80015

Разработка зарядного устройства для зарядки распространенных типов бытовых аккумуляторов (NiCd, NiMH, VRLA, Li-ion, Li-pol)

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Аккумуляторы имеют большое значение в современной жизни. Быстрое развитие электроники делает все большее количество бытовой техники портативной, появляются новые устройства, растет потребность в компактных переносных устройствах.

Русский

2015-02-16

6.86 MB

93 чел.


Содержание

[1] Содержание

[2] Введение

[3] Анализ эксплуатационных характеристик существующих бытовых аккумуляторных батарей

[3.1] Вторичные источники электропитания

[3.2] Типы аккумуляторов

[3.3] История аккумуляторов

[3.4] Аккумуляторные батареи

[3.4.1] Недостатки аккумуляторных батарей по сравнению с аккумуляторами

[3.5] Принцип работы аккумуляторов

[3.6] Аккумулятор как электрический элемент

[3.7] Эксплуатация аккумуляторов

[3.7.1] Достоинства и недостатки аккумуляторов

[3.7.2] Эксплуатационные характеристики аккумуляторов и аккумуляторных батарей

[3.8] Распространенные бытовые аккумуляторы

[3.8.1] Герметичные свинцово-кислотные

[3.8.1.1] Срок службы

[3.8.1.2] Хранение

[3.8.1.3] Тренировка

[3.8.1.4] Методика заряда

[3.8.1.5] Преимущества и недостатки

[3.8.2] Никель-кадмиевые аккумуляторы

[3.8.2.1] Срок службы

[3.8.2.2] Хранение

[3.8.2.3] Тренировка

[3.8.2.4] Методика заряда

[3.8.2.5] Преимущества и недостатки

[3.8.3] Никель-металлгидридные аккумуляторы

[3.8.3.1] Срок службы

[3.8.3.2] Хранение

[3.8.3.3] Тренировка

[3.8.3.4] Методика заряда

[3.8.3.5] Преимущества и недостатки

[3.8.4] Литий-ионные аккумуляторы

[3.8.4.1] Срок службы

[3.8.4.2] Хранение

[3.8.4.3] Тренировка

[3.8.4.4] Методика заряда

[3.8.4.5] Преимущества и недостатки

[3.8.5] Литий-полимерные аккумуляторы

[3.8.5.1] Срок службы

[3.8.5.2] Хранение

[3.8.5.3] Тренировка

[3.8.5.4] Методика заряда

[3.8.5.5] Преимущества и недостатки

[3.9] Перспективы развития аккумуляторов

[3.10] Сравнение бытовых аккумуляторных батарей

[4] Обзор и анализ некоторых существующих зарядных устройств для бытовых аккумуляторов

[4.1] Основные эксплуатационные характеристики зарядных устройств

[4.2] Обзор существующих зарядных устройств для бытовых аккумуляторов

[4.2.0.1] Зарядные устройства без крепления аккумуляторной батареи

[4.2.0.2] Зарядные устройства для NiCd/NiMH аккумуляторов типоразмера ААА, АА и LF6

[4.2.0.3] Зарядные устройства для Li-ion батарей от видеокамер и др. аппаратуры

[4.2.0.4] Универсальные микроконтроллерные зарядные устройства

[4.2.0.5] Устройства, называемые зарядными, но ими не являющиеся

[4.3] Анализ существующих схемотехнических решений зарядных устройств для бытовых аккумуляторов

[4.3.1] Схемы зарядных устройств для NiCd, NiMH аккумуляторов

[4.3.1.1] Наиболее простые схемы

[4.3.1.2] Схемы медленного заряда

[4.3.1.3] Схемы с контролем заряда

[4.3.1.4] Схемы быстрого заряда

[4.3.2] Схемы заряда Li-ion аккумуляторов

[4.3.3] Семы заряда VRLA аккумуляторов

[4.3.4] Сложные многофункциональные микроконтроллерные зарядные устройства.

[5] Разработка принципиальной электрической схемы зарядного устройства

[5.1] Общие принципы построения зарядных устройств

[5.2] Процесс разработки электрической схемы зарядного устройства

[5.2.1] Силовая часть

[5.2.2] Аналоговая часть

[5.2.3] Цифровая часть

[6] Разработка конструкции зарядного устройства

[6.1] Исходные требования к конструкции

[6.2] Выбор входных и выходных разъемов, органов управления и элементов индикации

[6.3] Разработка конструкции печатной платы

[6.4] Разработка конструкции корпуса

[6.5] Расчёт вибропрочности

[7] Испытания макета зарядного устройства

[7.1] Цель испытаний

[7.2] Разработка функциональной схемы испытаний

[7.3] Выбор оборудования

[7.4] Методика испытаний

[7.5] Результаты испытаний

[8] Разработка технологического процесса изготовления зарядного устройства

[8.1] Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы

[8.2] Проектирование технологического процесса сборки и монтажа печатного узла

[8.3] Технология доработки корпуса

[8.4] Описание применяемого оборудования

[8.5] Описание процесса сборки зарядного устройства

[9] Функциональный контроль устройства

[9.1] Метод контроля

[9.2] Состав стенда контроля

[9.3] Алгоритм работы устройства контроля

[10] Экономическая часть

[10.1] Обоснование целесообразности разработки и определение технической прогрессивности зарядного устройства

[10.2] Определение показателей экономического обоснования проектируемого изделия

[10.3] Отпускная цена и экономическая эффективность проектируемой техники, имеющей аналог

[10.4] Календарное планирование и построение директивного графика

[10.5] Выводы

[11] Охрана труда и окружающей среды

[11.1] Анализ условий труда

[11.1.1] Санитарно-гигиенические факторы

[11.1.1.1] Микроклимат

[11.1.1.2] Шум

[11.1.1.3] Вибрация

[11.1.1.4] Производственное освещение

[11.1.1.5] Эргономические факторы

[11.1.1.6] Психофизиологические факторы

[11.1.2] Характеристика помещения

[11.1.2.1] Электроопасность

[11.1.2.2] Пожароопасность

[11.2] Разработка мероприятий по защите от шума в фрезеровочном цехе с применением метода звукопоглощения

[11.2.1] Исходные данные по производственному помещению

[11.2.2] Расчет характеристик звукопоглощения

[11.2.3] Выводы

[12] Выводы

[13] Список сокращений

[14] Список использованной литературы

[15] Приложения

14.Приложения…………………………………………………………………196


  1.  Введение

Аккумуляторы имеют большое значение в современной жизни. Быстрое развитие электроники делает все большее количество бытовой техники портативной, появляются новые устройства, растет потребность в компактных переносных устройствах. Распространение аккумуляторов в быту повсеместно, без них не было бы сотовых телефонов и портативных компьютеров. Требования к энергоемкости аккумуляторов все возрастают. Разрабатываются новые и совершенствуются существующие аккумуляторы и аккумуляторные батареи.

С момента изобретения первого аккумулятора прошло более 140 лет, за это время было изобретено больше десятка электрохимических принципов работы аккумуляторов. За это время аккумуляторные батареи многократно увеличили свою емкость, срок службы и безопасность. Производство аккумуляторов стало наносить меньший вред окружающей среде, в наши дни государства ограничивают производство сильнотоксичных аккумуляторов, заменяя их менее вредными.

Многие владельцы карманных радиоприемников, плееров и другой портативной техники отказывается от алкалиновых и щелочных батарей в пользу аккумуляторов такого же размера. Хоть такой шаг и связан с покупкой зарядного устройства выгоду от замены батареек аккумуляторами трудно недооценить — необходимость покупки зарядного устройства окупается экономией на батарейках.

Наиболее часто заряд аккумуляторов производится самим устройством, в котором он используется, однако, встречаются устройства, которые не умеют заряжать используемые аккумуляторы. Многие радиоуправляемые игрушки, плееры и другие устройства требуют заряда аккумуляторов отдельным зарядным устройством.

Быстрое совершенствование элементной базы привело к появлению большого количества зарядных устройств, способных выполнять большое количество функций: заряд по заданному алгоритму, разряд, тренировку, балансировку, измерение емкости аккумулятора или аккумуляторной батареи и степени ее разряда и т. д. Зарядные устройства быстро совершенствуются, стремительно дешевеют, однако зарядные устройства, предназначенные для заряда нескольких принципиально разных электрохимических систем мало распространены в силу своей высокой цены.

Этот дипломный проект посвящен разработке универсального зарядного устройства, позволяющего заряжать основные типы аккумуляторных батарей с учетом современного уровня развития электроники. При разработке необходимо удовлетворить требования, описанные в задании на дипломный проект. Также следует стремиться создать компактное и удобное в использовании устройство, которое будет конкурентоспособным по сравнению с аналогами.


  1.  Анализ эксплуатационных характеристик существующих бытовых аккумуляторных батарей
    1.  Вторичные источники электропитания

Батарея электропитания — автономный источник постоянного тока, не связанный с машинным электрогенератором. Представляет собой преобразователь энергии в виде одного или нескольких элементов питания, не имеющий движущихся частей. Батареи электропитания преобразуют в электричество химическую, солнечную или ядерную энергию.

Химические источники тока (электрохимические генераторы, ЭХГ) — преобразователи энергии химической реакции в электрическую энергию. Реакция протекает с потреблением активных материалов внутри элемента. Когда такие материалы расходуются полностью, ЭХГ теряет способность давать электрический ток. Химические источники тока делятся на первичные и вторичные. Первичные источники не перезаряжаются, т.е. израсходованные активные материалы в них не могут быть регенерированы или заменены, и батарею электропитания приходится выбрасывать. Вторичный источник может быть перезаряжен пропусканием постоянного тока в направлении, противоположном направлению тока в режиме разрядки. При этом активные соединения в элементе восстанавливаются в результате обратной химической реакции, и такой элемент допускает многократное повторное использование.

Во всяком ЭХГ имеются два электрода (положительный и отрицательный) и химическое вещество, называемое электролитом, в которое погружены эти электроды. В ЭХГ с наливными элементами используется жидкий электролит, а в т. н. сухих ЭХГ — пастообразный.

Отдельно стоит упомянуть топливные элементы, которые перезаряжаются, но не являются вторичными химическими источниками тока. Они отличаются от других ЭХГ в двух важных отношениях. Во-первых, они могут работать в непрерывном режиме без простоев для перезарядки, так как их активный материал подводится из внешнего источника путем долива топлива. Во-вторых, их электролит в процессе работы не изменяется.

  1.  Типы аккумуляторов

Аккумулятор (лат. accumulator — собиратель, от лат. accumulo — собираю, накопляю) — это устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.

В зависимости от вида накапливаемой энергии различают:

• электрические;

• электрохимические аккумуляторы;

• электрический аккумулятор

• топливный элемент

• конденсатор;

• электромагнит;

• магнитные;

• механические;

• упругие;

• инерционные;

• гравитационные;

• тепловые;

• термос (строго говоря, аккумулятором не является);

• аккумулятор холода;

• световые;

Электрический аккумулятор (далее просто «аккумулятор») — это вторичный химический источник тока. Аккумуляторы используют как автономный источник электроэнергии.

  1.  История аккумуляторов

Открытие аккумулирующего эффекта относится к числу важнейших и значительнейших изобретений в области электротехники.

Еще в 1800 году Алесандро Вольта (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta) (1745–1827) — итальянский физик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток. Вольта назвал свое изобретение «электрический орган». Это был первый химический источник тока на медно-цинковой паре электродов («вольтов столб» или «батарея Вольта»). В 1802 г. немецкий физик Джоан Вильгельм Риттер (Johann Wilhelm Ritter) (1776–1810) изобрел сухой гальванический элемент, а в 1803 электрическую аккумуляторную батарею.

В 1854 году немецкий военный врач Вильгельм Зинстеден наблюдал следующий эффект: при пропускании тока через свинцовые электроды, погруженные в разведенную серную кислоту, положительный электрод покрывался двуокисью свинца PbO2, в то время как отрицательный электрод не подвергался никаким изменениям. Если такой элемент замыкали потом накоротко, прекратив пропускание через него тока от постоянного источника, то в нем появлялся постоянный ток, который обнаруживался до тех пор, пока вся двуокись свинца не растворялась в кислоте. Таким образом, Зинстеден вплотную приблизился к созданию аккумулятора, однако он не сделал никаких практических выводов из своего наблюдения.

Только пять лет спустя, в 1859 году, французский инженер Гастон Планте случайно сделал то же самое открытие и построил первый в истории свинцовый аккумулятор. Этим было положено начало аккумуляторной техники.

Аккумулятор Планте состоял из двух одинаковых свинцовых пластин, навитых на деревянный цилиндр. Друг от друга они отделялись тканевой прокладкой. Устроенный таким образом прибор помещали в сосуд с подкисленной водой и соединяли с электрической батареей. Спустя несколько часов, отключив батарею, можно было снимать с аккумулятора достаточно сильный ток, который сохранял в течение некоторого времени свое постоянное значение.

Существенным недостатком аккумулятора Планте была его небольшая емкость - он слишком быстро разряжался. Вскоре Планте заметил, что емкость можно увеличить специальной подготовкой поверхности свинцовых пластин, которые должны быть по возможности более пористыми. Чтобы добиться этого, Планте разряжал заряженный аккумулятор, а затем опять пропускал через него ток, но в противоположном направлении. Этот процесс формовки пластин повторялся многократно в течение приблизительно 500 часов и имел целью увеличить на обоих пластинках слой окиси свинца.

До тех пор, пока не была изобретена динамо-машина, аккумуляторы представляли для электротехников мало интереса, но когда появилась возможность легко и быстро заряжать их с помощью генератора, аккумуляторы получили широчайшее распространение.

В 1882 году Камилл Фор значительно усовершенствовал технику изготовления аккумуляторных пластин. В аккумуляторе Фора формирование пластин происходило гораздо быстрее. Суть усовершенствования Фора заключалась в том, что он придумал покрывать каждую пластинку суриком или другим окислом свинца. При заряжении слой этого вещества на одной из пластин превращался в перекись, тогда как на другой пластинке вследствие реакции получалась низкая степень окисла. Во время этих процессов на обеих пластинах образовывался слой окислов с пористым строением, что способствовало скоплению выделяющихся газов на электродах.

В начале XX века усовершенствованием аккумулятора занялся Томас Эдисон, который хотел сделать его более приспособленным для нужд транспорта. В результате были созданы железно-никелевые аккумуляторы с электролитом в виде едкого калия. В 1903 году начинается производство новых портативных аккумуляторов, которые получили широкое распространение в транспорте, на электростанциях и в небольших судах.

Сначала корпуса аккумуляторов были деревянными, потом эбонитовыми. Аккумуляторные батареи формировались из нескольких элементов, каждый из которых имел рабочее напряжение около 2,2 вольт. Для шестивольтовых аккумуляторов в одном корпусе последовательно соединялись три элемента, для 12-вольтовых - шесть, для 24-вольтовых - двенадцать.

Для легковых автомобилей 6-вольтовая электросистема была общепринятой почти полвека, и только в 50-х годах произошел массовый переход на 12 вольт. Эбонитовые корпуса батарей с торчащими наружу или залитыми мастикой перемычками между элементами постепенно уступили место более легким и прочным полипропиленовым. Пионером в применении синтетических материалов для корпусов аккумуляторов выступила в 1941 году австрийская фирма Baren, а полипропилен начала использовать американская фирма Johnson Controls в середине 60-х. Произошли в конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов и другие изменения, повлиявшие на их параметры и срок службы.

