мм;

Дd_тр - величина подтравливания диэлектрика в отверстие (для ОПП она равна нулю).

По справочным данным из [1] определяем: Дd_в.о.=0,15 мм; b=0,2 мм; Дt_в.о.=Дt_н.о.=0,1 мм. Тогда:

мм.

Примем Q₂=d+1 мм.

Расчёт наименьшего расстояния между элементами проводящего рисунка S

Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка (между двумя проводниками):

где S_min - минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка, мм;

Дt_в.о - верхнее предельное отклонение ширины проводника, мм;

Т₁ - позиционный допуск расположения печатных проводников, мм;

Из [1] получаем: S_min=0,45 мм; Дt_в.о=0,1 мм; Т₁=0,1 мм.

Тогда

6. Проверочные расчёты

6.1 Расчёт вибропрочности БЗУ

Любая конструкция РЭС состоит из совокупности элементов, обладаю-щих различными запасами вибропрочности. Поэтому для расчета необхо-димо и достаточно выбрать наиболее «слабые» элементы конструкции блока. К таким элементам в первую очередь относятся печатные узлы, которые, как правило, являются наиболее крупноформатными, плоскими и слабо закреп-ленными элементами конструкции. Для расчета выберем печатный узел микроконтроллера, так как он самый большой и закреплён горизонтально.

Целью расчёта является определение действующих в ЭРЭ и ПП перегрузок при действии вибрации, а также максимальных перегрузок и проверка ЭРЭ и ПП на вибропрочность.

Исходные данные для расчета:

- геометрические размеры ПП ячейки: 0,115Ч0,11Ч0,002 м;

- параметры материала платы: плотность = 2,05 ^. 10³ кг/м³, модуль Юнга Е = 30,2 ^. 10⁹ н/м²,коэффициент Пуассона _п= 0,22 (из [1]);

- суммарная масса компонентов, установленных на плате m_э =0,1362 кг (из таб. 5);

- диапазон частот вибраций 1-100 Гц и допустимая по ТЗ перегрузка n_в = 2 (пункт 2.6.3 ТЗ).

Расчет произведем по методике, изложенной в [1].

Определение частоты собственных колебаний

Для пластины, закреплённой в четырёх точках по углам, частота собственных колебаний определяется следующим образом:

,

где a и b длина и ширина пластины, м (a>b);

- цилиндрическая жесткость, Н·м;

h - высота платы, м;

т_ПУ=m_э+m_пл - масса ПУ, кг;

m_пл=•а•b•h - масса платы, кг.

Тогда получим:

Н•м,

кг,

кг,

.

Таким образом, собственная частота рассматриваемого элемента конструкции равна 296,47 Гц, что значительно превышает частоты действующих вибраций.

Определение коэффициента динамичности

Для случая кинематического возбуждения, когда источник вибрации находится вне блока, коэффициент динамичности рассчитывают по следующей формуле:

,

где =0,01 показатель затухания для стеклотекстолита;

- коэффициент расстройки, который находится для максимальной частоты f_max действующей вибрации:

Тогда:

Для остальных частот действующей вибрации коэффициент расстройки будет меньше и соответственно коэффициент динамичности будет ближе к единице.

Определение амплитуды вибросмещения основания

Найдём амплитуду вибросмещения основания для максимальной частоты возбуждения по следующей формуле:

Определение виброускорения и виброперемещения ЭРЭ

Виброперемещение и виброперемещение определим для элемента DA1 - стабилизатора напряжения LM7805CT, расположенного практически в центре ПП, и, следовательно, нагрузки на который будут максимальны.

Найдём относительные координаты элемента DA1:

,

.

Коэффициент передачи поускорению рассчитывается по формуле:

где К₁(х)=1,29; К₂(х)=1,28 - коэффициенты формы колебаний [2].

Подставляя численные значения, получим:

Определим виброускорение:

.

Определим виброперемещение:

м.

Определение максимального прогиба ПП

Будем считать виброперемещение элемента DA1 максимальным по ПП. Тогда максимальный прогиб ПП определяется по следующей формуле:

м.

