Введение

В настоящее время наряду с литий-ионными аккумуляторами все еще широко используются никель-кадмиевые. Данные аккумуляторы дешевле литий-ионных и сохраняют свою работоспособность в любых погодных условиях, в то время как литий-ионные аккумуляторы некоторых производителей теряют свою работоспособность при отрицательной температуре.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах (как тяговые), трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолетов и вертолетов. Используются как источники питания для автономных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.

Минусом никель-кадмиевых аккумуляторов является так называемый «эффект памяти», который возникает при заряде аккумулятора без предварительного его полного разряда. Вследствие этого со временем понижается максимальная емкость аккумулятора, и время его работы сокращается.

В данном дипломном проекте будет разработано устройство для автоматизированной тренировки аккумуляторных батарей. Тренировка аккумулятора необходима для поддержания батареи в работоспособном состоянии и правильного отображения реального заряда аккумулятора. Заключается этот процесс в проведении цикла разряд - заряд.

Аккумулятор подключается через резистор к земле и полностью разряжается. Затем аккумулятор подключается к цепи питания и заряжается до тех пор, пока на нем не установится значение напряжения, не меняющееся в течение длительного времени за один цикл заряда. Если максимальное значение напряжения недостаточно высоко, проводится повторение цикла разряд - заряд.

Устройство, разрабатываемое в рамках данного дипломного проекта, может применяться сервисными службами, занимающимися обслуживанием аккумуляторов, строительными компаниями, располагающими большим количеством автономных шуруповертов и дрелей, больницами, в которых используются приборы для фиксирования жизненных показателей больного, постоянно носимые пациентом.

1. Обзор аналогов и их анализ

Современные производители электроники выпускают подобные устройства, но они, как правило, построены исключительно на аналоговых элементах и не обладают той гибкостью, какой обладает устройство, построенное на микроконтроллере.

а) Любительская схема аналогового устройства ручной тренировки аккумулятора .

Схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Любительская схема аналогового устройства ручной тренировки аккумулятора

Принцип работы данного устройства - ручное переключение аккумулятора в режим разряда и заряда.

Достоинством этой схемы является несомненная простота и дешевизна. Недостатком - ручное управление и отсутствие защиты от переразряда аккумулятора. Пользователь должен сам отслеживать значение напряжения на аккумуляторе и вовремя переключать его с разряда на заряд. Такое устройство имеет смысл изготавливать для тренировки одного-двух аккумуляторов, так как процесс тренировки занимает весьма длительное время и требует постоянного контроля.

б) Устройство автоматической тренировки аккумулятора .

Схема этого устройства представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Электрическая принципиальная схема устройства автоматической тренировки аккумулятора

Это устройство позволяет тренировать аккумуляторы только в автоматическом режиме.

Пользователь вручную задает минимальное напряжение заряда и напряжение разряда аккумулятора. Для этого к гнёздам XS1 подключают вольтметр и переменным резистором R10 устанавливают минимальное значение напряжения разряда. Затем вольтметр подключают к гнёздам XS2 и переменным резистором R8 устанавливают минимальное значение напряжения заряда.

К достоинствам этой схемы можно отнести некоторую гибкость в сравнении с предыдущей схемой, к недостаткам - отсутствие какого-либо дисплея, отображающего текущее значение напряжения на аккумуляторе, и необходимость наличия у пользователя отдельного вольтметра для программирования устройства.

в) Turnigy Fatboy 8 1300W Workststion Charger

Особняком от любительских схем стоит этот прибор, изготавливаемый сингапурской компанией LEO Energy Pte Ltd., Revolectrix. Разработчик не публикует схему внутреннего устройства прибора и не объясняет принцип его работы.

Внешний вид данного прибора изображен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Внешний вид Turnigy Fatboy 8 1300W Workststion Charger

Данный прибор способен заряжать и разряжать множество типов аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, литий-полимерные, литий-марганцевые, свинцовые с напряжением 6, 12 и 24В. Также в нем есть функция произведения нескольких циклов заряда - разряда аккумулятора, которая, однако, служит лишь подобием тренировки аккумулятора: устройство производит лишь столько циклов, сколько назначит пользователь, оно не отслеживает, восстановил ли аккумулятор свою ёмкость или нет.

Достоинства этого прибора таковы: широкий спектр видов аккумуляторов, удобство использования, возможность назначить несколько циклов разряда - заряда и наличие гарантийного обслуживания.

Но помимо достоинств данный прибор обладает также и рядом недостатков, среди которых такие как:

Невысокая надежность. Несмотря на то, что производитель заверяет покупателей в обратном, в отзывах пользователи жалуются на выход прибора из строя после непродолжительного использования;

Отсутствие полностью автоматического режима тренировки аккумулятора. Как уже было сказано выше, пользователь лишь может назначить число циклов заряда - разряда, нет функции «производить циклы разряда - заряда до восстановления ёмкости аккумулятора»;

Высокое энергопотребление;

Достаточно высокая цена прибора, составляющая $199,95 без учета цены платы с балансировочными разъемами, приобретающейся отдельно, и доставки из-за рубежа, стоимость которой тоже немаленькая из-за веса прибора около двух килограмм.

Использовать такое устройство только для тренировки никель-

кадмиевых аккумуляторов экономически нецелесообразно.

Ниже представлена сводная таблица разрабатываемого устройства и рассмотренных аналогов, в которой отображены преимущества и недостатки всех рассмотренных устройств.

Таблица 1 - Сводная таблица разрабатываемого устройства и рассмотренных аналогов

2. Разработка устройства

2.1 Разработка структурно-функциональной схемы

Данное устройство, согласно техническим требованиям, состоит из следующих блоков:

Микроконтроллер PIC18F452;

Пульт управления;

Индикаторный блок;

Два ключа;

Разъем для подключения устройства к генератору стабильного тока;

Разъем для подключения аккумулятора к устройству.

Микроконтроллер служит для обработки сигналов поступающих с пульта управления, снятия и занесения в память значения напряжения на аккумуляторе. Он обрабатывает полученные данные и в зависимости от них соединяет аккумулятор с питанием или землей через резистор. Также он предназначен для вывода информации о напряжении на аккумуляторе на семисегментный индикатор и включения определенного светодиода в зависимости от текущего цикла.

Пульт управления представляет из себя пять кнопок, которые отдают следующие команды микроконтроллеру:

а) Автоматический режим (режим заряда или разряда «выбирает» микроконтроллер руководствуясь текущим и предыдущим значением напряжения на аккумуляторе). Если не нажата эта кнопка - действует ручной режим;

б) Режим заряда (отдает микроконтроллеру команду заряжать аккумулятор; недоступно в автоматическом режиме);

в) Режим разряда (аналогично предыдущему пункту);

г) Вывод на семисегментный индикатор текущего значения напряжения на аккумуляторе;

д) Вывод на семисегментный индикатор времени прошедшего с момента начала заряда / разряда аккумулятора.

Два ключа, реализованные на транзисторах, подают на аккумулятор напряжение питания для его заряда, или соединяют его через резистор с землей для разряда. Открытием-закрытием ключей управляет микроконтроллер.

Индикаторный блок состоит из семисегментного индикатора и трех светодиодов разного цвета свечения.

На семисегментном индикаторе отображается текущее значение напряжения на аккумуляторе или время, прошедшее с момента начала заряда / разряда аккумулятора. На индикатор эта информация поступает с микроконтроллера.

Три светодиода уведомляют пользователя о текущем режиме:

Красный - режим заряда;

Желтый - режим разряда;

Зеленый - бездействие устройства.

Светодиоды подключены к микроконтроллеру и включаются по его команде.

Схема электрическая структурная изображена на ДП.44.23.01.01.03-347/13.Э1 и на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная схема устройства для тренировки аккумулятора

2.2 Выбор элементной базы

Схема основанная на базе микроконтроллера более гибкая, чем схема на базе аналоговых элементов. При такой схеме возможны любые настройки работы устройства без значительного пересмотрения устройства схемы.

В таблице 2 указаны основные характеристики микроконтроллера PIC18F452 .

Таблица 2 - Основные характеристики микроконтроллера PIC18F452

Сопротивление резистора R15, через который проходит ток разряда аккумулятора, рассчитывалось по формуле (1).

R=U/I разр, (1)

U - напряжение на аккумуляторе;

I разр - ток разряда.

Ток разряда 4,5 - вольтового аккумулятора должен быть около 90 мА, следовательно:

4,5В/0,09А=50 (Ом)

Из имеющихся в продаже резисторов максимально близким по номинальному сопротивлению являются резисторы с сопротивлением 51 Ом.

Мощность резистора рассчитывается по формуле (2).

0.092*51=0,4131Вт

Подходят резисторы мощностью 0,5Вт и выше. Был выбрал резистор CF-50 - 0,5 - 51 Ом +5%.

Остальные резисторы рассчитывались аналогично.

2.3 Разработка схемы электрической принципиальной

Электрическая принципиальная схема устройства для тренировки аккумулятора приведена на чертеже ДП.44.23.01.01.03-347/13.Э3.