До второй мировой войны первичные ЭХГ использовались обычно в тех случаях, когда требовались источники тока малой мощности, а вторичные – при большой потребляемой мощности.

  1.  Аккумуляторные батареи

Однотипные аккумуляторы часто объединяют электрически и конструктивно по нескольку штук. Полученная конструкция называется аккумуляторной батареей (далее "батарея" или "АКБ").  Среди получаемых преимуществ напряжение, сила тока, ёмкость или мощность, большие, чем может дать один элемент. При параллельном соединении аккумуляторов напряжение батареи равно напряжению каждого из элементов (они уравниваются), а общий электрический заряд — сумме электрических зарядов отдельных аккумуляторов. При последовательном соединении суммируется ЭДС. Смешанное соединение осуществляют для повышения напряжения и емкости по сравнению с напряжением и емкостью отдельного аккумулятора.

Недостатки аккумуляторных батарей по сравнению с аккумуляторами

Помимо описанных ранее проблем, возникающих при использовании аккумуляторов, объединение их в батареи дает нам не только новые возможности эксплуатации, но и новые недостатки.

Помимо очевидных конструктивных недостатков батареи относительно входящих в ее состав элементов (необходимость создания конструкции, меньшая плотность энергии, больший вес, стоимость и т. д.), вероятность отказа батареи зачастую выше, чем аналогичная вероятность у отдельного аккумулятора. Например, в большинстве случаев, при отказе хотя бы одного элемента батареи, она вся становится негодной, так как производители аккумуляторов крайне не рекомендуют замену отдельных ее элементов или такая замена вообще невозможна.

Второй существенной проблемой аккумуляторных батарей, существенно снижающей срок эксплуатации относительно отдельного аккумулятора, является эффект "разбалансировки". Суть этого явления состоит в том, что при наиболее часто используемом последовательном соединении элементов, время заряда-разряда каждого отдельного элемента немного отличается, и со временем происходит увеличение разницы напряжений на отдельных элементах батареи. Некоторые элементы заряжаются быстрее не позволяя зарядиться остальным элементам, так как в сумме батарея набирает нужное напряжение и заряд прекращается. Полностью избавиться то этого эффекта невозможно, так как невозможно создать несколько абсолютно идентичных аккумуляторов, но снизить его влияние можно повышением качества производства и проведением процедуры "балансировки" при изготовлении и эксплуатации АКБ. При "балансировке" все элементы батареи заряжаются каждый в отдельности до одинакового напряжения, простейший способ состоит в рассоединении элементов и замыкании всех катодов и всех анодов аккумуляторов между собой.

  1.  Принцип работы аккумуляторов 

Науке известно несколько способов накопления электрической энергии, но только электрические аккумуляторы возможно заряжать электрическим током, что дешево и относительно просто и безопасно. Любой аккумулятор состоит из анода, катода и жидкого или пастообразного электролита, которые могут проводить электрический ток. Химический принцип действия электрических аккумуляторов, в общем, таков:

При разряде восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролит может служить как пассивной средой для переноса ионов между электродами (литий-ионные, никель-кадмиевые и др. аккумуляторы), так и являться активным участником электрохимической реакции (свинцово-кислотные и др. аккумуляторы).

При подключении аккумулятора к зарядному устройству химическая реакция протекает вспять: электроны движутся к отрицательному электроду и он восстанавливается, положительный же электрод окисляется.

Конкретные принципы действия и соответствующие формулы приведены далее.

  1.  Аккумулятор как электрический элемент 

Аккумулятор, как электрический элемент, характеризуется основными параметрами:

  •  электрохимической системой;
  •  ЭДС;
  •  напряжением;
  •  электрической емкостью;
  •  внутренним сопротивлением;
  •  током саморазряда.

Электрохимическая система — система, состоящая из двух электродов и находящегося с ними в контакте электролита, в которой могут протекать как минимум одна электрохимическая реакция окисления и одна электрохимическая реакция восстановления вещества. Применительно к аккумуляторам - вещества, из которых состоят электроды и электролит, а также химический принцип действия аккумулятора. Бывают аккумуляторы следующих электрохимических систем:

• лантан-фторидной;

• литий-ионной;   

• литий-полимерной;   

• никель-цинковой;   

• никель-кадмиевой;   

• никель-металл-гидридной;   

• свинцово-кислотной;   

• свинцово-оловянной;   

• свинцово-цинковой;   

• серебряно-цинковой;   

• серебряно-кадмиевой;   

• железо-никелевой;   

• железо-воздушной;   

• цинк-хлорной;   

• натрий-серной;   

• литий-хлорной;   

• свинцово-водородной;   

• цинк-бромной;   

• натрий-никель-хлоридной;

• литий-железно-сульфидной;

• литий-фторной.

ЭДС аккумулятора — разность электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи. Электродный потенциал при разомкнутой внешней цепи состоит из равновесного электродного потенциала и потенциала поляризации.

Равновесный электродный потенциал характеризует состояние электрода при отсутствии переходных процессов в электрохимической системе. Потенциал поляризации определяется как разность между потенциалом электрода при заряде и разряде и его потенциалом при разомкнутой внешней цепи. Электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе и при отсутствии тока после отключения нагрузки от зарядного устройства. Это связано с диффузионным процессом выравнивания концентрации электролита в порах электродов и пространстве аккумуляторных ячеек. Скорость диффузии невелика, поэтому затухание переходных процессов происходит в течение нескольких часов и даже суток в зависимости от температуры электролита. Учитывая наличие двух составляющих электродного потенциала при переходных режимах, различают равновесную и неравновесную ЭДС аккумулятора.

Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора зависит от химических и физических свойств активных веществ и концентрации их ионов в электролите.

На величину ЭДС влияет плотность электролита и очень незначительно температура. С повышением плотности электролита  и температуры ЭДС возрастает.

Плотность электролита в порах электродов и в моноблоке одинакова у аккумуляторов, находящихся в состоянии покоя. Этой плотности соответствует ЭДС покоя. Вследствие поляризации пластин и изменения концентрации электролита в порах электродов относительно концентрации электролита в моноблоке, ЭДС при разряде меньше, а при заряде больше ЭДС покоя. Основной причиной изменения ЭДС в процессе разряда или заряда является изменение плотности электролита, участвующего в электрохимических процессах.

Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения напряжения во внутренней цепи при прохождении разрядного или зарядного тока. При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при заряде больше.

Разрядное напряжение вычисляется по формуле:

Up=EIp*r= EEnIp*ro,
где
E — ЭДС аккумулятора, En – ЭДС поляризации, В;
Ip – сила разрядного тока, А;
r – полное внутреннее сопротивление, Ом;
ro – омическое сопротивление аккумулятора, Ом.

Зарядное напряжение вычисляется по формуле:

Uз=E + Iз*r=E + En + Iз*ro,
где
Iз - сила зарядного тока, А;
E — ЭДС аккумулятора, En – ЭДС поляризации, В;
r – полное внутреннее сопротивление, Ом;
ro – омическое сопротивление аккумулятора, Ом.

При увеличении силы разрядного тока 1р напряжение снижается быстрее вследствие большей разности концентраций электролита, а также большего внутреннего падения напряжения в батарее.

Напряжение на выводах аккумуляторной батареи при разряде также зависит от температуры. При понижении температуры увеличивается вязкость, удельное электросопротивление электролита и уменьшается скорость диффузии электролита из аккумуляторного сосуда в поры активных веществ электродов.

Полным внутренним сопротивлением аккумулятора принято называть сопротивление, оказываемое прохождению через аккумулятор постоянного разрядного или зарядного тока:


где
ro — омическое сопротивление, rn — сопротивление поляризации.

Омическое сопротивление аккумулятора складывается из сопротивлений электродов, электролита, сепараторов, межэлемёнтных перемычек и других токоведущих деталей.

Сопротивление заряженных аккумуляторов составляет от нескольких тысячных до нескольких сотых долей ома. Сопротивление уменьшается с увеличением числа параллельно соединенных аккумуляторов в батарее, т.е. с увеличением емкости аккумуляторной батареи.

Емкость аккумулятора принято разделять на разрядную, зарядную и номинальную.

Номинальная емкость — это количество электрической энергии, которой аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии.

Разрядная  емкость — это количество электричества, отдаваемое аккумуляторной батареей в пределах допустимого разряда.

Зарядная емкость — это количество электричества, необходимое для полного заряда аккумулятора.

Номинальная емкость определяется заводом-изготовителем при разряде аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения условного порогового напряжения.

Емкость измеряется в ампер-часах (А*час) или миллиампер-часах (mA*час). Ее значение указывается на этикетке аккумулятора или зашифровано в обозначении его типа.

На практике разрядная емкость отличается от номинальной в пределах 80— 110% и зависит от большого числа факторов: от условий и срока хранения, от технологии ввода в эксплуатацию, технологии обслуживания в процессе эксплуатации, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации и т.д.

Теоретически аккумулятор номинальной емкостью 600 мА*час может отдавать ток 600mA в течение одного часа, 60 мА в течение 10 часов, или 6mA в течение 100 часов.

Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается.

Номинальное значение емкости аккумулятора часто обозначается буквой «C», поэтому здесь и далее часто встречаются ссылки, подобные следующим: С, 1/10 C или C/10.

Когда говорят о разряде аккумулятора, равном 1/10 C, это означает разряд током, величина которого равна десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора. Так например, для аккумулятора емкостью 600 мА*час это будет разряд током 600/10 = 60 мА. Подобно вышесказанному о разряде аккумуляторов, при заряде значение 1/10 C означает заряд током, равным десятой части заявленной емкости аккумулятора.

Ток саморазряда — это ток, возникающий вследствие эффекта саморазряда.

Саморазряд — это самопроизвольная потеря аккумулятором запасенной энергии с течением времени после того, как он был полностью заряжен. Явление саморазряда присуще всем типам аккумуляторов, независимо от их электрохимической системы и связано с наличием примесей и диэлектрической разностью материалов аккумулятора, замкнутостью электродов внутри и снаружи корпуса вследствие загрязнения и высокой влажности. Количественно ток саморазряда измеряется в амперах и равен необходимому току разряда для соответствующей скорости потери емкости при условном отсутствии саморазряда.

  1.  Эксплуатация аккумуляторов 

Сравним аккумуляторы и другие источники питания:

Питание от сети

Кроме очевидного возможного отсутствия питания от сети, следует учесть еще и габариты и вес устройства (т.к. зачастую нужны доп. преобразователи напряжения), помехозащищенность, возможное наличие запрета на подключение к сети электропитания (например, в некотором медицинском оборудовании).

Первичные электрохимические генераторы

Если сравнивать первичные и вторичные ЭХГ, то вторичные зачастую сильно выигрывают по итоговой стоимости эксплуатации, наносят меньший вред окружающей среде, занимают меньшие габариты, имеют большую энергетическую плотность.

Топливные элементы

Топливные элементы в принципе более экономичны и дешевы, чем другие ЭХГ, так как их активный материал представляет собой обычное топливо, а не металл особой очистки. Их теоретический КПД близок к 100%, но главный их недостаток практически неустраним – электролит должен быть жидким или газообразным и конструкция топливного элемента должна иметь клапан для долива, эти особенности не позволяют пока делать топливные элементы малого размера для бытового использования.

Солнечные батареи

Солнечные (фотоэлектрические) батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. По своему принципу действия они, в общем, аналогичны транзистору. Обычно их изготавливают из полупроводникового кремния, легированного небольшими добавками таких примесей, как мышьяк и бор. Типичные размеры солнечных элементов 20ґ10ґ0,4 мм. Солнечный элементарный источник тока можно представить в виде двух сложенных тонких листков, соединенных между собой так, что образуется p-n-переход. В одном листке примесными являются атомы бора, в другом – мышьяка. При освещении элемента между двумя слоями кремния, как между электродами обычной батареи электропитания, возникает ЭДС. Но в кремниевой солнечной батарее ЭДС существует, пока на нее падает солнечный свет. Когда она вырабатывает электрический ток, в ней не происходит никаких химических превращений. Поэтому ее срок службы не ограничен. Некоторые солнечные батареи преобразуют в электроэнергию около 1/7 энергии солнечного света.

Ядерные источники тока

В ядерном реакторе атомной электростанции за счет энергии ядерного топлива выделяется тепло, которое используется для получения пара, приводящего в действие электрогенератор. Ядерный же источник тока преобразует ядерную энергию непосредственно в электрическую.

Ядерная батарея электропитания состоит из радиоактивного источника, испускающего электроны с большой кинетической энергией, коллектора, собирающего эти электроны, и изолятора, сквозь который электроны проходят на пути к коллектору. Зажимы, предусмотренные на коллекторе и радиоактивном источнике, служат внешними выводами батареи.

Накапливаясь на коллекторном электроде, отрицательно заряженные электроны заряжают и его. Поскольку электроны уходят с электрода радиоактивного источника, на нем остается положительный заряд. В результате между двумя электродами возникает ЭДС. Если к двум зажимам присоединить провод, то по нему пойдет ток от коллектора к радиоактивному источнику, так же, как и в случае ЭХГ.

Ядерные батареи электропитания отличаются очень большими ЭДС, которые можно понижать при помощи электросхем деления напряжения. Такие генераторы тока применяются на искусственных спутниках Земли и межпланетных станциях, а также в труднодоступных точках на Земле для питания научной аппаратуры, длительное время работающей автоматически.

Достоинства и недостатки аккумуляторов

Среди достоинств аккумуляторов:

  •  могут давать большие токи при небольших размерах, особенно в течении небольшого промежутка времени
  •  полная стоимость эксплуатации зачастую ниже, например, один аккумулятор и зарядное устройство к нему стоят дешевле 500-1000 щелочных батарей, которые он может заменить
  •  некоторые виды аккумуляторов можно заряжать дешевыми и простыми способами
  •  плотность энергии аккумуляторов больше, чем у щелочных батарей
  •  хорошо прогнозируемый срок службы
  •  у некоторых аккумуляторов напряжение больше, чем у солнечного или щелочного элемента

Недостатки:

  •  высокая стоимость
  •  необходимость в зарядных устройствах
  •  опасность для человека и окружающей среды, большая, чем у многих альтернатив
  •  зачастую сложные условия эксплуатации
  •  эффект памяти
  •  старение
  •  саморазряд
  •  у некоторых - сложные алгоритмы заряда
  •  отсутствие в свободной продаже аккумуляторов малых размеров

Эксплуатационные характеристики аккумуляторов и аккумуляторных батарей

Приведем наиболее важные эксплуатационные характеристики аккумуляторов и аккумуляторных батарей:

  •  Конструктивные особенности:
    •  габариты;
    •  масса;
    •  тип контактов;
    •  жесткость корпуса;
    •  герметичность.
  •  Электрохимические и химико-физические особенности:
    •  энергетическая плотность;
    •  номинальная емкость;
    •  сроком службы;
    •  наличие «эффекта памяти»;
    •  старением аккумулятора ;
    •  саморазряд.
  •  Условия эксплуатации :
    •  температурные требования;
    •  влажность;
    •  механические нагрузки;
    •  метод, требования, точность контроля параметров заряда;
    •  минимальное напряжение;
    •  максимальный ток разряда;
    •  рекомендованные условия начала заряда(цикличность заряда-разряда);
    •  процедура восстановления(тренировки): метод, требования, точность контроля.
  •  Условия хранения:
    •  температурные требования;
    •  влажность;
    •  механические нагрузки;
    •  рекомендованное напряжение при длительном хранении;
    •  рекомендованное время хранения без дозарядки;
    •  хранение с капельной подзарядкой(метод, требования, точность контроля заряда);
  •  Потенциальная опасность.
  •  Цена.