Проверка выполнения условия вибропрочности

Проверка выполнения условия вибропрочности для DA1

Действующее на элемент DA1 при максимальной частоте вибраций виброускорение меньше допустимого на этот элемент. Следовательно, условие вибропрочности выполняется.

Поскольку рассматриваемый элемент находится в наихудших условиях (в условиях максимальной нагрузки), то можно считать, что условие вибропрочности выполняется для остальных ЭРЭ.

Проверка выполнения условия вибропрочности для ПП

Допустимый прогиб ПП определяется по формуле:

.

Для обеспечения вибропрочности ПП необходимо выполнение следую-щего условия:

,

де b=0,115 м - сторона ПП.

Допустимый прогиб равен:

м.

Тогда получим:

м.

Максимальный прогиб ПП меньше допустимого, следовательно условие вибропрочности выполняется.

Расчет усталостной прочности ПУ

При длительных воздействиях вибрации в конструкции печатного узла могут возникнуть усталостные отказы (обрывы проводников, разрушения паяных соединений, нарушение контактов в электрических соединителях и др.). Время до такого отказа значительно сокращается, если печатная плата вибрирует на частоте собственного резонанса.

Чтобы обеспечить высокую усталостную долговечность конструкции ПУ (не менее 10 млн. циклов) необходимо, чтобы его собственная частота превышала некоторую минимальную величину , которую можно определить по формуле:

,

где f_0min - минимально допустимая собственная частота платы;

n_в - виброперегрузка;

b - размер короткой стороны платы, мм;

г(f₀)=25 - безразмерная постоянная, значение которой зависит от f₀ и n_в.

Тогда:

Условие выполняется.

Вывод: Конструкция ПУ вибропрочна и дополнительных мер по повышению жёсткости не требуется.

6.2 Расчёт массогабаритных показателей БЗУ

Расчет массы и габаритов блока производится с целью установления их соответствия требованиям технического задания.

Габаритные размеры блока определим по компоновочному эскизу:

L = 177 мм;

B = 127 мм;

Н = 93 мм.

Объем блока V_бл =1,445 дм³. Он меньше, чем указано в п. 2.5.3.4 ТЗ

Расчет массы блока выполним путем суммирования масс всех элементов конструкции. Исходные данные и результаты расчета сведем в таблицу 6.

Таблица 6

Наименование элемента конструкции	Кол-во, шт.	Суммарная масса, г
Кожух	1	75
ПУ измерения температуры	1	20
ПУ индикации	1	38,45
ПУ микроконтроллера	1	136,2
Винт М3Ч8	18	12
Гйки М3	18	5,4
Шайбы М3	18	2
Выключатель	1	4
Клемник	1	6
Коммутационные провода	-	8
Масса блока	307,05

Из таблицы следует, что масса разработанного блока меньше, чем заданное в п. 2.5.3.3 ТЗ предельно допустимое значение.

Заключение

В ходе выполнении курсового проекта были разработаны и оформлены пояснительная записка с комплектом конструкторской документации на блок зарядного устройства. В комплект конструкторской документации вошли: сборочный чертёж ПУ микроконтроллера, спецификация, чертёж платы, схема электрическая принципиальная, перечень элементов.

В проекте были проведены проверочные расчеты блока: вибропрочности, массогабаритный. Они подтвердили правильность выбора материалов и элементов, примененных в конструкции в сочетании с конструктивным исполнением блока.

Блок зарядного устройства в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания.

В дальнейшем БЗУ можно модернизировать. Для того чтобы БЗУ стал полноценным зарядным устройством, необходимо внести в конструкцию внутренний источник питания, так как использовать внешний крайне неудобно. Для увеличения плотности упаковки платы следует перевести на поверхностный двухсторонний монтаж. Для удобства сборки коммутацию между узлами желательно осуществить плоскими кабелями: три узла - три кабеля. Желательно также подобрать стабилизаторы с более высоким КПД.

Библиографический список:

1. Пирогова, Е.В. Проектирование и технология ПП / Е. В. Пирогова, Москва, ФОРУМ, 2005 г.

Размещено на Allbest.ru