В основу разработки электрической схемы положена структурная схема устройства, приведенная на чертеже ДП.44.23.01.01.03-347/13.Э1 и на рисунке 4.

Пульт управления представляет из себя пять тактовых кнопок SDTX-210-N соединенных с портом C микроконтроллера и с заземлением через резисторы CF-25 номиналом 430 Ом.

Индикаторный блок состоит из семисегментного индикатора HDSP-433G производства Agilent Led Display и трех светодиодов. Индикатор подключен восемью контактами (семь сегментов и точка) к порту B микроконтроллера через резисторы CF-25 и тремя контактами (управление каждой цифрой индикатора) к порту E.

Светодиоды:

1. Красный - L-1344IT

2. Желтый - L-1344YD

3. Зеленый - L-1344GT

Светодиоды подключены анодами к порту D микроконтроллера, а катодами через резисторы CF-25 соединены с землей.

Два ключа, соединяющие аккумулятор с источником питания / землей, реализованы на транзисторах VT1 - КТ816А и VT2, VT3 - КТ815Г.

Транзистор VT1 управляется аналоговым портом микроконтроллера через подстроечный резистор R6 - PV32P502, и в открытом состоянии пропускает через себя ток питания аккумулятора, тем самым обеспечивая его заряд.

Транзистор VT3 также управляется аналоговым портом микроконтроллера через подстроечный резистор R4 - аналог R6. При открытии транзистора VT3 происходит соединение базы транзистора VT2 через резистор R14 - CF-25 номиналом 430 Ом с землей, что обеспечивает его открытие протекание через него тока с аккумулятора через резистор R15 на землю. Таким образом производится разряд аккумулятора.

Резистор R1 - CF-25 номиналом 10 кОм, соединенный с источником питания и входным контактом микроконтроллера MCLR служит для устранения помех в контроллере мешающих его работе.

Кварцевый резонатор HC-49U подключен к выводам микроконтроллера OSC1 и OSC2.

3. Разработка конструкции устройства

3.1 Размещение компонентов на печатной плате устройства

Элементы на печатной плате располагались по возможности таким образом, чтобы сократить длину токопроводящих дорожек, обеспечивающих связь между элементами.

Микроконтроллер расположен в центре платы, индикаторная часть и блок управления вынесены в правую часть платы. Семисегментный индикатор расположен в правом верхнем углу платы, тактовые переключатели - в правом нижнем.

Конденсаторы, через которые на микроконтроллер подается питание, расположены в непосредственной близости к выводам VDD и VSS микроконтроллера.

В левой части платы расположены разъемы для подключения к источнику питания и аккумулятору, а также резисторы и транзисторы, через которые протекают токи заряда и разряда.

3.2 Разработка топологии печатной платы

Топология печатной платы разрабатывалась в среде PCAD 2004, трассировка проводилась автоматически трассировщиком Quick Route, затем некоторые дорожки доводились вручную.

Топология печатной платы изображена на ДП.44.23.01.01.03-347/13.СБ1.

3.3 Технологические параметры печатной платы

Технологические параметры печатной платы выбирались в соответствии с возможностями российских производителей изготавливать платы с заданной точностью.

Были выбраны следующие параметры:

Зазор между дорожкой и дорожкой, между контактной площадкой и контактной площадкой, между дорожкой и контактной площадкой 15 мил (0.381 мм);

Ширина токопроводящей дорожки 12 мил;

Диаметр переходного отверстия 18 мил;

Зазор между переходным отверстием и дорожкой, между переходным отверстием и контактной площадкой 15 мил;

Высота шрифта шелкографии 30 мил.

4. Разработка алгоритма программы микроконтроллера

Ниже приведен упрощенный алгоритм работы программы микроконтроллера.

а) Цикл разряда:

1) Открыть транзистор VT1 и закрыть транзистор VT2 путем подачи на аналоговые контакты микроконтроллера A0 и A1 логической единицы;

2) Удерживать уровень логической единицы на контактах в течение 10 минут;

б) Цикл заряда:

1) Закрыть транзистор VT1 и открыть транзистор VT2 путем подачи на аналоговые контакты микроконтроллера A0 и A1 логического нуля;

2) Удерживать уровень логического нуля на контактах в течение 10 минут;

4) Удерживать уровень логического нуля на контактах в течение 10 минут;

5) Считать значение напряжения, сравнить с предыдущим значением, записать новое значение в память. Если напряжение выросло, то вернуться к выполнению пункта II-4. Если нет - прекратить заряд, последнее записанное значение напряжения считать стабилизированным напряжением.

в) Автоматический режим:

1) Провести цикл разряда, затем провести цикл заряда;

2) Записать стабилизированное напряжение;

3) Провести цикл разряда, затем провести цикл заряда;

4) Сравнить новое значение стабилизированного напряжения с предыдущим. Если увеличилось - вернуться к выполнению пункта III-3. Если нет - прекратить автоматический режим.

При ручном режиме циклы разряда и заряда полностью автономны и управляются пользователем с пульта управления.

На рисунке 5 изображена блок-схема алгоритма основной программы микроконтроллера.

Рисунок 5 - Блок схема алгоритма основной программы микроконтроллера

5. Конструкторско-технологическая часть

5.1 Разработка конструкции

Устройство для тренировки аккумулятора предназначено для восстановления емкости у никель-кадмиевых аккумуляторов для шуруповертов, автономных дрелей и другой аппаратуры путем проведения нескольких последовательных циклов заряда-разряда.

Устройство для тренировки аккумулятора, по условиям эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), относится ко 2 группе: для эксплуатации в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется свободный доступ воздуха при отсутствии прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков.

Ниже приведены характеристики эксплуатации устройства для тренировки аккумулятора:

Группа аппаратуры - 2;

Минимальная рабочая температура, оС - -20;

Максимальная рабочая температура, оС - +40;

Минимальная предельная температура, оС - -40;

Максимальная предельная температура, оС - +60;

Относительная влажность (при t=+25 о-6С), % - 75;

Коэффициент эксплуатации - 3..4;

Механическая вибрация, Гц - до 50;

Удары, g - 5.

Оценка унификации конструкции устройства для тренировки аккумулятора выполняется по нескольким коэффициентам, определяемым по формулам:

а) Коэффициент унификации (К1) рассчитывается по формуле (3)

К1= (N ун.дет + N ун.сб)/ (N дет + N сб)= (27+26)/(27+27) = 0,98 (3)

N ун.дет - число унифицированных деталей

N ун.сб - число унифицированных сборок

N дет - количество деталей

N сб - количество сборок

б) Коэффициент использования микросхем (5)

К2= Nимс / (Nимс+ Nрэ)=2/(2+27)=0,06 (5)

Nимс - количество микросхем

Nрэ - количество радиоэлементов

в) Комплексный коэффициент технологичности (6)

Кком.= (К1 1 +К2 2)/ 1 + 2 =(0,98+0,06)/1,75=0,59

- весовой коэффициент ( 1 =0,75, 2 =1)

К1 - коэффициент унификации

К2 - коэффициент использования микросхем

После проверяем выполнения условия Кком Кзад., где

Кзад. - заданный коэффициент технологичности (Кзад.= 0.40,5)

Из вышеперечисленного следует, что условие выполняется, следовательно, данная конструкция является технологичной.

Под технологичностью конструкции понимается совокупность конструкторско-технологических требований, которые обеспечивают простое экономичное производство при соблюдения технологических условий. Для увеличения технологичности конструкции необходимо: увеличить количество использования ИМС, использовать дешевые материалы, еще больше упростить конструкцию, использовать типовые технологии, уменьшить номенклатуру применяемых деталей и сборок.

5.2 Разработка конструкции платы печатной

Конструкция выполнена на печатной плате размером 118х80.

Плата выполнена из двухстороннего стеклотекстолита марки СФ2-35-1,5 ГОСТ 10.316-78. Стеклотекстолит этой марки обладает высокой прочностью. Толщина печатной платы составляет 1,5 мм, минимальное расстояние между проводниками составляет 0,4 мм. Выполнить эту плату следует комбинированным методом, с шагом координатной сетки 2,5 мм. Пайку произвести припоем ПОС61 ГОСТ 21931-01. На печатной плате имеются монтажные отверстия с металлизацией для штыревых компонентов.

Плата была разработана в средах P-CAD и AutoCAD. В среде P-CAD было произведено размещение элементов и разводка печатной платы. Разводка производилась автотрассировщиком Quick Route и доводилась вручную с соблюдением минимальных размеров контактных площадок и токопроводящих дорожек и расстоянием между контактными площадками и токопроводящими дорожками. Затем, в среде AutoCAD был начерчен контур платы.

5.3 Разработка технологического процесса изготовления печатной платы

В результате конструирования был составлен технологический процесс сборки устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей.

Выбор и обоснование состава операций производится на основании ОСТ.4.ГО.054.014 «Узлы и блоки РЭА на микросхемах. Типовые технологические процессы сборки». Монтаж микросхем производится на двухслойной печатной плате. В качестве основы взят фольгированный диэлектрик ФДМЭ1 толщиной 0.09 мм., толщина прокладки (стеклоткань СП-2) в исходном состоянии равна 0.06 мм.