Конструктивно аккумуляторы и аккумуляторные батареи выполняются в жестких и мягких корпусах с разными контактами - проводами, контактными площадками, жесткими клеммами, полосками фольги и т. д.

Конструктивные особенности сильно зависят от электрохимической системы и подробно будут рассмотрены далее.

Энергетическая плотность аккумулятора — это количество электрической энергии в полностью заряженном аккумуляторе, отнесенное к его объему или массе. Измеряется в Джоулях на килограмм, Ватт-часах на килограмм или Ватт-часах на литр.

Срок службы (срок эксплуатации) аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда/разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Также срок службы определяется временем, прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-Ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60% — 80% от номинального значения. Срок службы аккумулятора зависит от различных факторов: от его электрохимической системы, от методов заряда и глубины разряда, от условий эксплуатации и процедуры обслуживания.

Эффект памяти — это обратимая потеря емкости аккумулятора, связанная с неблагоприятными условиями эксплуатации. Он развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов и свойственен только аккумуляторам на основе никеля. Сильнее всего эффект памяти проявляется именно в никель-кадмиевых аккумуляторах. Дело в том, что в аккумуляторах на основе никеля рабочее вещество находится в виде мелких кристаллов, обеспечивая максимальную площадь соприкосновения с электролитом. С каждым циклом заряда/разряда рабочее вещество постепенно изменяет свою структуру, уменьшая при этом площадь активной поверхности. Как следствие, снижается напряжение и уменьшается емкость. При неблагоприятных условиях эксплуатации кристаллы укрупняются до размеров, в 150 раз превосходящих первоначальные. В некоторых случаях острые грани кристаллов прокалывают сепаратор, вызывая высокий саморазряд или короткое замыкание. На сегодняшний день это понятие часто неверно применяется к любому случаю потери ёмкости аккумулятора.

Для предотвращения эффекта памяти необходимо проводить тренировку аккумулятора.
Тренировка — это периодические (3-4 раза) циклы заряда и последующего разряда аккумулятора до напряжения 1V на элемент. Проще всего тренировать аккумулятор в настольных зарядных устройствах, имеющих функцию разряда. Проводить тренировку Ni-Cd аккумуляторов необходимо один раз в месяц. Чаще тренировать аккумулятор не рекомендуется: полезный эффект незначителен, зато износ аккумулятора существенно возрастает. Однако тренировочные циклы помогают не всегда. Если аккумулятор запущен, то помочь ему может только метод восстановления, основанный на глубоком разряде (до 0.4V на элемент) по специальному алгоритму.

Рис. 2. Структура анодной пластины нового NiCd аккумулятора.
Рис. 3. Структура анодной пластины
NiCd аккумулятора, не подвергавшегося периодической тренировке.

Для количественной оценки саморазряда используется величина потерянной аккумулятором за определенное время энергии, выраженная в процентах от значения, полученного сразу после заряда. Саморазряд максимален в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Поэтому оценивается саморазряд за одни сутки и за один месяц после заряда. Следует также отметить, что величина саморазряда зависит от температуры, с увеличением окружающей температуры саморазряд увеличивается. Например, при увеличении температуры с 20 до 30 градусов саморазряд увеличивается почти в 2 раза. Для исправных Ni-Cd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончания заряда, для Ni-MH — немного больше, а для Li-Ion, как и для Li-Pol, пренебрежимо мал и оценивается только за месяц. За такой период Ni-Cd аккумуляторы теряют до 20% запасенной энергии, Ni-MH — до 30%, a Li-Ion — не более 10%. Для предотвращения саморазряда аккумуляторы некоторых электрохимических систем хранят при «капельной» подзарядке, т. е. заряжая малым током.

Старение аккумулятора состоит в снижении емкости, увеличении саморазряда и внутреннего сопротивления, что ведет к постепенному выходу его из строя. Все аккумуляторы стареют со временем, причин старения много и они часто зависят от конструкции и принципа работы аккумулятора. Наиболее частые причины — это слеживание, укрупнение активной массы аккумулятора, побочные химические реакции, примеси, вибрация, перезаряд аккумулятора, использование неисправного или "неродного" зарядного устройства, длительным пребыванием в зарядном устройстве, переохлаждением или перегревом аккумулятора, да и просто браком по вине изготовителя или поставщика.

Опасность, которую потенциально несут аккумуляторы для человека — это пролив содержимого аккумулятора(в некоторых используются кислоты), ожоги, отравления, удар электрическим током, возгорания, загрязнение окружающей среды. Наиболее опасно самопроизвольное возгорание аккумуляторов, вызываемое превышением тока разряда/заряда, максимального напряжения, перегревом или деформацией аккумулятора.

Аккумуляторы разных электрохимических систем требуют особых условий заряда и эксплуатации, подробнее это рассмотрено далее для аккумуляторов распространенных систем.

Состояние аккумулятора оценивается по совокупности значений трех его основных характеристик:

  •  разрядной емкости;
  •  внутреннего сопротивления;
  •  тока саморазряда.
    1.  Распространенные бытовые аккумуляторы

В настоящее время для питания бытовых электронных устройств наиболее широко применяются аккумуляторы пяти различных электрохимических систем.

Герметичные свинцово-кислотные

Герметичные свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid Battery, сокр. SLA) — это аккумуляторы, используемые в переносных видеокамерах, портативных кассовых аппаратах, блоках бесперебойного питания и резервного освещения.

Эти аккумуляторы представляют собой разновидность VRLA (Valve Regulated Lead Acid batteries, батареи с регулируемыми клапанами) батарей с увлажненными сепараторами и с гелевым электролитом. VRLA батареи на самом деле не являются полностью герметичными, так как содержат клапаны для снижения внутрикорпусного давления. Очень часто, подчеркивая это, вместо термина «герметичные батареи» употребляют термин «герметизированные батареи».

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи до сих пор остаются самыми надежными, долговечными и не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока.

В герметизированных гелевых батареях вместо жидкого электролита используется гелеобразный, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания раствора серной кислоты с загустителем (обычно это двуокись кремния SiO2 — силикагель). Технология производства гелевых батарей получила название GEL. Гелевые батареи в течение всего срока эксплуатации не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать. Для их подзарядки необходимо использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже ±1 % для предотвращения обильного газовыделения. Такие аккумуляторные батареи критичны к температуре окружающей среды.

При заряде свинцово-кислотных батарей протекают реакции:

  •  у положительных пластин:
    PbSO4 + Н2О + О -> РЬО2 + H2SO4;
  •  у отрицательных пластин:
    PbSO4 + 2Н -> Pb + H2SO4.

При разряде свинцово-кислотных батарей протекают реакции:

  •  у положительных пластин:
    Р
    bО2 + Н2О -> PbSO4 + Н2О + О;
  •  у отрицательных пластин:
    Р
    b + H2SO4 -> PbSO4 + 2Н.

 

Рис. 4. Герметичная свинцово-кислотная батарея.

Рис. Устройство герметичной свинцово-кислотной батареи.

Рис. 5. Клапан VRLA-батареи.

В результате нарушения режима заряда, неисправности зарядного устройства, когда заряд протекает при повышенном токе, в батарее происходит активное газообразование. Когда давление газов достигнет величины 7,1...43,6 кПа (0,7...4,45 кгс/м2), открывается клапан для обеспечения вентиляции батареи, и благодаря этому устраняется опасность ее взрыва. Другая роль клапана — не допустить попадания внутрь корпуса атмосферного кислорода во избежание его реакции с активным материалом негативных пластин.

Большинство типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей имеют элементы призматической формы. Поэтому прямоугольные корпуса для них изготавливаются из пластмасс. Хотя некоторые типы батарей VRLA производятся на основе цилиндрических элементов, сохраняя все преимущества последних. Они обеспечивают более высокую стабильность работы элементов, больший ток разряда, лучшую температурную стабильность по сравнению с батареями, собранными из призматических элементов.

Напряжение на элементе свинцово-кислотной батареи составляет 2,2 В. Среди всех типов аккумуляторов свинцово-кислотные отличаются наименьшей энергетической плотностью. В них отсутствует «эффект памяти». Их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя.

Способность сохранять заряд у этих батарей очень высока. Если, например, никель-кадмиевые батареи в течение трех месяцев теряют до 40 % сохраненной энергии, то свинцово-кислотные батареи теряют 40 % энергии примерно за год. Они недороги, но эксплуатационные расходы на них выше, чем на те же никель-кадмиевые батареи.

Время заряда свинцово-кислотных батарей составляет 8...16 часов. Они всегда должны храниться в заряженном состоянии, так как хранение в незаряженном состоянии приведет к сульфатации пластин — причине потери емкости, а в перспективе и к тому, что батарею впоследствии зарядить не удастся вообще.

В отличие, например, от никель-кадмиевых свинцово-кислотные батареи не любят глубоких циклов заряд/разряд. Полный разряд может стать причиной деформации пластин, и каждый цикл заряда/разряда батареи впоследствии ведет к снижению ее емкости. Такие потери относительно невелики, пока батарея работает в нормальных условиях, но даже единственный случай ее перегрузки и, как результат, глубокого разряда приведет к потере ее емкости примерно на 80 %. Для предупреждения таких случаев рекомендуется использовать батареи повышенной емкости.

Срок службы

В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры ресурс или срок службы свинцово-кислотной батареи может составлять от 1 года до 20 и более лет. Кроме того, в значительной мере срок службы определяется конструкцией элементов батареи.

Хранение

Герметичные свинцово-кислотные батареи необходимо хранить в заряженном состоянии. Каждые шесть месяцев их надо подзаряжать. Для этого применяют цикл основного заряда (заряд при постоянном (неизменяющемся) напряжении). Его цель — не допустить падения напряжения на батарее менее 2,10 В на элемент.

Тренировка

Для увеличения срока службы батареи ее необходимо периодически разряжать. Для этого проводят контрольно-тренировочный цикл: батарею разряжают до емкости не менее 10 %, а затем снова заряжают. Полный ее разряд недопустим, т. к. каждый глубокий разряд приводит к снижению емкости батареи.

Методика заряда

Зарядить герметичные свинцово-кислотные батареи достаточно быстро нельзя. Время заряда обычно составляет 12...16 ч. Если увеличить ток и применить методы многоступенчатого заряда, его можно сократить до 10 ч.  и менее.

Для заряда таких батарей, используемых постоянно в бытовой технике, не имеющей функции самостоятельной зарядки батареи рекомендуются методы заряда при постоянном напряжении заряда и при постоянных значениях напряжения и тока заряда.

Метод заряда при постоянном напряжении заряда

На этот метод заряда следует обратить внимание, как на самый простой.

Метод заряда при постоянном напряжении заряда является основным методом для батарей, работающих в циклическом режиме. При таком методе к выводам батареи прикладывается по-стоянное напряжение из расчета 2,45 В на элемент при температуре воздуха 20...25 °С. Величина этого напряжения может для различных типов батарей от разных производителей незначительно отличаться.

Заряд считается завершенным, если ток заряда остается неизменным в течение трех часов. Если не осуществлять контроль над постоянством напряжения на батарее, может наступить ее перезаряд. В результате электролиза, из-за того, что негативные пластины перестают активно поглощать кислород, вода электролита начинает разлагаться на кислород и водород, испаряясь из батареи. Уровень электролита в батарее снижается, что приводит к ухудшению протекания в ней химических реакций, и ее емкость будет уменьшаться, а срок службы — сокращаться. Поэтому заряд таким методом должен протекать при обязательном контроле напряжения и времени заряда, что позволит увеличить срок службы батареи.

На рис. 6. в качестве примера показаны характеристики заряда 4-, 6- и 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей, разряженных на 50 % и 100 %. Степень разряда определяется напряжением конца разряда на батарее.

Рис. 6. Характеристики заряда при разряде батарей на 50 и 100 %

Следует помнить, что прерывание заряда сокращает срок службы аккумуляторной батареи.

Нельзя заряжать полностью заряженную батарею — перезаряд может привести к ее порче. При цикличной эксплуатации батареи время заряда не должно превышать 24 часов.

Метод заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда

Данный метод является улучшенной версией предыдущего.

Рис. 7. Характеристики заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда

Используя метод заряда при постоянном напряжении и токе заряда, сначала выставляют ток заряда, равный 0,4С, а затем контролируют величину напряжения, которое к концу заряда при комнатной температуре 20...25 °С должно составлять 2,45 В на элемент. Время заряда составляет 6... 12 часов в зависимости от степени разряда батареи. Графики, характеризующие изменение напряжения на батарее и тока заряда, показаны на рис. 7.  В данном методе также необходим контроль по времени (не более 24 часов).

В итоге можно сформулировать следующие условия заряда:

Независимо от типа необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей можно сформулировать общие требова-ния по их эксплуатации:

Напряжение зарядного устройства, измеряемое на зажимах аккумулятора, должно соответствовать рекомендуемому (зависит от типа аккумулятора и температуры) и поддерживаться с точностью не хуже ±1 %. При этом зарядный ток, протекающий через полностью заряженный аккумулятор, в зависимости от интенсивности саморазряда, может иметь значение в пределах от единиц до сотен миллиампер на каждые 100 ампер-часов емкости. Заряд батареи следует производить при выходном напряжении зарядного устройства из расчета 2,4...2,5 В на элемент. Такой способ дает ощутимый выигрыш во времени заряда лишь при использовании мощного зарядного устройства, способного обеспечить начальный ток заряда от 0,2С.

В зависимости от конструкции аккумуляторов зарядный ток в амперах не должен превышать 0,1...0,4С.

Преимущества и недостатки

Преимущества свинцово-кислотных батарей:

• дешевизна и простота производства — по стоимости 1 Вт • ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми;

• отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания;

• малый саморазряд — самый низкий по сравнению с акку муляторными батареями других типов;

• низкие требования по обслуживанию — отсутствует «эффект памяти», не требуется доливки электролита;

• допустимы высокие токи разряда.

Недостатки свинцово-кислотных батарей:

• не допускается хранение в разряженном состоянии;

• низкая энергетическая плотность — большой вес аккуму ляторных батарей ограничивает их применение в стацио нарных и подвижных объектах;

• допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда;

• кислотный электролит и свинец оказывают вредное воз действие на окружающую среду;

• при неправильном заряде возможен перегрев.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Nicel-Cadmium Battery, сокр. NiCd) используются в сотовых телефонах, радиостанциях, радиотелефонах, мощных ручных инструментах.

