zmniejszać. Obwód D1,R2,R3 działa jako dodatnie sprzężenie zwrotne potęgujące tylko szybkość zatykania się tranzystorów.

Transkrypt

1 1. Układ zasilania Planowanie układu dla jednostek tego typu jest sprawa szczególną, gdyż konstruktor musi przemyśleć już na samym początku zakresy napięć, pobory prądu, maksymalne obciążenia. Występuje potrzeba ochrony podzespołów, które mogą być dobierane i modyfikowane już w późniejszym czasie pracy całej jednostki. Właśnie ten panel obciążony jest największymi prądami nie tylko o działaniu długoterminowym ale i impulsowym. Zasilanie powinno spełniać kilka zasad: Chronić układ, Stabilizować napięcie, Chronić sama siebie, Zużywać możliwie mało mocy, Być możliwie prosty. Stosując się do nich stworzono układ którego struktura i działanie zostaną przedstawione poniżej. W skład niego wchodzą: akumulator litowo-polimerowy (Li-Pol), moduł przejściowy i płyta zasilająca z wyprowadzeniami na 3V3, 5V i 8V Chronić układ. Płyta zasilająca wyposażona jest w system selektywnie dobranych bezpieczników. W jednej chwili akumulator może maksymalnie przepuścić 5A, jednak już poszczególne przetwornice w zależności od przeznaczenia 2A lub 0.5A. Dodatkowo w celu ochrony polaryzacji szybka dioda prostownicza Stabilizować napięcie. Pomimo faktu, że platforma korzysta maksymalnie z 8V napięcia.zasilana jest prądem stałym uzyskiwanym z akumulatora o napięciu nominalnym 11.1 V. Pozwoliło to znacząco zwiększyć sprawność przetwornic LM2576 zastosowanych w układzie Chronić sama siebie. Moduł przejściowy to tak naprawdę układ 2 tranzystorów którego zadaniem jest odciąć samoczynnie akumulator od obciążenia w przypadku rozładowania. Baterie litowo-polimerowe cechują się małym współczynnikiem samo rozładowania, oraz dużymi maksymalnymi prądami. Niestety ta technologia wymusza pilnowanie, aby cela akumulatora nie rozładowała się poniżej 2.8V. Układ zasilają 3 takie cele tzn. Napięcie nie może spaść poniżej 8,4 V. Dla bezpieczeństwa przyjęto 9 V jako wartość krytyczną. Z drugiej strony stosując odpowiedni sposób ładowania z baterię 11.1V, można naładować maksymalnie do 12.6V tą wartość przyjęto dalej właśnie za maksymalna Zużywać możliwie mało mocy. Zamiana prostych stabilizatorów na przetwornice, skomplikowała trochę bardziej układ. Pozwoliła jednak na zwiększenie wydajności prądowej, oraz znacząco ograniczyła moc strat wydzielaną w procesie stabilizacji chociażby przez moc cieplną. Dodatkowo wydzielono 4 sekcje. Dwie na 8 V i maksymalnych prądach 2A przeznaczone na zasilanie silników, oraz dwie na 5V i 3V3 (0.5A) głównie jako funkcje logiczne i zasilania układów scalonych i mikrokontrolerów Być prosty.