Для формовки и обрезки выводов микросхем используются стальные приспособления типа ГТ-1875, ГТ-1939. Выводы микросхем паяются паяльником ПЭМ СТУ 38-739-65. После распайки остатки флюса удаляются спирто-бензиновой смесью. Затем печатная плата сушится в вытяжном шкафу 2ШЖМ.

Защита от воздействия влаги осуществляется трехкратным покрытием платы лаком Э4.100. После каждого нанесения слоя лака печатная плата сушится в сушильном шкафу 2ШЖМ при температуре 110-120 градусов.

Маркировка печатной платы осуществляется по ОСТ 4.ГО.0707.200. Последней операцией является контроль узла, который осуществляется визуальным осмотром качества пайки, влагозащиты, а также функциональный контроль электрических параметров узла .

Рассмотренный технологический процесс обеспечивает сборку печатной платы с необходимыми по заданию эксплуатационными требованиями.

05 Входной контроль

10 Комплектовочная

15 Подготовительная

20 Монтажная

25 Промывочная

30 Контроль параметров

35 Маркировочная

40 Контроль

Входной контроль заключается в визуальном осмотре и контроле электрических параметров комплектующих на стенде. Печатную плату проверяют на целостность печати и на отсутствие механических повреждений.

Комплектовочная операция осуществляется на комплектовочном столе и заключается в подборе всех элементов, входящих в узел по спецификации. Комплектовочная операция проводится на специальном столе при помощи пинцета.

Подготовительная операция заключается в формовке и обрезке выводов. Выводы флюсуют погружением во флюс. Лудить выводы припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76, температура +250С., для транзисторов и диодов 2-3 с. Для этой операции используется отдельное помещение, где каждый рабочий стол оборудован местной вытяжной вентиляцией. Для осуществления этой операции используются пинцет, бокорезы, пассатижи, формовочное устройство.

Монтажная операция заключается в лужении выводов радиоэлементов, установке их на плату и пайке радиоэлементов. Выводы элементов покрывают флюсом, а затем погружают в ванну с расплавленным припоем ПОС-61 (ГОСТ21931-76) с температурой 250С. Время лужения ИМС 1-1,5 секунды, а остальных элементов 2-3 секунды. После установки и закрепления сборочных единиц на печатной плате (ОСТ5.9307-79), производят установку радиоэлементов по ОСТ.4ГО.010.030. Плату обрабатывают флюсом и пропаивают элементы волной расплавленного припоя ПОС-61. Время пайки то же. Пайка должна быть гладкой и блестящей. Качество контролируется визуально, а прочность элементов - пинцетом. После пайки необходимо тщательно отмыть паяные соединения от грязи и остатков флюса.

Промывочная операция заключается в очистке печатной платы от лишнего припоя и флюса в специальной промывочной ванне.

Контроль параметров заключается в испытаниях узла и проверке всех параметров данного устройства на стенде.

Маркировочная операция необходима для проставления на плате всех необходимых обозначений специальным лаком.

Контроль (выходной) производится после выполнения всех операций. Проводится общая окончательная проверка работоспособности полностью собранного прибора по ТУ 023.019. Технологический процесс сборки и монтажа печатного узла представлен в маршрутной карте ГОСТ 3.1118-82, которая прилагается.

5.4 Расчет надежности устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Вся современная электронная аппаратура содержит большое количество комплектующих изделий, что приводит к большому количеству паяных соединений, проводников, и проводов. Поэтому в процессе эксплуатации аппаратуры возможен выход из строя любого комплектующего изделия. В результате этого электронная аппаратура становится неработоспособной.

Отказы аппаратуры могут быть частыми и редкими, поэтому возникают различные вопросы:

Насколько частыми будут отказы;

Сколько времени проработает аппаратура до первого отказа;

Сколько времени понадобится на ремонт;

Что нужно сделать для увеличения надежности изделия.

Надежность - это свойство изделия выполнять свои заданные функции, сохраняя эксплуатационные параметры в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Надежность характеризуется долговечностью, безотказностью и ремонтоспособностью.

При разработке любой радиоэлектронной аппаратуры может производиться два вида расчетов надежности - предварительный и окончательный. По результатам таких расчетов принимается решение: продолжать вести разработку устройства дальше или перерабатывать схему.

Целями расчета надежности являются:

Выбор наиболее надежного варианта схемы;

Выбор наиболее надежной конструкции прибора;

Расчет количественных показателей надежности;

Расчет времени ремонта.

Предварительный расчет надежности выполняется на этапе эскизного проекта, когда изделие разработано только в виде принципиальной схемы. Окончательный расчет надежности выполняется на этапе изготовления опытного образца или серии, где рассчитывается надежность изделия в целом.

Для разработанного в данном дипломном проекте устройства делается предварительный расчет надежности. Для расчета используются средние значения интенсивности отказов лср., значения коэффициентов эксплуатации Кэ и режима Кр не учитываются, то есть реальные условия эксплуатации и режимы работы элементов схемы в расчет надежности не принимаются. Все необходимые данные для расчета представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Элементы

W ср =?л ср *N i *10 -6 =14,487*10 -6 , 1/ч

W ср - средний параметр потока отказов элементов данной схемы;

л ср - средняя интенсивность отказов каждого элемента;

N i - количество элементов.

Рассчитаем среднее время наработки на отказ:

T0 = 1/W ср = 1/14,487*10 -6 = 69027,4 ч

Вывод: Так как полученное в результате расчетов значение T0= 69027,4 часов больше, чем Т0.зад (Т0.зад=10000 часов), то считаем, что разработанное устройство является надежным.

Пути повышения надежности заключаются в следующем:

На этапе конструирования:

Разумное сокращение количества элементов схемы, выбор элементов с меньшей интенсивностью отказов;

Использование в новой разработке унифицированных и стандартных изделий;

Использование постоянного или скользящего резервирования.

На этапе производства:

Строгое соблюдение технологической дисциплины (т.е. соблюдение конструкторской или технологической документации);

Тщательная организация входного и выходного контроля;

Обязательное осуществление технологического прогона (применения в соответствии с назначением в условиях близких к эксплуатационным) изготавливаемой аппаратуры;

При необходимости проведение электротермотренировок (испытание под нагрузкой, при изменении температуры окружающей среды, т.е. с максимальным приближением к реальным условиям эксплуатации).

На этапе эксплуатации для повышения надежности рекомендуется соблюдать правила эксплуатации.

5.5 Разработка технологического процесса настройки устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Для проверки работоспособности устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей необходимо иметь определенные программные средства:

Транслятор языка ассемблер;

Отладчик;

Программатор.

Для проверки работоспособности платы в первую очередь необходимо запрограммировать микроконтроллер. Для этого следует установить микроконтроллер в соответствующую кроватку программатора, подсоединить его к ЭВМ через последовательный порт и подать питание на него и ЭВМ. Далее произвести необходимые настройки с указанием файлов, содержащих программу реализации функций устройства.

По завершении программирования перенести микроконтроллер на плату устройства. Далее подается питание на плату управления и осциллографом проверяется наличие выходных сигналов. По окончании настройки нужно выключить изделие и вынуть плату устройства, которую передать на рабочее место, на котором производится операция влагозащиты и сделать отметку в сопроводительной карте.

6. Организационная часть

6.1 Техническая подготовка производства и этапы конструкторской подготовки

Технологическая подготовка производства - это совокупность взаимосвязанных процессов, обеспечивающих технологическую готовность предприятия к выпуску изделий заданного уровня качества при установленных сроках, объеме выпуска и затратах. Технологическая подготовка должна осуществляться в соответствии с правилами и положениями ЕСТПП ГОСТ 14002-73. Данный этап должен обеспечивать полную технологичную готовность предприятия к производству изделия высшей категории качества. Технологическая подготовка начинается в процессе создания конструкции изделия и подразделяется на четыре этапа:

Обеспечение технологичности конструкции изделия;

Разработка технологических процессов;

Проектирование и изготовление технологического оснащения;

Наладка и внедрение запроектированных технологических процессов.

Основной целью технологической подготовки является разработка и проектирование совершенно новых технологических процессов и направлений по производству современных видов передовой техники.

Конструкторская подготовка в соответствии с ГОСТ 2.103-68 включает в себя следующие этапы:

Техническое задание

Аванпроект

Эскизный проект

Технический проект

Рабочая документация

Опытный образец

Опытная партия

Техническое задание включает в себя: изучение инструкций и других официальных материалов по теме. Составление библиографии (систематизированного перечня публикаций по теме). Изучение литературы, выводы. Разработка проекта технического задания на проектирование изделия. Согласование с заинтересованными организациями. Составление калькуляции-темы, и плана - графика. Технико-экономическое обоснование целесообразности создания изделия. Утверждение технического задания на проектирование устройства.

Техническое предложение включает в себя: уточнение технико-экономического обоснования. Уточнение принципиальных путей создания нового изделия. Уточнение общего объёма проектных работ, сроков выполнения этапов ОКР. Уточнение затрат на проектные работы и на производство нового изделия. Согласование с заказчиком аванпроекта.