Среди перезаряжаемых батарей никель-кадмиевые до сих пор остаются наиболее востребованным типом батарей, применяе-мых в качестве источника питания радиостанций, аппаратуры скорой медицинской помощи, профессиональных видеокамер и электроинструментов. Они «любят» быстрый заряд, медленный разряд до состояния полного разряда и подзарядку импульсами тока, в то время как батареи других типов предпочитают частичный разряд и умеренные токи нагрузки. Никель-кадмиевая батарея — сильный, усердный и молчаливый работник. Это единственный тип батарей, которые способны работать в самых жестких условиях.    Рразрядный ток допускается в широких пределах, причем данный тип аккумуляторов дает максимальные токи разряда по сравнению с остальными рассмотренными, при заряде допускается перезаряд и недозаряд. В настоящее время эти батареи составляют примерно 50 % всех аккумуляторных батарей, выпускаемых для портативного оборудования. Однако они начинают уступать первенство батареям новых типов, имеющих более высокие энергетические плотности и в которых используются менее токсичные металлы и соединения.

Сохраняют устойчивую работоспособность в условиях низких температур и при воздействии вибраций и ударов.

Напряжение одного заряженного никель-кадмиевого аккумулятора равно 1,3 В, разряженного – 1 В. Емкость аккумулятора при напряжении 1 В, как правило, израсходована не полностью, однако разряжать его дальше не следует. Глубокий разряд никель-кадмиевого аккумулятора (до напряжения 0,4—0,5 В) производят только в профилактических или «лечебных» целях. Дело в том, что в процессе эксплуатации никель-кадмиевого аккумулятора происходит постепенное увеличение размера зерен активной массы, следствием которого является снижение рабочей емкости а, в перспективе – выход из строя аккумулятора по причине разрушения межэлектродного сепаратора и катастрофического увеличения утечки (эффект памяти). Увеличение размера зерен активной массы происходит тогда, когда аккумулятор попадает в зарядное устройство будучи не полностью разряженным. Это необходимо учитывать при эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей. Для снятия эффекта памяти используют глубокий разряд, в процессе которого происходит уменьшение размера зерен активной массы и восстановление емкости аккумулятора. Таким образом, глубокий периодический разряд является лечебно-профилактическим средством, благотворно сказывающимся на «здоровье» никель-кадмиевого аккумулятора.

Рис. 8. Устройство никель-кадмиевого аккумулятора

Рис. 9. Конфигурации аккумуляторных батарей GP и соответствующие им коды.

При заряде (левая часть формулы) и разряде (правая часть) никель-кадмиевой батареи протекают химические реакции:

Cd + 2NiOOH + 2Н2О <--> Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2.

Срок службы

В случае нормальной эксплуатации срок службы никель-кадмиевых аккумуляторов находится в пределах 500 – 600 циклов заряд-разряд, после чего емкость аккумулятора снижается примерно на половину. Однако согласно данным ряда исследований, благодаря регулярному глубокому периодическому разряду срок службы аккумуляторов увеличивается до 2000 циклов заряд-разряд и более.

Хранение

Хранить такие аккумуляторы можно при любой степени заряда.

Тренировка

Для никель-кадмиевых батарей крайне необходим полный периодический разряд: если его не делать, на пластинах элементов формируются крупные кристаллы, существенно снижающие их емкость (так называемый «эффект памяти»).

Методика заряда

Для заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей можно использовать один из трех методов заряда (по скорости заряда) в той или иной его вариации:

• нормальный или медленный заряд (Slow Charge);

• быстрый заряд (Quick Charge);

• скоростной заряд (Fast Charge).

Нормальный заряд заряжает батарею в течение 6—12 часов и рассмотрен в этой работе не будет.

Метод быстрого заряда основан на заряде постоянным током с последующим переключением в режим струйной подзарядки.

В зарядных устройствах, работающих по методу быстрого заряда, отключение батареи по окончании заряда производится путем контроля напряжения на ней. Как только оно достигнет определенной величины, произойдет переключение батареи в режим струйной подзарядки.

При таком способе заряда необходимо учитывать и влияние температуры окружающей среды. Для этой цели в цепь управления компаратора включен термистор RT. Для того чтобы защитить батарею от перезаряда и перегрева, имеется два устройства защиты — таймер и термопредохранитель, установленные внутри ее корпуса.

Метод быстрого заряда используется только для заряда никель-кадмиевых батарей. В настоящее время он практически не применяется по той причине, что очень трудно согласовать батарею с зарядным устройством: для разных батарей напряжение отключения различно. Поскольку подобрать его трудно, возможен как недозаряд, так и перезаряд батареи, а это недопустимо.

Временная характеристика работы устройства быстрого заряда приведена на рис. 10.

Рис. 10. Временная характеристика работы устройства быстрого заряда

Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей лучше всего применять метод скоростного заряда (Fast Charge). Нормальный (медленный) заряд приводит к кристаллизации элементов батареи, что снижает их емкость и срок службы. Не-смотря на то, что для борьбы с эффектом памяти (уменьшение емкости из-за кристаллизации аккумуляторов) применяют спе-циальные методы, которые позволяют восстановить емкость ба-тареи, срок ее службы при этом все равно снижается. Темпера-тура батареи при заряде должна быть умеренной, а нахождение ее при максимально допустимой температуре должно быть как можно меньше.

Рис. 11. Временная характеристика ΔV-заряда Скоростной заряд током 0,5С  (t=10...40º C)

Батареи этих типов не рекомендуется оставлять в зарядном устройстве более чем на несколько дней, даже при правильно установленной величине тока в режиме струйной подзарядки. Для борьбы с эффектом памяти необходимо один раз в месяц производить контрольно-тренировочный цикл (КТЦ) — полностью разрядить батарею током нормального разряда, а затем немедленно зарядить ее.

Наиболее точным и надежным способом управления процессом заряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей является способ управления зарядом при помощи микроконтроллера, который осуществляет мониторинг напряжения батареи и отключает ее при его характерном изменении. Таким характерным изменением является резкое незначительное снижение напряжения на батарее в конце заряда. Его называют отрицательным дельта V (в англоязычной технической литературе — Negative Delta V, или сокращенно NDV). В отечественной литературе такой метод заряда называют методом отрицательного ΔV-заряда, подчеркивая небольшое падение напряжения в конце заряда, или просто методом ΔV-заряда. Снижение напряжения в конце заряда для никель-кадмиевых батарей составляет 10...30 мВ на элемент.

Метод ΔV-заряда особенно хорошо использовать для определения времени конца заряда в зарядных устройствах герметичных никель-кадмиевых батарей, поскольку он обеспечивает быстрое время отклика. Хороших результатов при его использовании добиваются и при подзарядке частично или полностью заряженных батарей. При включении на зарядку, например, полностью заряженной батареи напряжение на ней сначала резко возрастет, а затем сразу же резко снизится, что приведет к прерыванию процесса заряда. Такой цикл продлится всего лишь несколько минут, в течение которых батарея не успеет нагреться. Чем лучше зарядное устройство «чувствует» ΔV, тем качественнее произойдет процесс заряда. На рис. 11.  изображена временная характеристика ΔV-заряда.

Если характеристика на рис. 11.  отображает всего лишь принцип ΔV-заряда, то на рис. 12.  изображена реальная характеристика ΔV-зарядного устройства. Из нее видно, что процесс заряда начинается с инициирующего (начального) заряда током около 0,2С. Он особенно необходим, если батарея полностью разряжена. После этого этапа наступает этап скоростного заряда.

Рис.  12.  Реальная характеристика работы скоростного ΔV-зарядного устройства

В его начальной части имеет место незначительное падение напряжения (-ΔV), но автоматика отключения не срабатывает, т. к. она настроена так, что в течение 5 мин с момента начала скоростного заряда не реагирует на отрицательное изменение напряжения заряда. В конце заряда на батарее наблюдается падение напряжения из расчета 15...20 мВ/элемент, которое служит сигналом для выключения режима скоростного заряда и перехода в режим струйной подзарядки током 0,05С в течение 15 ч, после чего батарея отключается от цепи заряда полностью. Струйная подзарядка компенсирует ее саморазряд. Сама батарея готова к использованию практически сразу же после завершения скоростного заряда. Если элементы батареи плохо согласованы, перепад напряжения -ΔV может иметь малое значение, недостаточное для переключения зарядного устройства в режим струйной подзарядки. В этом случае предусмотрено его принудительное переключение в этот режим по достижении напряжения на элементе 1,95 В.

Чтобы падение напряжения на батарее в конце заряда было достаточным для определения этого порога, ток заряда должен составлять не менее 0,5С. Если он меньше 0,5С, падение напряжения становится таким незначительным, что его трудно измерить, особенно если элементы батареи плохо согласованы. В батарее с несогласованными элементами каждый из них достигает состоянии полного заряда в разные промежутки времени, и величина перепада напряжения -ΔV в конце заряда батареи в целом становится менее ярко выраженной, процесс заряда не останавливается, и в результате батарея перегревается, происходит ее перезаряд. Поэтому, кроме анализа -ΔV, в зарядном устройстве, должны быть предусмотрены и другие способы прерывания процесса заряда (например, при нагреве батареи до пороговой температуры должно сработать устройство термозащиты.

Наиболее совершенные зарядные устройства никель-кадмиевых батарей имеют термодатчик, контролирующий скорость нарастания температуры батареи, которую часто обозначают как ΔT/Δt (T — температура; t — время; А означает приращение), а метод заряда, при котором обеспечивается слежение за скоростью нарастания температуры батареи — методом ΔТ-заряда (дельта Т-заряда). Такой метод заряда более эффективен, чем отключение батареи при достижении ее пороговой температуры. Отключение происходит в том случае, если повышение температуры достигнет 1 °С/мин. Абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева устанавливают равным 60 °С. Суть метода заключается в том, что в конце заряда происходит более интенсивный нагрев батареи. Из-за относительно большой массы ее элементов батарея очень короткий промежуток времени работает в условиях процесса перезаряда, пока не произойдет ее отключение. Метод ΔТ-заряда используется только в зарядных устройствах скоростного заряда.

Перезаряд особенно губительно воздействует на батарею, если по окончании заряда ее принудительно отключают, а затем снова подключают к зарядному устройству. Это характерно для аккумуляторных батарей радиостанций, трубок радиотелефонов, которые часто вынимают, затем снова вставляют в базовое или автомобильное зарядное устройство. При каждой такой операции инициируется цикл скоростного заряда при его высоком начальном токе. То же самое характерно и для аккумуляторных батарей ноутбуков. Пользуясь ноутбуком, как переносным прибором, специалист, часто не задумываясь, подключает его к сетевому источнику питания, являющемуся одновременно и зарядным устройством, а затем отключает. То же самое происходит и при использовании ноутбука при обслуживании электрооборудования современных автомобилей.

Частые подключения к внешнему источнику питания устройства с никель-кадмиевыми или никель-металлгидридными батареями делает их «глухими». Другими словами, через какое-то время они перестают «чувствовать» связь с зарядным устройством. Зарядные устройства литий-ионных батарей умеют определять степень заряда батареи (SoCState-of-Charge), поэтому многократные подключения, например, ноутбуков с такими батареями, не приведет к срыву процесса заряда в какой-то момент.

Эффективность заряда стандартных никель-кадмиевых батарей при скоростном заряде (ток заряда 1С) составляет 91 %, а при медленном (ток заряда 0,1С) — 71 %. Время скоростного заряда обычно — около одного часа. Если батарея разряжена частично или ее емкость в результате эффекта памяти уменьшилась, время заряда сокращается. При нормальном (медленном) заряде его время составит около 14 ч.

В течение первых 70 % времени цикла заряда никель-кадмиевая батарея заряжается почти до 100 % своей емкости. Несмотря на то, что батареей была поглощена определенная энергия, ее нагрев не происходит. Начальный зарядный ток никель-кадмиевых батарей может составлять несколько значений С без угрозы их перегрева. Этот феномен использован в ультраскоростных устройствах заряда, в которых заряд батареи до 70 % ее емкости происходит в считанные минуты. Далее он продолжается при более низких значениях тока заряда, пока батарея не зарядится полностью.

По достижении порога емкости в 70 % батарея существенно утрачивает способность запасать энергию. Ее элементы начинают выделять газы. Давление их внутри корпуса увеличивается, температура батареи растет. По достижении емкости 80...90 % ее способность запасать энергию снижается еще больше. По достижении состояния полного заряда начинается перезаряд батареи. При заряде током 1С и более никель-кадмиевые батареи сверхбольшой емкости имеют тенденцию к большему нагреву, чем стандартные батареи. Оптимальных зарядных характеристик можно добиться, если на начальном этапе процесса заряда заряжать батарею большим током, а затем, по мере снижения способности батареи запасать энергию, этот ток уменьшать. Таким образом, можно избежать существенного нагрева аккумуляторной батареи и добиться ее полного заряда.

Если после каждого импульса зарядного тока будет следовать импульс тока разряда, это улучшит способность батареи запасать энергию. Такой метод заряда, иногда называемый методом «обратной нагрузки», а чаще всего — реверсивным зарядом, обеспечивает увеличение активной площади пластин. В результате увеличиваются энергоемкость батареи и срок ее службы. Метод обратной нагрузки также улучшает процесс скоростного заряда, т. к. способствует рекомбинации газов, выделяемых в процессе заряда. В итоге заряд сопровождается меньшим выделением тепла и становится более эффективным, чем при заряде постоянным (не импульсным) током. Более того, исследования выявили еще одно преимущество этого метода: он существенно снижает опасность кристаллизации никель-кадмиевых аккумуляторов и увеличивает срок их службы примерно на 15 %.

После полного заряда никель-кадмиевая батарея переходит в режим струйной подзарядки для компенсации ее саморазряда. Ток заряда в этом режиме составляет 0,033...0,05С. С целью ослабления эффекта памяти величину этого тока стараются подбирать как можно меньшей.

В итоге рекомендуемый специалистами оптимальный метод заряда можно назвать комбинированным: Если напряжение на элементах меньше 0,8 В, начинается инициирующий струйный заряд током 0,2...0,ЗС, как правило до 10 мин. После того как напряжение на элементах достигнет значения 0,8 В, можно начинать скоростной заряд током 1 C с постепенным уменьшением до 0,5С с контролем по ΔV, ΔТ, а также c использованием устройства отключения батареи при достижении порогового значения температуры (метод температурной отсечки) и отключения по сигналу таймера. Отключение батареи в процессе заряда происходит по первому сигналу от любого из перечисленных устройств. Для температурного контроля отключение происходит в том случае, если скорость роста температуры достигнет 1 °С/мин. При этом абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева составляет 60 °С. После окончания заряда осуществляется подзарядка током 0,1 С в течение 30 мин для обеспечения максимальной емкости батареи, а затем начинается процесс струйной подзарядки током 0,033...0,05С.

Временной график скоростного заряда характеризуется тем, что заряд начинается током 1С, и при достижении пиковых значений напряжения батарея для охлаждения отключается на несколько минут, после чего заряд происходит при меньшем значении тока. Таким образом, заряд происходит несколькими ступенями при ступенчатом снижении его тока.

Такой метод заряда, известный еще под названием «дифференциально-шаговый заряд», хорошо подходит для заряда как никель-металлгидридных, так и никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. В ходе его ток заряда изменяется в соответствии со степенью заряда батареи (State of Charge или SoC) и в начале заряда имеет большое значение, которое постепенно снижается до умеренных величин. Это позволяет предупредить перегрев батареи в конце цикла заряда, когда ее способность запасать энергию резко снижается.