2 Brak mikrokontrolerów i układów programowalnych. Zastosowanie przetwornic z jednej rodziny LM Układy składające się na moduł zasilania Akumulator. Pakiet 3 celowy KOKAM 1300mAh 11.1V 30C. Obliczenie maksymalnego prądu rozładowania akumulatora: I rozładowania =1,3 Ah * 30C = 39 A ( C=A/s; Ah*A/h = A). Jednak optymalnie przyjmuje się 2/3 tej wartości czyli maksymalnie 26A. Obliczanie czasu potrzebnego do rozładowania akumulatora dla 2 przypadków: I max = 5A Q=I*t, gdzie Q = pojemność, I=prąd pobierany przez czas t [h], t czas poboru pradu I [A]. t = 1,3h/5A t = 60min* 0,26, około 16 minut I p = 2A t=1,3h/2a t=60min*0.65, około 40 minut 2.2. Układ zabezpieczenia akumulatora litowo-polimerowego. Schemat opracowano na bazie pracy Adama Pyki, Zabezpieczenie akumulatora Li- Poly, za jego zgodą, oraz w oparciu rozwiązania z Elektronika dla Wszystkich nr 4/96. Rys1. Schemat układu. Opis działania. Na obciążeniu występuje napięcie baterii gdy układ pracuje w normalnym trybie. Przewodzi wtedy tranzystor polowy Q1. Tranzystor Q2 jest otwarty. Stąd na bramce Q1 występuje niemal pełne napięcie zasilające (obniżone o ok. 0.7V spadek B-E). Pozwala to pobierać układowi bardzo duże prądy. Dioda LED sygnalizuje obecność napięcia na wyjściu układu. Bezpiecznik zapewnia maksymalny pobór prądu nie większy niż 5A. Dioda D2 chroni układ przed odwrotną polaryzacją, a dioda zenera D1 włączona w układ zaporowo czyni dzielnik napięcia bardziej wrażliwy na zmiany. Zmniejszające się napięcie baterii powoduje stopniowe zatykanie się tranzystora Q2. To natomiast zmniejsza napięcie bramki Q1, w efekcie czego napięcie wyjściowe też zaczyna się z

3 zmniejszać. Obwód D1,R2,R3 działa jako dodatnie sprzężenie zwrotne potęgujące tylko szybkość zatykania się tranzystorów. Rys2. Schemat płytki. Dobór elementów. Napięcie maksymalne: Vmax = 12,6V. Napięcie odcięcia: Vodc=9V. Prąd diody zenera : Iz = 5mA. Spadek na diodzie Zenera : Vz= 5,6 V. Napięcie przełączenia baza-emiter dla BC807: VBE=0,55V. R2= VBE/Iż = 0,55 V/5mA = 110 Om. R3 = (Vodc-Vz-VBE)/Iż = 9-5,6-0,55 = 570 = ok. 580Om. Sprawdzenie Vodc dla tak dobranych wartości rezystorów : Vodc= Vz+ VBE+R3*VBE/R2=8,95 V Układ zasilania platformy. Główny moduł stabilizujący napięcia na rożnych wartościach i dostosowany do małych i większych prądów. Zaprojektowany by móc zasilać docelowo znacznie więcej peryferii niż wymagał projekt, jednocześnie nie tracąc na jakości w przypadku zasilania wartości aktualnej. W celu lepszej ochrony (mniejsza ilość peryferiów) należy wymienić bezpieczniki na mniejsze prądy. Układ stworzony został do łatwego i stabilnego łączenia z podzespołem ochrony baterii. Scalanie przebiega na sztywno przez podpięcie układu w 20 pinów żeńskich (BAT). W celu zapewnienia pracy układu należy włączyć obwód (przełącznik S1). Każdy z modułów zasilania ma na swoim wyjściu diodę LED sygnalizująca obecność napięcia. Zielona sygnalizuje zasilenie układu, białe zasilanie logiki, a niebieskie pozostałe. Przewidziano możliwość zasilenia jednego peryferiu napięciem zasilania. Dodatkowo przewidziano 2 wyprowadzenia w celu odczytu na mikrokontrolerze stanu poziomu baterii (ADC). W tym celu zastosowano dzielnik w skali 2:1. UWAGA: Dzielnik ten został przygotowany dla napięcia referencyjnego 5V! Przetwornice stabilizujące napięcie na 8V maja możliwość obsługi do 3 peryferiów. Każda z przetwornic odpowiedzialnych za logikę układu ma wyjścia dla 10 urządzeń. Wszystkie wyjścia umieszczone są na obrzeżach płytki, zgodnie z zasada obsługiwania przetwornic najbliższych swojemu usytuowaniu.