Эскизный проект включает в себя: составление принципиальной схемы изделия. Проработка принципиальной схемы, проведение основных расчётов.

Выбор общих конструктивных и технологических решений. Составление руководящих указаний по конструированию. Разработка чертежей общего вида изделия. Проектирование и изготовление макета и сложных устройств. Испытание макета. Уточнение по итогам испытаний технико-экономической эффективности изделия. Оформление эскизного проекта (полный объём документации по эскизному проекту). Защита эскизного проекта на научно-техническом совете.

Технологический проект включает в себя: технологический контроль КД. Принятие окончательных решений по технологической конструкции и точности изготовления изделия и его составных частей на основе окончательных конструктивных решений и полного представления об устройстве изделия в соответствии с основными задачами решаемыми при отработке конструкции на технологичность.

Рабочая документация включает в себя: технологический контроль КД. Обеспечение технологичности конструкции и точности изготовления изделия и его составных частей.

Изготовление опытного образца включает в себя: окончание основной отработки конструкции на технологичность. Конкретизация условий обеспечения условных требований технологичности, в том числе использование типовых ТП, переналадка оснастки и технологического оборудования в соответствии с условиями серийного (массового) производства и намечаемым масштабом выпуска изделия.

Изготовление установочных серий включает в себя: доведение конструкции изделия до соответствия требованиям серийного производства с учётом применения наиболее производительных ТП, средств технологического оснащения, при изготовлении основных составных частей.

Изготовление опытной партии включает в себя: окончательную отработку изделия и технологического процесса в период изготовления контрольной серии.

6.2 Организация процесса сборки устройства на предприятии

Приведённое в данном дипломном проекте устройство (устройство для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей), представляет собой устройство для восстановления емкости в никель-кадмиевых аккумуляторных батареях. Следовательно, такое устройство может быть полезным практически всем, где есть такие аккумуляторы. Спрос на такое изделие будет средним, потому что никель-кадмиевые аккумуляторы постепенно вытесняются из широкого использования литий-ионными и литий-полимерными и становятся узконаправленными, значит производство, которое будет его реализовывать, будет серийным.

В производстве будут задействованы следующие рабочие:

Контролёр ОТК;

Монтажник;

Сборщик;

Программист;

Комплектовщик.

Процесс сборки устройства осуществляется в несколько этапов, так как в него входят различные типы операций. Предприятие не занимается изготовлением отдельных деталей, поэтому вначале закупаются стандартные детали, и подаётся заказ на изготовление таких деталей как плата печатная, а так же пластмассовых корпусов, отливаемых на заводе по производству пластмасс.

Сначала печатные платы и корпуса, поступившие с заводов-изготовителей, проходят входной визуальный контроль. Затем производится программирование контроллера и осуществляется монтаж печатной платы. После того, как плату помыли и высушили, они поступают на межоперационный контроль, где проверяют соответствие конструкторской документации, качество пайки, отсутствие налёта на плате и элементах после ультразвуковой ванны.

В конце изделие проходит выходной контроль, включающий в себя визуальный контроль и тестирование работы каждого из блоков.

7. Экономическая часть

7.1 Анализ положения дел в отрасли

На данный момент в области восстановления никель-кадмиевых аккумуляторных батарей не ведется почти никаких разработок. Ранее были выпущены устройства, позволяющие восстанавливать батареи в ручном режиме, только в автоматическом и устройства - «комбайны», позволяющие производить с аккумулятором множество действий, таких как заряд, разряд, проведения нескольких циклов заряда-разряда, однако, не было разработано устройство, способное с помощью микроконтроллера выполнять как циклы разряда и заряда, так проводить нескольких циклов заряда-разряда до восстановления емкости никель-кадмиевого аккумулятора.

Потенциальными потребителями данного товара являются сервисные службы, занимающиеся обслуживанием никель-кадмиевых аккумуляторов, строительные компании, располагающие большим парком шуруповертов, автономных дрелей и прочих устройств, питающихся от никель-кадмиевых аккумуляторов, а также больницы, использующие приборы для фиксации жизненных показателей пациентов, которые тоже питаются от никель-кадмиевых аккумуляторов.

7.2 Суть разрабатываемого проекта

Устройство, разрабатываемое в этом дипломном проекте, предназначается для тренировки (восстановления емкости) никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Тренировка может производиться как в автоматическом режиме, так и в ручном.

В автоматическом режиме микроконтроллер отслеживает напряжение на аккумуляторе и сам управляет циклами разряда и заряда согласно записанной в него программе. Количество циклов разряда-заряда определяется не пользователем, а программой микроконтроллера и зависит от того, насколько восстановился аккумулятор и возможно ли дальнейшее восстановление.

В ручном режиме пользователь сам выбирает циклы разряда или заряда путем нажатия соответствующих кнопок. Отслеживать напряжение на аккумуляторе пользователь может с помощью семисегментного индикатора, на который оно выводится с микроконтроллера.

Реализовать устройство предполагается в виде печатной платы с разъемом для питания и разъемами для подключения клемм аккумулятора. Устройство будет сопровождаться руководством пользователя.

Устройство будет работать от генератора постоянного тока с напряжением от 4.5 до 5.5 вольт. Предназначается оно для аккумуляторов с напряжением 3.6 вольт.

Данное устройство не является чем-то кардинально инновационным, однако, сочетание возможности автоматической тренировки аккумулятора и ручной, а также использование в своей основе микроконтроллера ранее не применялось.

У данного устройства не так много аналогов, но над всеми ими оно имеет ряд преимуществ. Устройство лучше схемы на аналоговых компонентах в том, что в нем присутствует функция автоматической тренировки аккумулятора, есть защита от переразряда аккумулятора, который может привести аккумулятор в негодность, а также есть индикация текущего напряжения на аккумуляторе и времени с начала текущего цикла разряда или заряда.

Уже существующая схема автоматической тренировки аккумулятора не включает в себя ручной режим, требует наличия у пользователя отдельного вольтметра и не располагает к использованию простым пользователем. Устройство, разрабатываемое в данном дипломном проекте, позволяет, как уже было сказано, тренировать аккумулятор как ручном, так и в автоматическом режиме, обеспечивает информативность и пригодно для использования любым человеком.

Turnigy Fatboy 8 1300W Workststion Charger, еще один аналог, обладает большим набором функций, таких как разряд аккумулятора, его заряд, проведение нескольких циклов разряда-заряда (количество циклов определяется пользователем), но проигрывает всем аналогам по стоимости. Это устройство чрезвычайно дорого (порядка 200 долларов без учета доставки из-за границы) и ненадежно: пользователи в своих отзывах отмечают быстрый выход этого устройства из строя. К тому же, это устройство не позволяет проводить полностью автоматическую тренировку аккумулятора.

Проектируемое устройство не лишено перспектив совершенствования. Например, возможно расширение ассортимента обслуживаемых аккумуляторов по напряжению, придание индикаторному блоку еще большей информативности. Возможно создание корпуса для устройства с вынесением на него блока управления и индикаторного блока.

7.3 Нормирование технологического процесса сборки и монтажа устройства

Т шк =Т оп *(1+К/100), (7)

Т оп - оперативное время, затрачиваемое на выполнение самой операции;

К - комплексный коэффициент, учитывающий затраты времени на все нормируемые категории затрат рабочего времени.

Т оп берётся из нормативов времени, состоящих из двух разделов:

Укрупнённые нормативы времени на сборочные работы;

Укрупнённые нормативы времени на монтажные работы.

Для серийного производства К=10,5%

Затраты времени на сборку и монтаж устройства отражены в таблице 4.

Таблица 4 - Затраты времени на сборку и монтаж устройства

Диаграмма Ганта представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - диаграмма Ганта

7.4 Составление планово-операционной карты технологического процесса сборки и монтажа устройства

Сдельная расценка по операциям определяется по формуле(8)

Р сд. i = (С ч. i *Т шк. i)/60, руб. (8)

где С ч. i - часовая тарифная ставка (по разряду работ)

С ч. i для 5 разряда = 70 руб.

Планово-операционная карта сборки представлена в таблице 5.

Таблица 5 - Планово-операционная карта сборки и монтажа устройства

7.5 Составление плановой калькуляции себестоимости изделия и определение его розничной цены

При составлении плановой калькуляции укрупнённо выделяют три основных элемента:

М - материальные затраты;

ЗП - заработная плата основных рабочих;

Н - накладные расходы.

Стоимость основных материалов и заработная плата основных рабочих - прямые затраты. Накладные расходы относятся к косвенным затратам и включают в себя: цеховые, общезаводские, внепроизводственные и т.д.

Материальные затраты определяются по двум составляющим:

Сырьё и основные материалы;

Покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты.

Ведомость основных (вспомогательных) материалов и расчет их стоимости представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Ведомость основных (вспомогательных) материалов на изделие и расчёт их стоимости

Расчет стоимости комплектующих деталей и полуфабрикатов отображен в таблице 7.

Таблица 7 - Расчёт стоимости комплектующих деталей и полуфабрикатов

Планирование себестоимости розничной цены изделия представлено в таблице 8.