Преимущества и недостатки

Преимущества никель-кадмиевых аккумуляторных батарей:

• возможность быстрого и простого заряда, даже после дли тельного хранения;

• большое число циклов заряд/разряд: при правильной эксплуатации — более 1000 циклов;

• хорошая нагрузочная способность и возможность работы при низких температурах;

• длительные сроки хранения при любой степени заряда;

• простота хранения и транспортировки (многие авиакомпании по перевозке грузов не предъявляют к таким батареям никаких дополнительных требований);

• сохранение высокой емкости при низких температурах;

• наибольшая приспособленность для работы в жестких условиях эксплуатации;

• низкая цена;

• широкий выбор батарей различного конструктивного исполнения и емкости (большинство элементов таких бата рей цилиндрические).

Недостатки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей:

• относительно низкая по сравнению с новыми типами аккумуляторных батарей энергетическая плотность;

• присущий этим батареям эффект памяти и необходимость проведения периодических работ по его устранению;

• токсичность применяемых материалов, что отрицательно сказывается на экологии, и некоторые страны ограничивают использование батарей этого типа;

• относительно высокий саморазряд — после хранения обязателен цикл заряда.

Никель-металлгидридные аккумуляторы

Никель-металлгидридные аккумуляторы (Nickel-Metal-Hydride Battery, сокр. NiMH) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.

Рис. 13. Распространенные NiMH аккумуляторы. 

Успех распространению никель-металлгидридных батарей обеспечили высокая энергетическая плотность и нетоксичность материалов, применяемых при их производстве. По сравнению с никель-кадмиевыми современные никель-металлгидридные батареи имеют более высокую — почти на 40 % — энергетическую плотность. Имеется возможность и для дальнейшего ее повышения, но не без некоторых нежелательных побочных эффектов.

Как и никель-кадмиевым, никель-металлгидридным аккумуляторным батареям присущ высокий саморазряд. Если никель-кадмиевые батареи теряют 10 % своей емкости в первые 24 часа после заряда, которая затем снижается примерно на 10 % каждый месяц, то никель-металлгидридные батареи теряют за такое же время в 1,5 раза большую емкость. Подбор металлгидридных материалов, улучшающих водородные связи и уменьшающих коррозию сплава, позволяет уменьшить скорость саморазряда, однако при этом увеличивается цена и снижается энергетическая плотность аккумуляторной батареи.

«Эффект памяти» проявляется значительно меньше, чем у никель-кадмиевых батарей, но нельзя сказать о его отсутствии вообще.

Рис. 14. Конструкция цилиндрического NiMH аккумулятора.

В настоящее время никель-металлгидридные батареи постепенно заменяют никель-кадмиевые при использовании их в качестве источника питания беспроводных средств связи и мобильных компьютеров. И во многих странах этот процесс поддерживается законодательно с целью защиты окружающей среды от вредного воздействия токсичных отходов.

При заряде никель-металлгидридных батарей протекают реакции у положительных пластин:
Ni(OH)
2 + ОН- -> NiOOH + Н2О + е-;

у отрицательных пластин:
М + Н
2О + е- -> МНП0ГЛ + ОН-,

где М — сплав, поглощающий водород; Нпогл — поглощенный сплавом водород.

При разряде протекают обратные реакции. В качестве поглотителя водорода применяются никель-железные, марганцево-цинковые, марганцево-никелевые и лантано-никелевые сплавы.

Срок службы

Срок службы никель-металлгидридные батарей выше срока службы никель-кадмиевых и составляет примерно 500—1500 циклов.

Хранение

Никель-металлгидридные батареи капризно относятся к повышенной температуре, их следует хранить в прохладном месте заряженными примерно на 40 %. Саморазряд высокий - до 30% в месяц.

Тренировка

Батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) для предупреждения кристаллизации, рекомендованные периоды составляют 60.. 90 дней.

Методика заряда

Методы заряда никель-металлгидридные аккумуляторов повторяют методы заряда для никель-кадмиевых.

Для никель-металлгидридных батарей наиболее предпочтительны методы быстрого заряда, а наименее — нормальный (медленный) заряд. Особенно критичен для них выбор тока струйной подзарядки. Поскольку они плохо поглощают энергию перезаряда, ток струйной подзарядки должен быть существенно меньше, чем для никель-кадмиевых батарей. Для никель-металлгидридных батарей рекомендуется ток струйной подзарядки не более 0,05С. По этой причине зарядные устройства, предназначенные для зарядки никель-кадмиевых батарей непригодны для зарядки никель-металлгидридных, но зарядные устройства никель-металлгидридных батарей можно с успехом применять для зарядки никель-кадмиевых.

Медленный заряд никель-металлгидридных батарей трудно осуществим или вообще невозможен. При токе заряда 0,1...0,ЗС определить конец заряда по скорости нарастания температуры батареи или перепаду напряжения на ней становится невозможным. Поэтому, если устройства медленного заряда и применяют, то единственный способ завершения цикла заряда — отключение по сигналу таймера. Назвать такой метод хорошим нельзя: перезаряд может привести к губительным для батареи последствиям, особенно, если она установлена на зарядку в частично разряженном или в заряженном состоянии. То же самое может иметь место, если, например, заряжать батарею, утратившую свою емкость на 50 % из-за старения: при заряде в течение фиксированного промежутка времени он должен быть рассчитан так, чтобы батарея могла получить 100 %  необходимой энергии.  А если она способна из этих 100 % взять только 50 %, значит, остальная энергия выделится в виде тепла (произойдет перегрев батареи со всеми вытекающими последствиями).

Процесса заряда никель-металлгидридных аккумуляторных батарей аналогичен рекомендованному процессу заряда никель-кадмиевых аккумуляторов. Ток заряда для них должен быть не менее 0,5С, но не более 1С. Если ток заряда выбрать больше величины 1С, то в результате повышенного выделения газов произойдет принудительная вентиляция ее корпуса: под давлением откроется предохранительный клапан и, возможно, утечка электролита, что приведет к снижению емкости и срока службы батареи.

Если начать заряд полностью разряженной батареи током скоростного заряда (0,5... 1С), то в течение цикла заряда ее емкость полностью восстановить не удастся. Поэтому началу скоростного заряда должен предшествовать инициирующий струйный заряд током 0,2...0,ЗС. Как правило, его время составляет до 10 мин. После того как напряжение на ее элементах достигнет значения 0,8 В, можно начинать заряд током 0,5... 1С. Для прекращения заряда по отрицательному ΔV перепаду напряжения его величина должна составлять не менее 5... 10 мВ на элемент батареи. Для прекращения заряда по увеличению скорости нарастания температуры батареи ее значение должно составлять в среднем 1...2 °С/мин.

Для увеличения срока службы батарей их температура не должна превышать:

• 55 °С для аккумуляторов типоразмеров А, АА и D;

• 50 °С для аккумуляторов типоразмеров QA, ААА и призматических;

• 60 °С для аккумуляторов типоразмеров L-A, L-fatA, SC.

Преимущества и недостатки

Преимущества никель-металлгидридных аккумуляторных батарей:

  •  емкость на 30—40 % выше емкости никель-кадмиевых батарей, и имеется потенциал для увеличения их энергетической плотности;
  •  значительно меньшая, чем у никель-кадмиевых батарей, подверженность «эффекту памяти» (но нельзя сказать о его отсутствии вообще);
  •  простота хранения и транспортировки — не требуется регулярного контроля;
  •  экологически чистые — содержат только очень слабые токсины, возможна вторичная переработка.

Недостатки никель-металлгидридных аккумуляторных батарей:

  •  ограниченный срок службы, особенно при высоких токах нагрузки. Емкость снижается уже после 200—300 циклов заряд/разряд. При эксплуатации более предпочтителен частичный разряд, нежели полный;
  •  ограниченный ток разряда — хотя эти аккумуляторы и допускают высокие токи разряда, повторяющиеся разряды при таких токах существенно снижают срок службы батарей. Наилучшие результаты при эксплуатации батарей получаются в том случае, если ток разряда составляет 0,2...0,5С (С — емкость батареи);
  •  необходимость более сложного алгоритма заряда, поскольку в его процессе выделяется большое количество тепла; высокий саморазряд — почти на 50 % больший, чем у никель-кадмиевых батарей. Новые химические добавки снижают саморазряд, но при этом уменьшается и энергетическая плотность батарей;
  •  при хранении при повышенных температурах емкость батарей снижается. Никель-металлгидридные батареи следует хранить в прохладном месте заряженными примерно на 40 %;
  •  необходимость ухода — батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) для предупреждения кристаллизации; относительно высокие цены — цены на эти батареи в среднем на 20 % больше, чем на аналогичные никель-кадмиевые батареи.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы (Lithium Ion Battery, сокр. Li-ion) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.

Рис. 15. Внешний вид некоторых Li-Ion аккумуляторов.

Литий-ионные батареи считаются молодыми - в 1991 г. компания Sony первой в мире начала коммерческий выпуск литий-ионных аккумуляторных батарей. Энергетическая плотность литий-ионных батарей в два раза превышает энергетическую плотность стандартных никель-кадмиевых батарей. Совершенствование, достигаемое подбором активных материалов электродов, в перспективе позволит увеличить это соотношение до трех раз.

Кроме высокой емкости, литий-ионные батареи обладают хорошими нагрузочными характеристиками, похожими на нагрузочные характеристики никель-кадмиевых батарей. Они нетребовательны к обслуживанию настолько, что такая простота в обслуживании недостижима для батарей других типов, что делает их незаменимыми при использовании во многих приложениях.

Высокое напряжение на элементе батареи позволяет производителям выпускать аккумуляторные источники питания, состоящие всего лишь из одного элемента. Такие источники используются во многих моделях современных мобильных телефонов, а простота конструкции упрощает производство батарей. При производстве мощных батарей, состоящих из нескольких элементов, большое преимущество дает очень низкое внутреннее сопротивление литий-ионных элементов.

В последние годы появилось несколько типов литий-ионных батарей, различающихся по конструкции. В оригинальных батареях Sony в качестве материала отрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля). С 1997 г. в большинстве литий-ионных батарей различных производителей (в том числе и Sony) наметилась тенденция к использованию графита. Графитовые пластины позволяют обеспечить более плоскую характеристику напряжения разряда, чем при использовании пластин на основе кокса. В результате аккумуляторные батареи с графитовыми пластинами имеют напряжение конца разряда 3 В на элемент против напряжения конца разряда 2,5 В на элемент для батарей с пластинами из кокса. Кроме того, при использовании в батареях графитовых пластин достижим более высокий ток разряда, они меньше нагреваются и обладают меньшим саморазрядом. На рис.  15.  показано устройство литий-ионного аккумулятора в цилиндрическом корпусе.

В качестве положительных пластин литий-ионных батарей применяют сплавы лития с кобальтом или марганцем. И если пластины из литие-кобальтового сплава служат дольше, то литие-марганцевые пластины значительно безопасней и «прощают» ошибки при эксплуатации.

Небольшие призматические литий-ионные аккумуляторные батареи для мобильных телефонов с литие-марганцевыми пластинами имеют встроенные термопредохранитель и термодатчик. Кроме того, их производство удешевляет применение упрощенной схемы защиты, более шикая стоимость сырья, чем для производства батареи с литие-кобальтовыми пластинами.

Что касается экологической безопасности, литий-ионные батареи значительно безопаснее аккумуляторных батареи на основе свинца или кадмия. А среди литий-ионных батарей наиболее безопасны батареи, в которых используется марганец.

Несмотря на все преимущества, такие батареи обладают и недостатками. Они хрупкие и требуют применения специальных схем защиты для обеспечения безопасной работы.

Безопасной работе литий-ионных батарей должно уделяться серьезное внимание. В батареях коммерческого назначения имеются специальные устройства защиты, предупреждающие падение напряжения ниже допустимого значения при разряде и превышение напряжения заряда выше определенного порогового значения, которое, составляет 4,30 В/элемент. Дополнительный элемент защиты обеспечивает прекращение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Наиболее совершенные по конструкции батареи имеют еще один элемент защиты — механический выключатель, который срабатывает при повышении внутрикорпусного давления батареи.

Есть и исключения — литий-ионные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию, при перезаряде процессы металлизации анода и выделения кислорода на катоде происходят настолько вяло, что стало возможным отказаться от использования устройств защиты.

Литий-ионные батареи имеют отличные зарядные характеристики как при высоких, так и при низких температурах. Некоторые из них можно заряжать током 1С при температурах от 0 до 45 °С. Большинство же литий-ионных батарей при низких температурах — от 5 °С и ниже — «предпочитает» меньшие токи заряда. При этом следует избегать заряда при температуре замерзания, т. к. на аноде происходит осаждение металлического лития.

Кроме того, эта схема ограничивает зарядный и разрядный токи, обеспечивает мониторинг температуры батареи, чтобы избежать перегрева. В целом предохранительные меры предупреждают образование металлического лития при перезаряде, опасность вентиляции с выбросом пламени или взрыва.

Перечислим правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов в порядке убывания опасности:

  •  Заряд до напряжения, превышающего 4.20 вольт/банку.
  •  Короткое замыкание аккумулятора.
  •  Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С.
  •  Разряд ниже напряжения 3.00 вольта/элемент.
  •  Нагрев аккумулятора выше 60°С.
  •  Разгерметизация аккумулятора.
  •  Хранение в разряженном состоянии.

Лучшими по соотношению цена/емкость являются цилиндрические литий-ионные аккумуляторные батареи. Чаще всего они применяются в мобильных компьютерах. Если необходима батарея в корпусе тоньше 18 мм, лучший выбор — призматические литий-ионные элементы, хотя они вдвое дороже цилиндрических. При необходимости батарей в сверхтонком корпусе (тоньше 4 мм), лучше всего подойдут литий-полимерные системы.

Количество типов корпусов литий-ионных аккумуляторных батарей ограничено несколькими типоразмерами, из которых наиболее популярен 18650 (18 — диаметр в миллиметрах, 650 — длина, мм • 0,1). Элементы этого типоразмера имеют емкость от 1800 до 2400 мА•ч. Емкость более крупных элементов типоразмера 26650 диаметром 26 мм достигает уже 3200 мА.

Рис. 16.  Устройство литий-ионного аккумулятора

Рис. 17.  Конструкция литий-ионного аккумулятора в призматическом корпусе

В различных видах цифровой аппаратуры, в том числе и в компьютерной технике, в качестве источника питания энергонезависимой памяти используют таблеточные литий-ионные аккумуляторы. Устройство такого аккумулятора поясняет рис. 18.


Рис. 18. Устройство таблеточного литий-ионного аккумулятора

При заряде литий-ионных батарей протекают реакции:

  •  на положительных пластинах:
    LiCoO2 -> Li1-x CoO2 + xLi+ + хе-;
  •  на отрицательных пластинах:
    С + xLi
    + + хе' -> CLix.

При разряде протекают обратные реакции.

Срок службы

Большинству типов литий-ионных батарей свойственно старение. По неизвестным причинам производители батарей информацию об этом скрывают. Иногда в технических данных пишут о возможности некоторого снижения емкости батареи через один год независимо от того, использовалась она или не использовалась. Через 2—3 года батареи чаще всего выходят из строя. Это, скорее всего, связано с тем, что в веществах, входящих в состав батарей, со временем происходят необратимые химические процессы, приводящие батареи в негодное состояние.

При работе с литий-ионными батареями следует соблюдать меры предосторожности: нельзя замыкать их выводы накоротко, допускать перезаряд, разбирать, прикладывать напряжение обратной полярности, нагревать.