4 Rys3. Schemat szyny głównej z wyjściem na kontrole ADC. Rys4. Schemat wyjść wszystkich szyn.

5 Rys5. Schemat układu przetwornicy LM2576-ADJ na 8V. Rys6. Schemat układu przetwornicy LM na 5V.

6 Rys7, Schemat układu przetwornicy LM2576-3V3 na 3V3. Rys8. Schemat płytki. Dobór elementów i obliczenia. Obliczanie rezystorów na diody LED kolor niebieski : Uf (typ) = 3.3 V, If = 20mA dla Ucc = 8V Ud =8-3,3V = 4.7V R = 4.7V /0.02A = 225 w przybliżeniu 240 om Dla napiec 5V i 3V3 trzeba zastosowac już diody o niższym Uf = 2.5 If=20mA (np. LED_biale) Dla 5V: Ud=5-2.5=2.5 V R = 2.5V/0.02A = 125 Om czyli ok. 130 om Dla 3V3:

7 Ud= =0.8V R=0.8/0.02 = 40 Om czyli 39 Om Dla napiecia baterii Udmax=12.6V, dioda red uf=2.5, If=20mA Ud= = 10.1 R= 10.1/0.02A = 505 czyli ok. 510 Om Dobór przetwornic: Założone parametry (podane wartości są wartościami maksymalnymi) 1.LM Warunki pracy Vin= 12.6 V, Vout=3.3V, I=0.4A, Dobrane elementy: Cewka L= L470uH (dobrana z charakterystyk katalogowych) Cout =1000uF na 10V Cin =100uF na 25V Dschotty= 1.2*Imax=0.48A, dobrano na 0.5A 20V (1N5820). 2.LM Warunki pracy Vin= 12.6 V, Vout=5 V, I=0.4 A, Dobrane elementy: Cewka L= L470uH (dobrana z charakterystyk katalogowych) Cout =1000uF na 10V Cin =100uF na 25V Dschotty= 1.2*Imax=0.48A, dobrano na 0.5A 20V (1N5820). 3.LM2576-ADJ Warunki pracy: Vin =12.6, Vout = 8V, Imax=2A. Dobór elementów: (w celach zwiększenia dokładności stabilizacji postanowiono dobrać elementy dzielnika napięciowego z szeregu E96(dokładność do 1%). Vref=1.23V Vout = Vref*(1+R2/R1); R2=R((Vout/Vref) -1)) R1=1.21kOm R2=6.65kOm Cewka: (w tym przypadku zalozono napiecie nominalne Vbat = 11.1 E*t= (Vin-Vout)*(Vout)/(Vin)*1000/f(in khz) [v*us] Czyli: E*t = (11.1-8)*8/11.1*1000/52 =42,9.. czyli ok. 45 V*us Dla założonego prądu 2A z noty katalogowej wychodzi iż należy użyć cewki L100uH Dobieranie Cout (przedzial 10uF a 2200uF, jednak zaleca się w katalogu jednak przedział 680uF uF). Cout >= * Vin(max)/Vout*L (uh) [uf] Cout = *12.6/8*100 = 209uF, ok 220uF, jednak użyto 680uF/35V Cin = 100uF Dschotty = 1.2*Imax = 2.4A oraz 1.25*Vin(max) = V użyto : 30BQ060PBF 3A 60V Obliczanie mocy strat: Wartosci wspolne dla wszystkich przetwornic z rodziny LM2576

8 Prąd polaryzacji sprzężenia zwrotnego: Ib= 500 na Oscylacje częstotliwości : fo = 52kHz Napięcie nasycenia : Vsat = 2V (dla 3A) (Quiescent?)prad upływu: Iq=10mA Obudowa T0220: 1.5 W (moc którą jest w stanie wytracić w powietrzu). Wzór na moc dla przetwornic LM2576: Pd=(Vin)*(Iq)+(Vout/Vin)*I load *(Vsat) Dla przetwornicy na LM : 12.6* /12.6*0.4*2= 335mW Dla przetwornicy na LM : 12.6*0.01+5/12.6*0.4*2=443mW Dla przetwornic na LM2576-ADJ: 12.6*0.01+8/12.6*0.4*2=633mW W podanych przypadkach moc strat jest na tyle niska, że pominięto dalsze rozważania związane z temperaturą na stykach. 3. Schemat całości. Umieszczone na końcowych stronach projektu.