Таблица 8 - Планирование себестоимости розничной цены изделия

Таким образом, розничная цена изделия составляет 510 рублей 24 копейки.

7.6 Расчёт планово-экономических показателей работы участка

Прибыль является обобщающим экономическим показателем, характеризующим конечные результаты деятельности предприятия (подразделения). Из прибыли образуется резервный фонд, и производятся отчисления в фонд развития, за счёт которых осуществляются мероприятия по расширению и техническому перевооружению производства.

В данном дипломном проекте будет высчитываться только плановая прибыль, так как для расчёта чистой прибыли нужно учитывать все налоги, в том числе и на имущество, которое здесь не описывается.

Исходя из того, что производство устройства для автоматизированной тренировки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей является крупносерийным, количество изготовляемых изделий условно можно принять равным 5000 шт.

Расчет прибыли представлен в таблице 9

Таблица 9 - Расчёт прибыли

Расчет величины налогов представлен в таблице 10.

Таблица 10 - Расчет величины налогов

Чистая прибыль составляет 87321 руб.

При этом чистая прибыль должна распределяться следующим образом:

В страховой фонд (20% от чистой прибыли) - 17464,2 руб.

На расширение производства (10% от чистой прибыли) - 8732,1 руб.

Нераспределенная прибыль - 61124,7 руб.

Нераспределенная прибыль берется в расчет срока окупаемости капитальных вложений (Ток).

Ток = Нераспределенная прибыль / Капиталовложения

Ток = 5 лет

8. Обеспечение безопасности и санитарно-гигиенических условий работы

Задача данного раздела состоит в том, чтобы провести анализ условий и безопасности труда на рабочем месте пользователя. При проектировании безопасности на рабочем месте с ПЭВМ необходимо не только добиваться высокого качества и надёжности технического обеспечения, но и создавать комфортные параметры окружающей среды для пользователей.

Здесь представлены нормированные значения и результаты анализа по следующим параметрам:

Микроклимат

Вредные вещества и воздухообмен

Поражение электрическим током

В анализируемом помещении осуществляется работа по разработке проектов и алгоритмов программных продуктов (ПП).

8.1 Расчет и анализ параметров микроклимата

Расчетные схемы для анализа параметров микроклимата представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Расчетные схемы для анализа параметров микроклимата

Принятые обозначения:

К - калорифер

В-воздухораспределитель

ВОД.ОТ. - радиатор водяного отопления

КОН. - кондиционер

ИПТ - источник повышенного тепла

Микроклимат помещения определяется температурой (°С), относительной влажностью (%) и скоростью движения воздуха (м/с). Согласно ГОСТ 12.1.005-88 «ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», нормирование параметров микроклимата в рабочей зоне производится в зависимости от периода года, категории работы по энергозатратам, наличия в помещении источников явного тепла.

В холодное время года оптимальную температуру позволяет поддерживать центральная отопительная система.

Микроклимат оценивается сочетанием четырех факторов:

Температурой воздуха;

Скоростью движения воздуха;

Относительной влажностью;

Радиационной температурой излучающих ограждений.

Относительная влажность воздуха W(%) определяется зависимостью (9)

где A - абсолютная влажность воздуха, то есть количество водяного пара (г), содержащегося в одном кг воздуха;

F - максимальная влажность, то есть количество водяного пара (г), которое может содержаться в одном кг воздуха при данных температуре и давлении. С повышением температуры F возрастает.

8.2 Расчет параметров систем воздушного и водяного отопления для холодного периода года

Улучшение микроклимата достигается применением теплоизолирующих материалов, уменьшением теплопроводности оконных проёмов, что позволяют уменьшить теплопритоки в тёплый период в помещение и теплопотери в холодный период года.

Для улучшения условий жизнедеятельности устанавливают системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления по виду теплоносителя делят на паровые, водяные, воздушные, электрические и топливные. Отопление компенсирует потери теплоты Q п (кДж/ч), которые складываются из теплоты, уходящей через ограждения и остекление помещений Q огр. (кДж/ч), и теплоты, необходимой для нагрева холодного воздуха Q хв. (кДж/ч), поступающего в помещение:

где F огр. - площадь ограждения или остекления, м 2 ;

К огр. - коэффициент теплопередачи, кДж/(м 2 *град.);

L - количество поступающего наружного воздуха, м 3 /ч;

с - удельная теплоёмкость наружного воздуха, кДж/(кГ*град);

с - плотность воздуха, кГ/м 3 ;

t вн. -t нар. - температура внутреннего и наружного воздуха, град.

Во многих случаях определяющими являются потери теплоты через оконные проёмы помещений. Если теплопередача через стенки помещения значительна, то определяется сумма теплопотерь.

В настоящем проекте рассматриваются потери теплоты через оконные проёмы. Холодный воздух в помещение может поступать от системы вентиляции, от проветривания и посредством инфильтрации через щели и отверстия, особенно при ветре большой скорости. Для нагревания этого воздуха требуются дополнительные затраты теплоты, которые в расчётах иногда принимаются как (15-20)% от общих теплопотерь. Система отопления должна иметь теплопроизводительность не меньше, чем общая величина теплопотерь.

Подобные документы

Функциональная и электрическая схемы, алгоритм работы устройства сложения с накоплением суммы. Выбор серии ИМС. Пояснения к принципиальной и функциональной электрической схеме. Временные диаграммы. Разработка и расчет печатной платы, схемы монтажа.

курсовая работа , добавлен 08.06.2008


Выбор формата данных. Разработка алгоритма и графа макрооперации. Разработка функциональной электрической схемы и её особенности. Выбор элементной базы. Разработка принципиальной схемы. Микропроцессорная реализация устройства на языке Ассемблер.

курсовая работа , добавлен 04.05.2014


Анализ исходных данных. Выбор элементной базы и способа монтажа. Расчет конструкции печатной платы. Создание библиотеки компонентов. Формирование схемы электрической принципиальной с протоколом ошибок. Компоновка, трассировка, файл отчетов о трассировке.

курсовая работа , добавлен 19.09.2010


Принцип работы электрических термометров, преимущества использования. Структурная схема устройства, выбор элементной базы, средств индикации. Выбор микроконтроллера, разработка функциональной схемы устройства. Блок-схема алгоритма работы термометра.

курсовая работа , добавлен 23.05.2012


Анализ особенностей устройства и технических требований; принципиальной электрической схемы. Выбор элементной базы с оформлением эскизов по установке навесных элементов. Разработка компоновочного эскиза устройства. Расчет критерия компоновки схемы.

контрольная работа , добавлен 24.02.2014


Технические характеристики, описание конструкции и принцип действия (по схеме электрической принципиальной). Выбор элементной базы. Расчёт печатной платы, обоснование ее компоновки и трассировки. Технология сборки и монтажа устройства. Расчет надежности.

курсовая работа , добавлен 07.06.2010


Функциональная спецификация, описание объекта, структура системы и ресурсов микроконтроллера. Ассемблирование, программирование микроконтроллера и разработка алгоритма работы устройства, описание выбора элементной базы и работы принципиальной схемы.

курсовая работа , добавлен 02.01.2010


Описание функциональной схемы цифрового устройства для реализации микроопераций. Выбор элементной базы для построения принципиальной электрической схемы цифрового устройства. Разработка и описание алгоритма умножения, сложения, логической операции.

курсовая работа , добавлен 28.05.2013


Функциональная спецификация и структурная схема электронных автомобильных часов-термометра-вольтметра. Разработка алгоритма работы и принципиальной электрической схемы. Получение прошивки программы для памяти микроконтроллера в результате ассеблирования.

курсовая работа , добавлен 26.12.2009


Разработка системы считывания данных с пяти четырехбитных датчиков. Проектирование структурной схемы микроконтроллера, схемы электрической принципиальной, блок-схемы работы программного обеспечения устройства. Разработка алгоритма основной программы.

В результате неправильной эксплуатации автомобильных аккумуляторов пластины их могут сульфатироваться, и он выходит из строя.
Известен способ восстановления таких батарей при заряде их "асимметричным" током. При этом соотношение зарядного и разрядного тока выбрано 10:1 (оптимальный режим). Этот режим позволяет не только восстанавливать засульфатированные батареи аккумуляторов, но и проводить профилактическую обработку исправных.

На рис. 1 приведено простое , рассчитанное на использование вышеописанного способа. Схема обеспечивает импульсный зарядный ток до 10 А (используется для ускоренного заряда). Для восстановления и тренировки аккумуляторов лучше устанавливать импульсный зарядный ток 5 А. При этом ток разряда будет 0,5 А. Разрядный ток определяется величиной номинала резистора R4.

Рис. 1 Электрическая схема зарядного устройства.

Схема выполнена так, что заряд аккумулятора производится импульсами тока в течение одной половины периода сетевого напряжения, когда напряжение на выходе схемы превысит напряжение на аккумуляторе. В течение второго полупериода диоды VD1, VD2 закрыты и аккумулятор разряжается через нагрузочное сопротивление R4.