Следует использовать только литий-ионные батареи, имеющие схему защиты. Электролит таких батарей легко воспламеняем.

Хранение

Хранение батарей в прохладном месте замедляет процессы старения литий-ионных батарей так же, как и батарей других типов. Производители рекомендуют хранить батареи при температуре 15 °С. При этом батареи должны быть заряжены.

Для литий-ионных батарей не рекомендуется длительное хранение. Более того, в процессе хранения они должны быть подвержены ротации (т. е. их следует периодически переворачивать). Саморазряд литий-ионных батарей вдвое меньше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей.

Тренировка

У них отсутствует «эффект памяти», для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок службы.

Методика заряда

Зарядные устройства литий-ионных батарей по принципу работы подобны зарядным устройствам свинцово-кислотных батарей — это устройства с ограничением напряжения заряда. Отличия состоят в более высоком напряжении элемента литий-ионной батареи, меньших допустимых отклонениях напряжения заряда и отсутствии необходимости компенсационного заряда (струйной подзарядки) по достижении батареей состояния полного заряда.

В то время как при заряде свинцово-кислотных батарей допускается довольно гибкое определение напряжения отсечки (конца заряда), к величине напряжения отсечки при заряде литий-ионных батарей предъявляются жесткие требования: оно должно быть строго определенного значения.

В начальный период, когда только появились литий-ионные батареи, использующие графитовую систему, требовалось ограничение напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Хотя использование более высокого напряжения позволяет увеличить энергетическую плотность, окислительные процессы, происходившие в элементах такого типа при напряжениях, превышающих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток устранили за счет применения химических добавок, и в настоящее время литий-ионные элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет всего лишь около +/- 0,05 В на элемент.

Литий-ионные батареи промышленного и военного назначения должны иметь больший срок службы, чем батареи для коммерческого применения. Поэтому для них пороговое напряжение конца заряда составляет 3,90 В на элемент. Хотя энергетическая плотность (соотношение кВт•ч/кг) у таких батарей ниже, увеличенный срок службы при небольших размерах, весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность ставят литий-ионные батареи вне конкуренции.

При заряде литий-ионных батарей током 1С время заряда составляет 2—3 ч. В процессе заряда они не нагреваются. Батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно снижается и составляет примерно 3 % от начального тока заряда (рис. 19.).


Рис. 19.  График цикла заряда литий-ионного аккумулятора.

Если на рис. 19. представлен типовой график заряда одного из типов литий-ионных аккумуляторов, производимых компанией Panasonic, то на рис. 20.  процесс заряда представлен более наглядно. При увеличении тока заряда литий-ионной батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает быстрее, этап подзарядки после окончания первого этапа цикла заряда длится дольше.

В некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние «готово» сразу после завершения этапа 1. В этой точке она будет заряжена примерно на 70 %, и после этого возможна ее подзарядка.

Рис. Рис. 20. Обобщенный график цикла заряда литий-ионных аккумуляторов.

Способ струйной подзарядки для литий-ионных аккумуляторов неприменим из-за того, что они не способны поглощать энергию при перезаряде. Более того, струйная подзарядка может вызвать металлизацию лития, что делает работу аккумулятора нестабильной. Напротив, короткая подзарядка постоянным током способна компенсировать небольшой саморазряд батареи и компенсировать потери энергии, вызванные работой ее устройства защиты. В зависимости от типа зарядного устройства и степени саморазряда батареи такая подзарядка может проводиться через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует проводить при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и завершать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент.

А что может произойти при случайном перезаряде литий-ионной батареи? Батареи этого типа могут безопасно работать только при нормальном напряжении заряда. Если оно будет выше нормального, батарея может работать нестабильно и выйти из строя. Это происходит потому, что при превышении значения напряжения заряда 4,30 В/элемент начинает происходить металлизация анода литием, а на катоде происходит активное выделение кислорода, и температура батареи при этом растет.

Заряд полностью разряженных литий-ионных аккумуляторных батарей

Типовое значение напряжения конца разряда для литий-ионных аккумуляторов составляет 3 В на элемент, а упоминаемое выше 2,5 В — это напряжение отсечки, прерывающее процесс дальнейшего разряда. Однако на практике случается, что такие аккумуляторы могут быть совершенно разряжены, когда напряжение имеет значение ниже 2,5 В на элемент. Обычно это происходит при их длительном хранении без подзарядки. В этом случае производители литий-ионных батарей рекомендуют трехступенчатый способ их заряда для перевода в рабочее состояние.

Не все зарядные устройства могут обеспечить зарядку литий-ионных батарей, разряженных до напряжения менее 2,5 В на элемент. Сначала необходимо поднять напряжение на батарее до уровня, достаточного для начала работы зарядного устройства. После этого необходим заряд малым током для восстановления ее емкости. Особую осторожность следует проявлять при возвращении к жизни литий-ионных батарей, которые имели длительный перерыв в эксплуатации и хранились в состоянии глубокого или полного разряда.

В качестве примера приведем рекомендации по зарядке полностью разряженной литий-ионной батареи, применяемой для питания мобильных телефонов Siemens серии 45 (S45, МЕ45). В этих телефонах используется литий-ионная батарея емкостью 840 мА•ч. Роль датчика температуры в ней выполняет терморезистор сопротивлением 22 кОм при t = 25 °С. В целом управление питанием сотового телефона обеспечивает специализированная микросхема (ASIC). Производитель — компания Siemens — четко определил, что нижний предел напряжения, до которого можно разрядить аккумуляторную батарею, составляет 3,2 В, потому что только при напряжении не ниже 3,2 В гарантирована работа мобильного телефона. Напряжение же полностью заряженной батареи составляет 4,2 В.

В случае, если произошел глубокий разряд батареи, зарядить ее как обычно,  за 2—3 часа, не удастся. Восстановительный заряд необходимо выполнять в три этапа:

  •  Заряд батареи током 20 мА до напряжения 2,8 В.
  •  Заряд током 50 мА до напряжения 3,2 В.
  •  Нормальный заряд до напряжения 4,2 В.

При полном разряде аккумуляторной батареи процессом ее заряда управляет специализированная (заказная) микросхема ASIC типа D08296B. Причем в данном случае ее источником питания на первых двух этапах заряда является зарядное устройство, а на третьем — уже сама аккумуляторная батарея.

Преимущества и недостатки

Преимущества литий-ионных аккумуляторных батарей:

  •  высокая энергетическая плотность;
  •  низкий саморазряд;
  •  отсутствует «эффект памяти»;
  •  простота обслуживания.

Недостатки литий-ионных аккумуляторных батарей:

  •  необходимость схемы защиты по току и напряжению;
  •  относительно быстрое старение. Хранение батареи в прохладном месте снижает процесс старения примерно на 40 %;
  •  умеренный ток разряда;
  •  проблемы при перевозке больших партий батарей — необходимо согласование;
  •  более высокая цена (на 40 % выше по сравнению с никель-кадмиевыми батареями);
  •  конструкция не доведена до совершенства.

Литий-полимерные аккумуляторы

Литий-полимерные аккумуляторы (Lithium Polymer Battery, сокр. Li-pol) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.

Рис. 21. Внешний вид фольгированных Li-Pol аккумуляторов.

Рис. 22. Внешний вид Li-Pol аккумуляторных батарей из элементов с цилиндрическими корпусами.
Li-pol аккумуляторы имеют примерно такую же плотность энергии, что и Li-ion аккумуляторы.
Li-pol допускают изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место.
В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас на место литий-ионных (Li-ion) пытаются выдвинуться литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы.

NiMH аккумуляторы в какой-то степени сумели потеснить NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, они не сумели обеспечить их полноценной замены.

Литий-полимерные батареи отличаются от обычных литий-ионных аккумуляторных батарей видом используемого электролита. Разработанные в 1970-х годах, они используют только твердый сухой электролит из полимера, который похож на пленку из пластика, не проводящую электрический ток, но обеспечивающую ионообмен (т. е. пропускающую через себя ионы — электрически заряженные атомы или группы атомов). Полимерный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитываемый жидким электролитом. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка электролита невозможна.

Сухой полимер позволяет упростить производство, улучшить безопасность аккумуляторных батарей этого вида и добиться их тонкопрофильной геометрии. При этом исчезает опасность воспламенения батарей, поскольку в них не используется жидкий или гелеобразный электролит.

С появлением элементов литий-полимерных аккумуляторных батарей толщиной всего в 1 мм перед конструкторами аппаратуры открылись новые возможности в отношении конечной формы и размеров новых электронных устройств. Были сняты многие ограничения касательно микроминиатюризации радиоэлектронных устройств. Новые микроэлементы питания для коммерческого использования появились на рынке всего несколько лет назад.

По сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая к тому же понижается при температуре ниже нуля. Хотя нагрев элемента таких батарей до 60 °С и выше и увеличивает проводимость до необходимых значений, такой способ снижения их внутреннего сопротивления не пригоден для коммерческих приложений. Поэтому проблема разработок  Li-pol аккумуляторов состояла не только в поиске электролита с достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными материалами, но и в расширении температурного диапазона Li-pol аккумуляторов.

Исследования в области усовершенствования характеристик литий-полимерных батарей при работе в условиях температур, близких к комнатным, продолжаются.

В то же время литий-полимерные аккумуляторные батареи в настоящее время успешно применяются в источниках резервного питания в странах с жарким климатом. Чаще всего они заменяют свинцово-кислотные батареи (VRLA), которые критичны к работе в условиях высоких температур.

Иногда для снижения внутреннего сопротивления литий-полимерных батарей применяют в них добавку гелевого электролита. Большинство литий-полимерных батарей, используемых для питания мобильных телефонов, на самом деле являются гибридными, представляющими собой нечто среднее между литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, и в них используется гелевый электролит. Правильное название таких батарей — литий-ионные полимерные батареи, хотя в рекламных целях многие производители называют их литий-полимерными.

Какова же разница между литий-ионными и литий-полимерными батареями с гелевым электролитом? Хотя их характеристики и близки, в литий-полимерных батареях вместо сепараторов применяется твердый электролит. Добавленный в них гелевый электролит предназначен просто для улучшения ионообменных процессов и, таким образом, снижения внутреннего сопротивления.

В настоящее время все возможные преимущества литий-полимерных батарей пока еще не реализованы: не достигнута их более высокая емкость — она пока все еще меньше емкости литий-ионных батарей, их производство дороже производства тех же литий-ионных батарей. Тем не менее, из-за возможности значительного уменьшения толщины литий-полимерных батарей интерес к ним, прежде всего производителей мобильных телефонов, не исчез. Конструкция корпусов для таких батарей более проста, для их производства необходима фольга, которая используется в пищевой промышленности. Нормы на размеры элементов литий-полимерных батарей пока не разработаны.

Однако, учитывая, что уже реально показаны возможности создания литий-полимерных аккумуляторов в широком диапазоне емкостей, и тот факт, что при всех стандартных тестах на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание гвоздем)  Li-pol аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом. Перспективы серьезного расширения производства  Li-pol аккумуляторов и использования их в самых разнообразных областях техники не вызывают сомнений.

При заряде и разряде литий-полимерных батарей протекают реакции, аналогичные таковым в литий-ионных аккумуляторах.

Срок службы

Срок службы таких аккумуляторов составляет от 1000 до 2000 циклов заряд-разряд.

Хранение

При хранении аккумуляторы следует подвергать ротации, т. е. их следует периодически переворачивать.

Тренировка

У этих аккумуляторов отсутствует «эффект памяти», для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок службы.

Методика заряда

Процесс заряда литий-полимерных батарей подобен заряду литий-ионных батарей. В литий-полимерных батареях используется сухой электролит. Время их заряда составляет 3...5 ч. Литий-полимерные батареи с гелевым электролитом чаще всего классифицируют как литий-ионные, и их процессы заряда аналогичны.

Большинство зарядных устройств предназначены для зарядки как литий-ионных, так и литий-полимерных батарей. Так что потребителю нет необходимости задумываться, какую батарею он использует.

В настоящее время большинство литий-ионных батарей коммерческого назначения на самом деле представляет собой литий-полимерные батареи с гелевым электролитом, и недорогие литий-полимерные батареи с сухим электролитом через несколько лет будут ими вытеснены.

Преимущества и недостатки

Преимущества литий-ионных полимерных батарей:

  •  очень малая толщина, сравнимая с толщиной кредитной карты;
  •  гибкий форм-фактор — производителям не обязательно привязываться к каким-то стандартным размерам, батареи могут выпускаться любого разумного размера и формы;
  •  малый вес — гелевый электролит намного легче жидкого, его применение позволяет упростить конструкцию корпуса и отказаться от металлической оболочки корпуса элемента;
  •  лучшая безопасность при эксплуатации — батареи устойчивы к перезаряду, в них не может произойти утечка электролита.

Недостатки литий-ионных полимерных батарей:

  •  более низкая энергетическая плотность и меньший ресурс по сравнению с литий-ионными батареями, хотя возможности для их совершенствования далеко не исчерпаны;
  •  дороговизна производства, однако при массовом производстве цены на литий-полимеры снизятся.
  •  Поскольку литий-ионные полимерные батареи имеют плоскую структуру, в цилиндрических корпусах они не выпускаются.
    1.  Перспективы развития аккумуляторов

Со времени своего изобретения аккумуляторы претерпели немало изменений, но основные задачи их улучшения практически не поменялись. Основной задачей улучшения существующих аккумуляторов является по сути создание новых электрохимических систем и конструктивов для:

  •  повышения энергоемкости;
  •  замедление старения аккумуляторов;
  •  уменьшение опасности для человека и окружающей среды.

Энергоемкость существующих аккумуляторов считается незначительной и препятствует развитию многих высокотехнологичных продуктов, например, сотовых телефонов, где аккумулятор может составлять до 40% объема и до 60% массы устройства.

Старение аккумуляторов также достаточно сильно сказывается на сроке службы многих устройств, составляя зачастую небольшие сроки 0,5—1,5 года, что значительно меньше срока эксплуатации многих электронных устройств, ими оснащенных.

Безопасность человека и окружающей среды

Современные производители бытовых аккумуляторов прилагают большие усилия для обеспечения безопасности человека, но зачастую даже при правильной эксплуатации аккумуляторы загораются, протекают и причиняют иной вред. Однако это не значит, что аккумуляторы ненадежны - в основном проблемы возникают по причине брака на производстве и наличествуют сразу у больших партий аккумуляторов, тестирование и изъятие партий давно отлажены. Несмотря на это каждый год в небольших количествах происходят самопроизвольные возгорания ноутбуков и другой мобильной техники. Часто производители ноутбуков вынуждены отзывать батареи целыми партиями из-за случаев самопроизвольного возгорания, а значит контроль не абсолютно надежен.

Что касается вреда окружающей среде, тут основные усилия направлены на сокращение производства и использования аккумуляторов, содержащих свинец. Многие производители разрабатывают конструкции аккумуляторов, обеспечивающие большую безопасность. Большим шагом на этом пути был переход от негерметичных свинцово-кислотных аккумуляторов к герметичным, более дорогим в производстве, зато лишенным главного недостатка – опасности пролива электролита без повреждения корпуса.

  1.  Сравнение бытовых аккумуляторных батарей

Рассмотрим преимущества и недостатки основных современных бытовых аккумуляторных батарей. Они характеризуются не только плотностью энергии, но также сроком службы, требованиями по установке, степенью саморазряда и эксплуатационными расходами. Примем за эталон никель-кадмиевые батареи, относительно которых рассмотрим плюсы и минусы батарей других типов.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи (NiCd) используются достаточно давно, но имеют относительно низкую энергетическую плотность. Они обеспечивают длительный срок службы, высокие значения тока разряда и, что немаловажно, разумные цены. Основная область их применения — радиостанции, биологическое и медицинское оборудование, профессиональные видеокамеры и электроинструмент. Никель-кадмиевые батареи содержат токсичные вещества и представляют собой опасность для окружающей среды.

Никель-металлгидридные аккумуляторные батареи (NiMH) имеют более высокую по сравнению с никель-кадмиевыми батареями энергетическую плотность, но и меньший срок службы. Они не содержат токсичных веществ. Применяются в мобильных телефонах и ноутбуках.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (SLA, VRLA, SLI) наиболее выгодны при использовании в энергоемких приложениях, где вопрос их веса существенного значения не имеет. Они наилучшим образом подходят для использования в больничном оборудовании, креслах-каталках, в системах аварийного освещения и источниках бесперебойного питания, в автомобильной технике.

Литий-ионные аккумуляторные батареи (Li-Ion) наилучшим образом подходят для тех приложений, в которых необходима высокая емкость батарей и одновременно предъявляются жесткие требования к их весу. Они обладают очень высокой энергетической плотностью и малым весом — наиболее важными достоинствами любых аккумуляторных батарей. Однако при этом требуют строгого соблюдения правил эксплуатации и техники безопасности. Применяются в ноутбуках и мобильных телефонах.

Литий-полимерные аккумуляторные батареи представляют более дешевую версию литий-ионных батарей: принцип их действия основан на тех же процессах. Они могут иметь тонкий корпус и чаще всего применяются в мобильных телефонах.

В табл. 1. приведены сравнительные характеристики основных типов бытовых аккумуляторных батарей, также следует отметить:

  •  внутреннее сопротивление батареи зависит от внутреннего сопротивления каждого ее элемента, типа схемы защиты и количества элементов в батарее. Схема защиты литий-ионных и литий-полимерных батарей увеличивает их внутренее сопротивление в среднем на 100 мОм (0,1 Ом);
    •  срок службы аккумуляторной батареи зависит от регулярности ее обслуживания. Полный периодический разрядможет привести к его уменьшению почти в три раза за короткий срок;
    •  срок службы зависит также и от степени разряда — причастичных разрядах он больше, чем при полных;
    •  наибольший ток разряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей допустим сразу же после заряда, затем его значение уменьшается. Никель-кадмиевые батареи теряют 10 % своей емкости в течение первых 24 ч после заряда, затем снижение емкости составляет около 10 % каждые 30 дней. Саморазряд увеличивается с ростом температуры;
    •  схема или цепь защиты, устанавливаемая внутри литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей, потребляет около 3 % их энергии в месяц;
    •  типовое значение напряжения на элементе никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей составляет 1,25 В в режиме холостого хода, а под нагрузкой — 1,2 В. Это справедливо для любых элементов таких батарей;
    •  допускается заряд кислотных аккумуляторных батарей импульсами сильного тока.

Интересно, что никель-кадмиевые аккумуляторные батареи имеют наименьшее время заряда, допускают наибольший ток нагрузки и обладают наименьшим соотношением цена/срок службы, но в то же время они наиболее критичны к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации.




Тип батареи
/ характеристика

NiCd

NiMH

VRLA

Li-ion

Li-pol

Энергетическая плотность, Вт/кг

45...80

60...120

30...50

110...160

100...130

Внутреннее сопротивление, мОм

100...200 (батарея на 6 В)

200...300 (батарея на 6 В)

менее 100 (батарея на 12 В)

150...250 (батарея на 7,2 В)

200...300 (батарея на 7,2 В)

Число циклов заряд/разряд до снижения емкости на 80 %

1500

300...500

200... 300

500...1000

300...500

Время быстрого заряда, ч

1

2...4

8...16

2...4

2...4

Допустимый перезаряд

средний

низкий

высокий

очень низкий

низкий

Саморазряд за месяц при комнатной температуре, %

20

30

5

10

10

Напряжение на элементе, В

1,25

1,25

2

3,6

3,6

Ток нагрузки относительно емкости (С):

- пиковый

20С

>2С

>2С

- наиболее приемлемый

до 0,5C

0,2C

до 1С

до 1С

Диапазон рабочих температур, °С

-40...60

-20...60

-20...60

-20...60

0...60

Обслуживание через

30...60дн.

60...90дн.

3...6 мес.

не регл.

не регл.

Начало производства

1950

1990

1970

1991

1999

Табл. 1. Сравнительные характеристики основных типов бытовых аккумуляторных батарей.


  1.  Обзор и анализ некоторых существующих зарядных устройств для бытовых аккумуляторов

Большинство бытовой техники умеет заряжать используемые аккумуляторы самостоятельно, поэтому можно с уверенностью сказать, что необходимость покупки зарядного устройства возникает лишь в некоторых конкретных случаях. Наиболее часто используемые в быту зарядные устройства предназначены для заряда аккумуляторов формата ААА (пальчиковые батарейки). Выгоду от замены батареек аккумуляторами трудно недооценить — необходимость покупки зарядного устройства окупается экономией на батарейках.

Очень быстрое развитие электроники, совершенствование ее элементной базы привели к появлению специализированных микросхем зарядных устройств, способные автоматически обеспечить заряд аккумуляторной батареи по заданному алгоритму и предназначенные для заряда аккумуляторов любого типа. Зарядные устройства быстро совершенствуются, стремительно дешевеют, появляются новые функции, например, некоторые типы микросхем помимо заряда обеспечивают измерение емкости аккумулятора или аккумуляторной батареи и степени ее разряда.

  1.  Основные эксплуатационные характеристики зарядных устройств

К основным эксплуатационным характеристикам зарядных устройств можно отнести:

1) Поддерживаемые электрохимические системы.

2) Максимальное количество элементов в батарее и поддерживаемые конфигурации элементов.

3) Поддерживаемые конструкции аккумуляторов, разъемы, наличие универсальных клемм.

4) Метод заряда и контроля заряда.

5) Максимальный ток заряда.

6) Время заряда.

7) Наличие дополнительных  функций:

  •  разрядки;
  •  тренировки;
  •  балансировки.

8) Напряжение питания зарядного устройства.

9) Рабочие условия.

10) Стоимость.

Рассмотрим их подробнее:

Поддерживаемые электрохимические системы

Большинство современные зарядных устройств заряжают аккумуляторы одной-двух сходных электрохимических систем, но встречаются и универсальные устройства.

Максимальное количество элементов в батарее и поддерживаемые конфигурации элементов

Количество и конфигурация элементов определяется максимальным напряжением и током заряда, обычно поддерживаются от одного до 15 последовательно соединенных элементов в батарее.

Поддерживаемые конструкции аккумуляторов, разъемы, наличие универсальных клемм

В основном, зарядные устройства или имеют разъем для заряжаемого аккумулятора или имеют клеммы для подключения аккумулятора через переходной провод. Изредка встречаются зарядные устройства с универсальным настраиваемым зажимом, похожим на тиски.

Метод заряда и контроля заряда

Методы заряда и контроля описаны при рассмотрении электрохимических систем.

Максимальный ток заряда

Обычно максимальный ток заряда составляет от 250 мА до 6А.

Время заряда

Время заряда зависит от методики и типа аккумулятора, производители стараются  уменьшить его, увеличивая ток заряда.

Наличие дополнительных функций

В зарядных устройствах часто встречаются разные дополнительные функции, например разрядки, тренировки, определения степени заряда аккумуляторных батарей. Самые дорогие модели умеют измерять емкость аккумуляторов и проводить балансировку.

Напряжение питания зарядного устройства

Бытовые зарядные устройства имеют либо встроенный блок питания, либо внешний, обычно на 12 вольт. Конструкция с внешним блоком питания позволяет использовать зарядное устройство в автомобиле, что не рекомендуется, но возможно.

Рабочие условия

Особых требований и ограничений не предъявляется. Рабочие условия для бытовых зарядных устройств соответствуют требованиям для бытовой техники.

Следует помнить, что процесс заряда аккумуляторов потенциально опасен взрывами и возгораниями, протечкой электролита и заряжать аккумуляторы в специальных местах и под наблюдением.

Стоимость

Стоимость зарядных устройств колеблется от 200 до 5000 рублей, в зависимости от поддерживаемых типов и доп. функций.

  1.  Обзор существующих зарядных устройств для бытовых аккумуляторов

Большинство зарядных устройств для бытовых аккумуляторов по конструктивным особенностям можно разделить на пять категорий, описанных далее.

Зарядные устройства без крепления аккумуляторной батареи


Рис. 23. Внешний вид зарядного устройства без крепления аккумуляторной батареи и батарей, с которыми он используется.

Зарядные устройства данного типа заряжает аккумуляторные батареи, состоящие из 2—10 элементов, используемых в радиоуправляемых игрушках, моделях, прочей технике.

Работают от сети и/или от автомобильного аккумулятора.

Рабочий диапазон: 0—40 °С.

Можно заряжать:

  •  NiCd/NiMH аккумуляторы с клеммами или клеммными разъемами, проводными выводами.
  •  Свинцово-кислотные батареи до 12В (Оба типа аккумуляторов никогда не поддерживаются одновременно в одном устройстве).

Метод заряда:

  •  нормальный, постоянным напряжением, напряжение задается переключателем. Ток 0,5—1А.
  •  нормальный, постоянным током, ток и напряжение задаются переключателями. Ток 0,5—1А.
  •  быстрый, заряд с переходом в струйную подзарядку.

Контроль заряда: отсутствует или по ∆V.

Время заряда: от 3 до 6 часов.

Возможные дополнительные функции:

  •  Светодиодная индикация заряда;
  •  Предохранительный таймер;
  •  Разряд аккумуляторов перед зарядом.

Цена: 300-600 рублей.

Зарядные устройства для NiCd/NiMH аккумуляторов типоразмера ААА, АА и LF6

Внешний вид таких устройств показан на рис. 24. и рис. 25.

Рис. 24. Зарядное устройство Robiton AA-1.

Рис. 25. Зарядное устройство An-Mann Photo-Cam.

Работает от сети и/или от автомобильного аккумулятора

Рабочий диапазон: 0—40 °С.

Можно заряжать:

  •  NiCd/NiMH аккумуляторы размера ААА и АА;
  •  призматические NiCd/NiMH аккумуляторы типоразмера LF6.

Метод заряда:

  •  нормальный, током 250мА;
  •  быстрый, заряд с переходом в струйную подзарядку.

Контроль заряда:

  •  при нормальном заряде: отсутствует;
  •  при быстром заряде: ∆V для NiCd/NiMH.

Время заряда:

  •  около 6 часов для нормального заряда
  •  до 3 часов для быстрого заряда

Возможные дополнительные функции:

  •  Светодиодная и звуковая индикация заряда;
  •  Автоматическое определение полноты заряда;
  •  Определение неисправных аккумуляторов (в т. ч. определение щелочных батарей);
  •  Защита от перезаряда;
  •  Предохранительный таймер;
  •  Разряд аккумуляторов перед зарядом.

Цена: 200-400 рублей.

Зарядные устройства для Li-ion батарей от видеокамер и др. аппаратуры

Такие зарядные устройства предназначены для заряда Li-Ion и Li-Pol аккумуляторных батарей для фото- и видеокамер, плееров и мобильных телефонов. Разъем под аккумулятор обычно фиксирован, но встречаются и устройства с набором переходников или с универсальными настраиваемыми клеммами.

Рис. 26. Зарядное устройство Robiton LI-1.

Работает от сети и от автомобильного аккумулятора.

Можно заряжать: Li-Ion аккумуляторы совместимых типоразмеров напряжением 3,6 —7,4B.

Метод заряда: быстрый заряд, ток 600мА.

Контроль заряда: Vmax для определения полярности и напряжения для батарей.

Время заряда: 2—3 часа.

Дополнительные функции:

  •  Выявление неисправных батарей;
  •  Защита от перезаряда и таймер безопасности;
  •  Светодиодная индикация процесса заряда.

Цена: от 500-1000 рублей.

Универсальные микроконтроллерные зарядные устройства

Самыми дорогими бытовыми зарядными устройствами являются универсальные микроконтроллерные устройства, они заряжают аккумуляторы Ni-Cd, Ni-Mh, Li-ion, LiPol и VRLA (в более дешевых устройствах поддерживаемых типов меньше). В самых дорогих таких зарядных устройствах встречается функция балансировки (для этого у аккумулятора должен быть специальный балансировочный разъем). Работают такие устройства от сети или автомобильного аккумулятора.

Характерной чертой таких зарядных устройств является сложная система меню и органов управления, обязательное наличие экрана.



Рис. 27. Зарядное устройство AP68LC.

В комплекте с такими зарядными устройствами идет блок питания на 12 вольт для работы от сети 220В, большое количество переходников и разъемов для разных типов аккумуляторов, иногда температурный датчик.

Можно заряжать:

  •  NiCd/NiMh 1—15 элементов;
  •  Li-on/Li-Po 1—6 элементов (последовательное соединение);
  •  свинцовы батареи 2 — 20 В.

Метод заряда:

  •  VRLA:комбинированный
  •  Nimh/Ni-Cd: быстрый/ускоренный
  •  Li-Ion/Li-pol: комбинированный

Ток зарядки 0,1 - 5 Ампер (шаг 0,1 Ампер).

Контроль заряда:

Отключение по дельта-пику, по таймеру, по емкости и температурному датчику на выбор.

Дополнительные функции:

  •  Балансировка литиевых элементов 300 мА;
  •  Считают зарядную емкость;
  •  Определяют качество/износ аккумулятора;
  •  Имеют спец. режимы тренировки и восстановления;
  •  Быстрый разряд.

Цена: 3000-6000 рублей.

Устройства, называемые зарядными, но ими не являющиеся

Часто зарядными устройствами ошибочно называют блоки питания, например такой, как на рис. 28.

Рис. 28. Блок питания Vegavolt VT-1.

  1.  Анализ существующих схемотехнических решений зарядных устройств для бытовых аккумуляторов

Схемы зарядных устройств для NiCd, NiMH аккумуляторов

Наиболее простые схемы

Наиболее простая схема зарядного устройства содержит трансформатор, диод и токоограничительный резистор. Такого рода схемы имеют хороший плюс – простоту и низкую стоимость, в остальном же могут быть рекомендованы к применению только в крайних ситуациях, результат работы такой схемы непредсказуем. В настоящее время не применяются.

Рис. 29. Схема заряда переменным током.

Схемы медленного заряда

Простые современные зарядные устройства имеют несложные схемы, позволяющие заряжать аккумуляторные батареи постоянным током или напряжением.