Значение зарядного тока устанавливается регулятором R2 по амперметру. Учитывая, что при зарядке батареи часть тока протекает и через резистор R4 (10%), то показания амперметра РА1 должны соответствовать 1,8 А (для импульсного зарядного тока 5 А), так как амперметр показывает усредненное значение тока за период времени, а заряд производится в течение половины периода.

В схеме предусмотрена защита аккумулятора от неконтролируемого разряда в случае случайного исчезновения сетевого напряжения. В этом случае реле К1 своими контактами разомкнет цепь подключения аккумулятора. Реле К1 применено типа РПУ-0 с рабочим напряжением обмотки 24 В или на меньшее напряжение, но при этом последовательно с обмоткой включается ограничительный резистор.

Для устройства можно использовать трансформатор мощностью не менее 150 Вт с напряжением во вторичной обмотке 22...25 В.

Измерительный прибор РА1 подойдет со шкалой 0...5 А (0...3 А), например М42100. Транзистор VT1 устанавливаются на радиатор площадью не менее 200 кв. см, в качестве которого удобно использовать металлический корпус конструкции зарядного устройства.

В схеме применяется транзистор с большим коэффициентом усиления (1000...18000), который можно заменить на КТ825 при изменении полярности включения диодов и стабилитрона, так как он другой проводимости. Последняя буква в обозначении транзистора может быть любой.

Рис. 2 Электрическая схема пускового устройства.

Для защиты схемы от случайного короткого замыкания на выходе установлен предохранитель FU2.

Резисторы применены такие R1 типа С2-23, R2 - ППБЕ-15, R3 - С5-16MB, R4 - ПЭВ-15, номинал R2 может быть от 3,3 до 15 кОм. Стабилитрон VD3 подойдет любой, с напряжением стабилизации от 7,5 до 12 В.

Приведенные схемы пускового (рис.2) и зарядного устройств (рис. 1) можно легко объединить (при этом не потребуется изолировать корпус транзистора VT1 от корпуса конструкции), для чего на пусковом трансформаторе достаточно намотать еще одну обмотку примерно 25...30 витков проводом ПЭВ-2 диаметром 1,8...2,0 мм.

Содержание:

Основные методы восстановления и тренировки аккумуляторных батарей

Восстановление аккумуляторов методом длительного заряда малыми токами

Этот метод успешно используется при небольшой и не застарелой сульфатации аккумуляторных пластин. АКБ подключают на зарядку током нормальной величины (10 % от общей ёмкости АКБ). Зарядка производится до момента начала образования газов. После чего делается перерыв на 20 минут. На втором этапе проводят заряд АКБ, уменьшая значение тока до 1 % от ёмкости. Затем делают перерыв на 20 мин. Циклы заряда повторяет несколько раз

Восстановление аккумуляторов методом глубоких разрядов малыми токами

Для восстановления аккумулятора с признаками застарелой сульфатации используется метод заряда АКБ с перезарядом токами обычной величины и последующим длительным глубоким разрядом с малыми значениями тока. Путём осуществления нескольких циклов сильного разряда токами малых величин и обычного заряда аккумулятор может быть успешно восстановлен.

Восстановление аккумуляторов методом заряда циклическими токами

Проводится АКБ, измеряется внутреннее сопротивление батареи. В случае превышения фактического сопротивления над установленным заводским значением батарею подвергают заряду малым током, после этого делают перерыв 5 минут и начинают разряд аккумулятора. Вновь делают перерыв и повторяют циклы «заряд - перерыв - разряд - перерыв» многократно.

Восстановление аккумуляторов импульсными токами

Суть метода состоит в подаче для заряда АКБ тока импульсной формы. Амплитуда значения тока в импульсах выше обычных значений в 5 раз. Максимальные значения амплитуды кратковременно могут достигать 50 Ампер. Длительность импульса при этом мала - несколько микросекунд. При таком режиме заряда происходит расплавление кристаллов сульфата свинца и восстановление батареи

Восстановление аккумуляторов методом постоянного напряжения

Суть метода состоит в заряде АКБ током постоянного напряжения, при этом сила тока меняется (обычно уменьшается). При этом на первом этапе процесса заряда сила тока составлять 150 % от ёмкости АКБ и с течением времени постепенно снижаться до малых значений

- профессиональный прибор для восстановления и тренировки аккумуляторов

SKAT-UTTV - это современный автоматический прибор для проведения тестирования, тренировки, восстановления, заряда и реанимации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей различного типа (герметичных и открытого типа). Прибор даёт возможность определить, как долго может прослужить в дальнейшем АКБ, провести его заряд, восстановление аккумулятор с пониженной ёмкостью. Прибор имеет удобный пользовательский интерфейс, все режимы работы и параметры заряда и разряда выводятся на цифровой дисплей

Возможности прибора по восстановлению и тренировке аккумуляторов

• Прибор осуществляет определение остаточной ёмкости батареи способом контрольного разряда, обычный заряд батареи, ускоренный заряд батареи, восстановление аккумуляторов, имеющих сульфатирование пластин, тренировку батарей с помощью чередования циклов заряда и разряда, принудительный заряд сильно разряженной батареи.
• Прибор имеет эффективную защиту от короткого замыкания в цепи, электронную защиту от ошибочного подключения к клеммам батареи, надёжную защиту от процесса перегревания элементов прибора, понятную световую индикацию режимов работы устройства, вывод параметров батареи и режимов работы прибора.

Методы восстановления и тренировки аккумуляторов устройства SKAT-UTTV

Прибор использует следующие методы заряда, тренировки и восстановления аккумуляторов:

• заряд постоянным током значения 10 % от емкости АКБ до достижения порога по напряжению;
• заряд постоянным током значения 5 % от емкости АКБ до достижения порога по напряжению;
• заряд постоянным напряжением с автоматическим выбор значения тока;
• заряд постоянным током значения 20 % от емкости АКБ до достижения порога по напряжению;
• заряд постоянным напряжением до достижения порога по значению емкости батареи;
• заряд асимметричным током с чередованием импульсов оптимального заряда, подбираемых автоматически до достижения порога по значению напряжения батареи разряд постоянным током малого значения от 5 % от ёмкости АКБ до достижения минимального порога по напряжению.

В процессе выполнения заряда, тренировки и восстановления аккумулятора прибор выбирает автоматически программы использования всех методов на различных циклах.
Есть возможность программировать пользовательские программы заряда, тренировки и восстановления аккумуляторов путём установки следующих параметров режимов работы: выбор метода, количество циклов работы, значения электрических параметров, значения пределов срабатывания.

Прибор предназначен для профессионального восстановления аккумуляторов различных типов, в том числе автомобильных аккумуляторов и АКБ для источников бесперебойного питания. Использование устройства даёт возможность существенно увеличить сроки использования аккумуляторов в различных устройствах.

Описываемый прибор предназначен для обслуживания кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В и емкостью от 40 до 100 А*ч. Основное <заболевание> таких батарей — сульфатация, вызывающая повышение внутреннего сопротивления и снижение емкости батареи. Один из наиболее известных методов борьбы с сульфатацией заключается в периодической (1 — 2 раза в год) разрядке батареи малым током (не более 0,05 ее емкости) и последующей зарядке ее таким же током.

Менее известен способ десульфатации, предусматривающий зарядку аккумуляторной батареи циклами: 6… 8 ч зарядки током 0,04…0,06 от значения емкости с перерывом не менее 8 ч. В течение перерыва электродные потенциалы на поверхности и в глубине активной массы пластин аккумуляторов выравниваются, более плотный электролит из пор пластин диффундирует в межэлектродное пространство, при этом напряжение аккумулятора понижается, а плотность электролита увеличивается.

Рис. 1. Схема прибора для автоматической тренировки аккумуляторов

В предлагаемом приборе использован псевдо-комбинированный способ, при котором,производится разрядка до напряжения на каждом аккумуляторе 1,7…1,8 В, а затем последующая зарядка циклами. Критерием, используемым при управлении процессом зарядки, является напряжение на аккумуляторной батарее, функционально связанное со степенью заряженности ее. Зарядка в каждом цикле заканчивается при достижении на клеммах батареи напряжения 14,8… 15 В, а возобновляется при снижении его до 12,8…13 В. О таком способе зарядки рассказано в статье.

Прибор для автоматической тренировки аккумуляторов (ПАТА) проводит разрядку батареи до напряжения 10,5…10,8 В, автоматически переключается на режим зарядки и осуществляет ее циклами, как указано выше. Прибор работает в трех режимах. В первом режиме (<Щ>) возможны два варианта: либо зарядка циклами, либо разрядка до напряжения 10,5…10,8 В, а затем зарядка циклами. В следующем режиме () происходит многократный переход от зарядки к разрядке при достижении на клеммах аккумуляторной батареи напряжения 14,8…15 В и от разрядки к зарядке при напряжении на клеммах 10,5…10,8 В. Третий режим (<НЗ>) соответствует работе обычного зарядного устройства без автоматики.

Разряжается батарея током 2…1,7 А, а заряжается током 2 или 5 А (в первом случае он изменяется от 2 до 1,5 А, во втором — от 5,8 до 4,5 А).

Прибор питается от сети переменного тока напряжением 220 В и потребляет не более 25 Вт при отсутствии зарядки и не более 180 Вт при максимальном зарядном токе.

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 1. Понижающий трансформатор Т1 обеспечивает на вторичной обмотке переменное напряжение около 19 В. С помощью диодов VD1 — VD4 получается пульсирующее напряжение амплитудой около 27 В, а после диода VD5 на конденсаторе С1 образуется постоянное напряжение около 26 В, необходимое для питания узла автоматики. Пульсирующее напряжение подается на анод тринистора VS1. Если на управляющий электрод тринистора подать соответствующее напряжение, тринистор откроется и пропустит ток для зарядки аккумуляторной батареи через лампы HL2 — HL6 и выключатель SA3. Ток зарядки ограничивается лампами накаливания HL6 (в режиме <2А>) или HL4 — HL6 (в режиме <5А>). Разряжается батарея через транзистор VT13 и резисторы R25, R26.

Управляются тринистор и транзистор VT13 узлом автоматики. Он содержит источник образцового напряжения (резистор R15, диоды VD9, VD10), пороговый выключатель разрядки (транзисторы VT7, VT8, резисторы R17 — R20), усилитель сигнала разрядного тока (транзисторы VT10 — VT12), пороговый переключатель зарядки (транзисторы VT3 — VT6 с соответствующими резисторами, включая R13, R16), усилитель.сигнала за-рядного тока (транзисторы VT1, VT2) и элементы запрета сигнала зарядки (диод VD7, транзистор VT9). Рассмотрим работу этих каскадов.

Пороговый переключатель разрядки подключен к выходным зажимам прибора ХТЗ, ХТ4, предназначенным для подключения аккумуляторной батареи. Имеющееся на них напряжение является одновременно и питающим и контролируемым напряжением выключателя.

Радиолюбителям известен аналог тринистора, состоящий из двух транзисторов разной структуры. Аналог способен по внешнему сигналу переходить в открытое состояние и сохранять его, пока хотя бы один из транзисторов находится в насыщении. Выключение наступает при снижении тока до порогового значения, когда оба транзистора выходят из насыщения. Пороговый выключатель выполнен с аналогичными связями, но не непосредственными, а через резисторы, причем эмиттер одного из транзисторов подключен к образцовому напряжению, а база — к делителю напряжения. Благодаря этому пороговый выключатель обладает температурной стабильностью напряжения порога выключения. Настраивают выключатель на пороговое напряжение (10,5… 10,8 В) подстроечным резистором R19.

Усилитель сигнала разрядного тока состоит из цепочки транзисторов с чередующейся структурой. Транзисторы работают в ключевом режиме. Работа одного из них (VT11) поставлена в зависимость от наличия напряжения 26 В. Это сделано для прекращения разрядки батареи в случае аварийного выключения сетевого напряжения.

Пороговый переключатель зарядки состоит из транзисторного усилителя (VT6), триггера Шмитта (VT3, VT4) и ключевого транзистора (VT5). Последний пред-назначен для устранения влияния нижнего порога переключения (резистор R13) на верхний (резистор R16).

Усилитель зарядного тока, как и разрядного,-состоит из цепочки транзисторов разной структуры, работающих в ключевом режиме. При этом коллекторный ток транзистора VT1 может протекать через базовую цепь транзистора VT2, когда закрыт транзистор VT9 (т. е. нет разрядки). Диод VD7 повышает надежность закрывания транзистора VT2 при открывании транзистора VT9 (когда идет разрядка батареи и ток через управляющий электрод тринистора не должен протекать).

Диод VD8 защищает управляющий электрод тринистора от обратного тока, который мог бы быть при выключении сети и подключенной аккумуляторной батарее.

Цепочка С2, R29, VD11 нужна для случая зарядки глубоко разряженной или сульфатированной батареи, когда на ее клеммах может возникнуть пульсирующее напряжение. Благодаря диоду VD11 на конденсаторе С2 оказывается сглаженное напряжение. Без этой цепочки выбросы напряжения могли бы раньше времени вывести пороговый выключатель из режима зарядки.

Конденсатор СЗ играет роль своеобразного аккумулятора и используется для контроля исправности при-бора. В положении <Контроль>, выключателя SA3 он мо-жет наряжаться только через диод VD12 и резистор R34, а разряжаться через узел автоматики. Поскольку в режимах <1Ц> и процессы зарядки и разрядки происходят с периодом повторения около 1 с, на вольтметре PU1 наблюдаются колебания стрелки, отражающие напряжения порогов переключения и управляемость всех цепей зарядки и порогового выключателя.

Зажимы ХТ1 и ХТ2 с напряжением 12,6 В предназначены для подключения вулканизатора, лампы подсветки, малогабаритного паяльника и другой нагрузки мощностью до 100 Вт.

Рассмотрим более подробно работу прибора в раз-личных режимах при установке выключателя SA3 в положение <Контроль> (аккумуляторная батарея не подключена) .

В режиме <1Ц> после подачи на блок сетевого напряжения на конденсаторе СЗ напряжение не повышается, потому что отсутствует ток базы транзистора VT1. Чтобы обеспечить начальные условия работы, переключателем SA1 кратковременно устанавливают режим <НЗ> и возвращают в положение <1Ц>. После этого пороговый переключатель начинает работать, запрещая зарядку при повышении напряжения на конденсаторе выше установленного максимума (14,8…15 В) и разрешая, если оно стало ниже установленного минимума (12Д..13В).

При переводе переключателя SA1 в режим <МЦ> на коллектор транзистора VT8 подается через диод VD6 напряжение, и пороговый выключатель срабатывает, разрешая разрядку. При.этом открытый транзистор VT9 запрещает зарядку, и конденсатор СЗ разряжается че-рез узел автоматики до напряжения 10,5…10,8 В.

После опрокидывания порогового выключателя транзистор VT9 закрывается, коллекторный ток транзистора VT1 протекает через диод VD7 и базовую цепь транзистора VT2. Этот транзистор, а вслед за ним и тринистор открываются. Через конденсатор СЗ протекает за-рядный ток, и напряжение на конденсаторе повышается до 14,8…15 В.

Во время указанного контроля остаются непроверенными элементы разрядки, поскольку такие дефекты, как обрыв в цепях транзисторов VT11 — VT13, никак не отразятся на показаниях вольтметра PU1. Для контроля работы этих элементов выключатель SA3 устанавливают в положение <Работа> — тогда в режиме конденсатор СЗ будет разряжаться в основном через транзистор VT13. В результате начнет мигать лампа HL7 <Разрядка>, свидетельствуя об исправности цепей разрядки.

Аналогично работает прибор с подключенной аккумуляторной батареей. В режиме <1Ц> сразу начинается зарядка циклами (имеется в виду, что напряжение батареи не превышает порогового напряжения 12,8…13 В). Горит лампа HL2 при зарядном токе 2 А или HL3 при токе 5 А. Нажатием кнопочного выключателя SB1 <Разрядка> на запускающий вход порогового выключателя подается напряжение, в результате чего он срабатывает. Разрядка индицируется лампой HL7.

В режиме при подключении аккумуляторной батареи работа может начаться как с зарядки, так и с разрядки — в зависимости от того, в каком режиме в момент включения находился пороговый выключатель. При желании установить какой-то конкретный режим, переключатель SA1 сначала устанавливают в положение <1Ц>, а после этого — в положение <МЦ>.

В режиме не автоматической зарядки (<НЗ>) контакты переключателя блокируют пороговый выключатель, и тринистор управляется непосредственно от источника постоянного тока.

Какие детали использованы в приборе:

Постоянные резисторы R25, R26 - остеклованные проволочные типа ПЭВ-10, остальные - МЛТ указанной на схеме мощно­сти, подстроечные резисторы R13, R16, R19 - типа ППЗ или другие. Кроме указанных на схеме, транзисторы VT1, VT6, VT7, VT10 могут быть П307, П307В П309-VT2 - ГТ403А, ГТ403В - ГТ403Ю; VT3, VT4, VT8 VT9, VT11 - МП20, МП20А, МП20Б, МП2.1, МП21А - МП21Е; VT5, VT12 - КТ603А, КТ608А, КТ608Б; VT13 - любой из серий П214 - П217. Диоды VD1 - VD4 могут быть, кроме указанных на схеме, Д242, Д243 Д243А Д245, Д245А, Д246, Д246А, Д247; VD5 - КД202Б - КД202С; VD6, VD7 - Д223А, Д223Б, Д219А, Д220- VD8, VD11, УШ2 - Д226В - Д226Д, Д206-Д211; вместо стабилитронов Д808 подойдут Д809 - Д813, Д814А - Д814Д. Тринистор может быть КУ202А - КУ202Н.

Конденсаторы С1, СЗ - К50-6; С2 - К50-15. Лампы HL1-HL3, Н17-СШ8, HL4-HL6 — автомобильные на напряжение 12 В и мощность 50 + 40 Вт (использует­ся нить на 50 Вт). Выключатель Q1 - тумблер ТВ (ТП), выключатели.SA2, SA3 - тумблеры ВБТ, кнопочный выключатель SB1 - КМ-1, переключатель SA1 - типа ПКГ (ЗПЗН). Трансформатор 77 - готовый, ТН-61-220/127-50 (номинальная мощность 190 Вт). Вольтметр постоянного тока - типа М4200 со шкалой на 30 В.

Конструкция прибора показана на рис. 2 и 3. Осно­вой его является основание размерами 240×225 мм из дюралюминия толщиной 3 мм. К основанию прикрепле­ны лицевая панель, монтажная плата с деталями узла автоматики, конденсаторы С1, СЗ, трансформатор пи­тания, задняя и боковая монтажные платы.

На лицевой панели расположены органы управления и индикации, а также зажимы ХТ1, ХТ2. На задней монтажной плате, изготовленной из стеклотекстолита толщиной 3 мм (размеры платы 105×215 мм), смонти­рованы диоды VD1 - VD4 (на ребристых радиаторах), диод VD5, тринистор (на ребристом радиаторе), тран­зистор VT13 (на П-образном радиаторе), резисторы R25, R26, лампы HL4HL6. На боковой монтажной плате, установленной рядом с трансформатором, смон­тированы резисторы Rll, R29, R32 - R34, диоды VD8, VD11, VD12, конденсатор С2, подстроечные резисторы. -

Для подключения аккумуляторной батареи через отверстие в лицевой панели выведен шланг с двумя тол­стыми, проводами и маркированными (знаками « + » и « - ») зажимами на концах. Сверху блок прикрыт ко­жухом, изготовленным из листового алюминия.

Чертеж платы узла автоматики приведен на рис. 4. К основанию ее крепят с помощью двух Г-образных уголков-кронштейнов.

Для налаживания прибора понадобятся регулируе­мый источник постоянного тока с максимальным напря­жением 15 В и током нагрузки не менее 0,2 А, контроль­ный вольтметр или сигнальная лампа на напряжение 27 В.

Рис. 4. Печатная плата (а) узла автоматики и расположение деталей на ней (б)

Перед налаживанием движки подстроечных резисто­ров устанавливают в положение максимального сопро­тивления, контрольный вольтметр или сигнальную лампу подключают между выводом 2 платы узла автоматики и общим проводом (зажим ХТ4), а источник питания подключают (с соблюдением полярности) к выходным зажимам прибора. Переключатель SA1 устанавливают в положение «1Ц», выключатель SA3 - в положение «Контроль». Выходное напряжение источника постоян­ного тока должно быть 14,8…15 В.

После включения прибора в сеть на контрольном вольтметре должно быть напряжение около 26 В. Плав­но перемещая движок подстроечного резистора R16, добиваются, чтобы контрольное напряжение упало скач­ком, до нуля.

Устанавливают на источнике напряжение 12,8…13 В и плавно перемещают движок резистора R13 до появ­ления на контрольном вольтметре скачком напряжения 26 В. Нажимают кнопку SB1 - контролируемое напря­жение вновь должно упасть до нуля. Установив на источнике напряжение 10,5…10,8 В, перемещают движок резистора R19 до появления на контрольном вольтметре напряжения 26 В.

После этого следует проверить и при необходимости подобрать точнее уровни срабатывания автомата при изменении напряжения источника питания.

Установка.верхнего порога 15 В не вызывает выки­пания электролита после полной зарядки батареи, по­тому что батарея в этом случае включается автоматом на зарядку на 8…10 мин и отключается примерно на 2 ч. Наблюдения показали, что при работе в таком режиме даже в течение нескольких месяцев уровень электролита в банках аккумуляторов не понижается.
Литература

• В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 100/ С80 Сост. Б. С. Иванов. -М.: ДОСААФ\А.Коробков

Введение

В настоящее время наряду с литий-ионными аккумуляторами все еще широко используются никель-кадмиевые. Данные аккумуляторы дешевле литий-ионных и сохраняют свою работоспособность в любых погодных условиях, в то время как литий-ионные аккумуляторы некоторых производителей теряют свою работоспособность при отрицательной температуре.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах (как тяговые), трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолетов и вертолетов. Используются как источники питания для автономных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.

Минусом никель-кадмиевых аккумуляторов является так называемый «эффект памяти», который возникает при заряде аккумулятора без предварительного его полного разряда. Вследствие этого со временем понижается максимальная емкость аккумулятора, и время его работы сокращается.

В данном дипломном проекте будет разработано устройство для автоматизированной тренировки аккумуляторных батарей. Тренировка аккумулятора необходима для поддержания батареи в работоспособном состоянии и правильного отображения реального заряда аккумулятора. Заключается этот процесс в проведении цикла разряд - заряд.

Аккумулятор подключается через резистор к земле и полностью разряжается. Затем аккумулятор подключается к цепи питания и заряжается до тех пор, пока на нем не установится значение напряжения, не меняющееся в течение длительного времени за один цикл заряда. Если максимальное значение напряжения недостаточно высоко, проводится повторение цикла разряд - заряд.

Устройство, разрабатываемое в рамках данного дипломного проекта, может применяться сервисными службами, занимающимися обслуживанием аккумуляторов, строительными компаниями, располагающими большим количеством автономных шуруповертов и дрелей, больницами, в которых используются приборы для фиксирования жизненных показателей больного, постоянно носимые пациентом.

Обзор аналогов и их анализ

Современные производители электроники выпускают подобные устройства, но они, как правило, построены исключительно на аналоговых элементах и не обладают той гибкостью, какой обладает устройство, построенное на микроконтроллере.

а) Любительская схема аналогового устройства ручной тренировки аккумулятора .

Схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Любительская схема аналогового устройства ручной тренировки аккумулятора

Принцип работы данного устройства - ручное переключение аккумулятора в режим разряда и заряда.

Достоинством этой схемы является несомненная простота и дешевизна. Недостатком - ручное управление и отсутствие защиты от переразряда аккумулятора. Пользователь должен сам отслеживать значение напряжения на аккумуляторе и вовремя переключать его с разряда на заряд. Такое устройство имеет смысл изготавливать для тренировки одного-двух аккумуляторов, так как процесс тренировки занимает весьма длительное время и требует постоянного контроля.

б) Устройство автоматической тренировки аккумулятора .

Схема этого устройства представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Электрическая принципиальная схема устройства автоматической тренировки аккумулятора

Это устройство позволяет тренировать аккумуляторы только в автоматическом режиме.

Пользователь вручную задает минимальное напряжение заряда и напряжение разряда аккумулятора. Для этого к гнёздам XS1 подключают вольтметр и переменным резистором R10 устанавливают минимальное значение напряжения разряда. Затем вольтметр подключают к гнёздам XS2 и переменным резистором R8 устанавливают минимальное значение напряжения заряда.

К достоинствам этой схемы можно отнести некоторую гибкость в сравнении с предыдущей схемой, к недостаткам - отсутствие какого-либо дисплея, отображающего текущее значение напряжения на аккумуляторе, и необходимость наличия у пользователя отдельного вольтметра для программирования устройства.

в) Turnigy Fatboy 8 1300W Workststion Charger

Особняком от любительских схем стоит этот прибор, изготавливаемый сингапурской компанией LEO Energy Pte Ltd., Revolectrix. Разработчик не публикует схему внутреннего устройства прибора и не объясняет принцип его работы.

Внешний вид данного прибора изображен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Внешний вид Turnigy Fatboy 8 1300W Workststion Charger

Данный прибор способен заряжать и разряжать множество типов аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, литий-полимерные, литий-марганцевые, свинцовые с напряжением 6, 12 и 24В. Также в нем есть функция произведения нескольких циклов заряда - разряда аккумулятора, которая, однако, служит лишь подобием тренировки аккумулятора: устройство производит лишь столько циклов, сколько назначит пользователь, оно не отслеживает, восстановил ли аккумулятор свою ёмкость или нет.

Достоинства этого прибора таковы: широкий спектр видов аккумуляторов, удобство использования, возможность назначить несколько циклов разряда - заряда и наличие гарантийного обслуживания.

Но помимо достоинств данный прибор обладает также и рядом недостатков, среди которых такие как:

Невысокая надежность. Несмотря на то, что производитель заверяет покупателей в обратном, в отзывах пользователи жалуются на выход прибора из строя после непродолжительного использования;

Отсутствие полностью автоматического режима тренировки аккумулятора. Как уже было сказано выше, пользователь лишь может назначить число циклов заряда - разряда, нет функции «производить циклы разряда - заряда до восстановления ёмкости аккумулятора»;

Высокое энергопотребление;

Достаточно высокая цена прибора, составляющая $199,95 без учета цены платы с балансировочными разъемами, приобретающейся отдельно, и доставки из-за рубежа, стоимость которой тоже немаленькая из-за веса прибора около двух килограмм.

Использовать такое устройство только для тренировки никель-

кадмиевых аккумуляторов экономически нецелесообразно.

Ниже представлена сводная таблица разрабатываемого устройства и рассмотренных аналогов, в которой отображены преимущества и недостатки всех рассмотренных устройств.

Таблица 1 - Сводная таблица разрабатываемого устройства и рассмотренных аналогов