В простых схемах медленного заряда постоянным напряжениям используется схемотехника блоков питания, где заряжаемая батарея подключена в качестве нагрузки через токоограничительный резистор. Такие схемы просты, дешевы, дают предсказуемое время заряда, но имеют много недостатков. Главный недостаток – такие схемы рассчитаны на заряд аккумуляторных батарей только одной-двух электрохимических систем, обычно одного напряжения и узкого диапазона емкостей (токоограничительный резистор крайне редко может быть выбран переключателем, что позволяет заряжать еще 1—2 типа аккумуляторов большей емкости). Чаще всего такую схему можно обнаружить в недорогих зарядных устройствах для аккумуляторов формата AA и AAA, которые повторяют корпус щелочных батарей. Быстрый заряд при постоянном напряжении не реализуется.

Рис. 30. Схема устройства заряда постоянным напряжением.

Для медленного заряда постоянным током применяются схемы на транзисторах или стабилизаторах тока.

Такого рода схемы также рассчитаны на заряд одного типа аккумуляторов и наиболее часто применяются в зарядных устройствах для батарей формата AAA, дешевой бытовой техники, электроинструмента. Заряд должен прекращаться через определенное время или при нагреве аккумулятора выше 60—70 градусов, что очень неудобно, так как требует постоянного отслеживания со стороны человека.

Рис. 31. Схема зарядного устройства на основе стабилизатора тока.

Схемы с контролем заряда

Более сложные схемы заряда постоянным напряжением или током позволяют отключать аккумуляторную батарею при достижении ею определенного напряжения, или имеют таймеры, отключающие заряд по тайм-ауту.

Рис. 32. Схема зарядного устройства с автоматическим отключением.

Такой простой контроль над зарядом весьма ненадежен и не позволяет использовать методики быстрого заряда.

Схемы быстрого заряда

Для применения методики быстрого заряда было необходимо существенно усложнить схему, что привело к появлению интегральных микросхем, выполняющих большинство функций зарядного устройства. В первую очередь, большое количество логики, упакованное в небольшую микросхему, позволило компактно организовать отслеживание dV и dT критериев, что позволяет точно отслеживать момент прекращения заряда, использовать автоматически запускаемые предохранительные таймеры для заряда. Функция быстрого заряда позволяет заряжать аккумуляторы быстрее в 2-10 раз, что существенно увеличивает полезность и удобство зарядных устройств.

Применение микросхем упрощает, уменьшает и удешевляет устройство. В настоящее время подавляющее большинство зарядных устройств имеют микросхемы в своем составе.

Широко популярна, например, микросхема MAX713 компании Maxim, которая позволяет:

  •  заряжать никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы в количестве от 1 до 16 штук одновременно;
  •  в режиме быстрого заряда регулировать ток заряда от С/3 до 4С;
  •  в режиме тлеющего заряда заряжать аккумуляторы током С/16;
  •  отслеживать степень заряда аккумулятора и автоматически переходить от быстрого заряда к тлеющему;
  •  отключать заряд по температурному датчику или по таймеру;
  •  отключать заряд по dV признаку окончания заряда.

Рис. 33. Зарядное устройство для Ni-Cd, Ni-Mh аккумуляторов на микросхеме MAX713.

Среди недостатков таких устройств: необходимость более качественных и сильноточных компонентов, возможность заряда батарей одной-двух электрохимических систем.

В небольших количествах применяются микросхемы, рассчитанные на заряд сразу трех разных электрохимических систем: Li-ion, Ni-Cd, Ni-Mh, но они имеют свои ограничения по количеству элементов, обычно это 1 Li-ion, и строго 3 Ni-Cd/Ni-Mh элемента в батарее, как, например, в микросхеме MAX1501.


Рис. 34. Зарядное устройство для
Li-ion, Ni-Cd, Ni-Mh аккумуляторов на микросхеме MAX1501.

Схемы заряда Li-ion аккумуляторов

Так как Li-ion аккумуляторы достаточно опасны, простые схемы без контроля уровня заряда не применяются. Определить степень заряда таких аккумуляторов по температуре или по времени невозможно, и такие аккумуляторы быстро портятся от перезаряда, к тому же этот тип аккумуляторов появился относительно недавно, поэтому микросхемы, реализующие алгоритм заряда таких аккумуляторов распространены и повсеместно используются. Два главных свойства таких микросхем — это контроль над напряжением на батарее, и регулировка тока заряда. Во многих микросхемах встречается гистерезисная функция заряда, обеспечивающая предотвращение износа аккумулятора вследствие заряда малыми токами, заряд полностью заряженной батареи начинается только при ее саморазряде до 90—95%.  Часто в бытовых устройствах со встроенным Li-ion элементом применяется микросхема MAX1555, позволяющая заряжать один Li-ion элемент током до 400 мА, имеющая индикацию заряда, автоматическое отключение, регулировку тока заряда.


Рис. 35. Зарядное устройство для
Li-ion элемента на микросхеме MAX1555.

В этой схеме заряд прекращается по достижении аккумулятором определенного напряжения.

Семы заряда VRLA аккумуляторов

Так как история свинцово-кислотных аккумуляторов гораздо дольше истории литий-ионных, развитие зарядных устройств насчитывает несколько классов устройств, и, в целом, повторяет развитие зарядных устройств для Ni-Cd/Hi-Mh батарей.

Рис. 36. Зарядное устройство для VRLA-батарей напряжением 12 В.

В простых схемах заряд ведется малыми токами до нужного напряжения на батарее. В схеме зарядного устройства  на рис. 36.       зарядный ток через батарею в зависимости от напряжения на ней, регулируется транзисторами, плавно снижаясь по мере приближения напряжения на батарее к 13,8 В.

Рис. 37. Зарядное устройство на микросхеме L200C компании ST.

Появившиеся позднее зарядные устройства на микросхемах реализуют метод заряда по постоянному напряжению и току, что позволяет ускорить заряд. На схеме рис. ток и напряжение регулируются микросхемой L200C в зависимости от напряжения на батарее, зарядный ток ограничивается резисторами R2—R6.

Следует отметить, что контроль температуры и отключение по таймеру крайне редко реализуется в зарядных устройствах для данного типа аккумуляторов.

Сложные многофункциональные микроконтроллерные зарядные устройства.

Самыми сложными и многофункциональными зарядными устройствами являются зарядные устройства, управляемые микроконтроллерами. Устройства такого типа реализуют наибольшее количество функций и методов заряда.

Рис. 38. Схема простого микроконтроллерного зарядного устройства с функцией разрядки.

На схеме  рис. микроконтроллер отслеживает нахождение аккумулятора в зарядном устройстве, напряжение, режим работы, время заряда, а также осуществляет управление подачей напряжения на аккумулятор.

Более сложные микроконтроллерные зарядные устройства имеют органы управления и символьные дисплеи для отображения информации. В составе таких устройств часто применяют импульсные преобразователи напряжения, которые имеют высокий КПД и позволяют точно регулировать напряжение и ток на аккумуляторе.

Рис. 39. Схема универсального микроконтроллерного зарядного устройства с импульсным преобразователем напряжения на микросхеме TL494CN.

Поддерживаемые такими устройствами химические системы — это обычно или Ni-Cd/Ni-Mh или Li-ion или первые две вместе с VRLA-батареями.

У таких устройств множество достоинств: задание нужного максимального зарядного тока, большое количество алгоритмов, удобство использования, высокая точность, КПД и плавная регулировка параметров. Все эти достоинства обеспечивают надежность и долговечность аккумуляторных батарей. Нередко в таких устройствах реализуются функции разряда, тренировки, балансировки, температурного контроля и измерения емкости.

Такие зарядные устройства применяются также для тренировки, диагностики и восстановления аккумуляторов в бытовых условиях, их часто можно настроить под конкретную аккумуляторную батарею для отслеживания динамики ее характеристик.

Минусы подобных устройств: большой размер, сложность, высокая стоимость, сложность использования, в большинстве случаев необходим внешний блок питания.


  1.  Разработка принципиальной электрической схемы зарядного устройства
    1.  Общие принципы построения зарядных устройств

Если рассматривать зарядные устройства, не учитывая типа аккумуляторов или аккумуляторных батарей, для заряда которых они предназначены, для них можно сформировать общие требования:

  •  источник питания зарядного устройства должен обеспечивать достаточные выходные напряжение и ток;
  •  зарядное устройство должно обеспечивать ручную установку или автоматическую регулировку напряжения и тока заряда; для некоторых типов аккумуляторов их значения должны быть стабилизированы в пределах допусков;
  •  автоматические зарядные устройства должны иметь основную и дублирующие схемы отключения батареи по окончании заряда;
  •  должны быть предусмотрены устройства защиты от короткого замыкания, перегрева аккумуляторной батареи.

Построение схемы зарядного устройства требует реализации двух принципов заряда: заряд с ограничением тока и заряд с ограничением напряжения. Принцип заряда с ограничением тока применяется при заряде никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов, а принцип с ограничением напряжения заряда — при заряде свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов.

  1.  Процесс разработки электрической схемы зарядного устройства

Разрабатываемая схема будет состоять из трех частей:

  •  силовая часть;
  •  цифровая часть;
  •  аналоговая часть.

Рассмотрим каждую часть подробнее.

Силовая часть

Силовая часть состоит из:

  •  разъема и тумблера питания;
  •  импульсного повышающее-понижающего преобразователя напряжения;
  •  микросхемы TL494 со вспомогательными элементами для управления преобразователем напряжения;
  •  источника опорного напряжения +5В для питания цифровой части на микросхеме 7805;
  •  модуля разрядки аккумулятора;
  •  вспомогательных элементов.

При проектировании силовой части необходимо было выбрать тип преобразователя напряжения для преобразования входного напряжения 10,5—16 Вольт (согласно заданию) в 2—16 Вольт зарядного.

Различают следующие типы преобразователей напряжения:

  1.  Трансформаторные (без промежуточного накопления энергии)
    1.  Прямоходовые
    2.  Двухтактные (инверторы)
      1.  Регулируемые
      2.  Нерегулируемые
  2.  Бестрансформаторные (с промежуточным накоплением энергии)
    1.  На конденсаторах
      1.  Инвертирующие
      2.  Умножающие
    2.  На катушках индуктивности
      1.  Понижающие
      2.  Повышающие
      3.  Составные
        1.  Инвертирующие (обратноходовые)
        2.  Схемы Кука
        3.  SEPIC

Для наших целей можно применить более простые и дешевые бестрансформаторные преобразователи. Широкое применение получили следующие типы таких преобраователей:

Понижающий преобразователь (Buck converter). Выходное напряжение меньше входного. Когда ключ замкнут, энергия первичного источника передается на выход и одновременно накапливается в дросселе и конденсаторе. При размыкании ключа, дроссель и конденсатор питают нагрузку.

Повышающий преобразователь (Boost converter). Выходное напряжение больше входного. При замкнутом ключе энергия накапливается дросселем, при размыкании дроссель питает нагрузку.

Понижающий и повышающий инвертирующий преобразователь (Buck-boost converter). Редко используется, так как очень тяжело реализовать точное  управление, выход инвертирован (напряжение отрицательное).

Конвертер на несимметричной первичной обмотке (Single-Ended Primary Inductance Converter, SEPIC). Позволяет получать напряжения и больше и меньше входного, неинвертирующий, хорошо управляется.

Для нашего устройства был выбран SEPIC-преобразователь, как наиболее полно отвечающий требованиям.

Расчет SEPIC-преобразователя

Повышающий преобразователь (Рис. 40.) - основная часть SEPIC-преобразователя. Работа повышающего преобразователя происходит так: сначала ключ Sw закрыт в течение времени TON, увеличивая магнитную энергию в индуктивности L1. Потом, ключ открывается на время TOFF, единственный возможный путь для накопленной магнитной энергии пролегает через D1 и COUT. COUT сглаживает импульсы, сгенерированные индуктивностью L1. Когда напряжение VOUT  мало, можно увеличить КПД, используя диод Шоттки с низким падением напряжения в прямом направлении (около 400mV) . Такой преобразователь работает при одном условии: напряжение VOUT должно быть выше, чем напряжение VIN, в противном случае диод D1 открыт и ничто не препятствует протеканию тока от VIN к VOUT.


Рис. 40. Схема повышающего преобразователя.

SEPIC-схема на Рис. снимает это ограничение с помощью конденсатора Cp между индуктивностью L1 и диодом D1. Этот конденсатор препятствует прохождению постоянной компоненты тока между входом и выходом. Анод диода D1, однако, должен быть присоединен к какому-нибудь потенциалу. Это условие выполнено соединением D1 к земле через индуктивность L2, которая может быть намотана как отдельно, так и на том же сердечнике с индуктивностью L1, в зависимости от конкретного конструктивного исполнения. Основные паразитные сопротивления RL1, RL2, RSW, и RCP вызваны соответственно L1, L2, SW, и CP.


Рис.  41. Схема  
SEPIC-преобразователя с паразитными сопротивлениями.

Исходные данные для расчета:

Freq= 250000 – частота переключений ключа, Гц;
Vin
_min= 11 – минимальное входное напряжение, В;
Vin
_typ= 12 – типичное входное напряжение, В;
Vin
_max= 13 – максимальное входное напряжение, В;
Vout
= 16 – максимальное выходное напряжение, В;
dVout
= 0,1 – необходимая точность управления выходным напряжением, В;
Iout
= 2 – максимальный выходной ток, А;
RL
1= 0,1 – паразитное сопротивление L1, Ом;
RL
2= 0,1 – паразитное сопротивление L2, Ом;
Rsw
= 0,044 – паразитное сопротивление на ключе Sw, Ом;
Rcp
= 0,1 – паразитное сопротивление конденсатора Cp, Ом;
Vd
= 0,4 – падение напряжения на диоде, В;
Gcp
= 0,05 – колебания напряжения на конденсаторе Cp (должно быть мало, примерно 1%-5%).

Т.к. вычисления параметров преобразователя требуют большого количества операций и нескольких итераций, была написана расчетная программа. Формулы для расчета и более подробная информация содержатся в документе AN1051 компании MAXIM.

Полученные данные расчета преобразователя:
λ (часть периода, когда ключ замкнут):
λ
_min =65,57%;
λ
_typ =62,14%;
λ
_max =54,63%;
Cp >=9,9911 мкФ;
Pcp
=0,76 Ватт – рассеиваемая мощность на Cp;
Psw
=0,58 Ватт – рассеиваемая мощность на ключе без учета переключений;
Prl
1 =1,45 Ватт – рассеиваемая мощность на L1 из-за RL1;
Prl
2 =0,4 Ватт – рассеиваемая мощность на L2 из-за RL2;
Pd
1 =0,8 Ватт – рассеиваемая мощность на диоде;
L
1 >29,03 мкГн;
L
2 >34,97 мкГн;
IL
1нас >> 4,28 A –  ток насыщения индуктивности L1;
IL
2нас >> 2,5 A ток насыщения индуктивности L2;
Cout
 > 100 мкФ;
Cin
> 10 мкФ;
КПД = 99%;

Vds
=21 В – максимальное напряжение на ключе с запасом 15%;
Vr
=21 В – максимальное напряжение на диоде с запасом 15%.

Микросхема контроллера преобразователя

Современная промышленность выпускает огромный спектр контроллеров-стабилизаторов для управления преобразователями. Принцип действия всех этих контроллеров практически одинаковый: они должны обеспечивать регулирование скважности сигнала на ключе в зависимости от разницы выходного и опорного напряжений. Некоторые микросхемы  имеют дополнения в виде функций плавного старта, принудительного отключения, могут содержать в себе схемы оптимизации управления ключом или двумя ключами по очереди.

Для нашей разработки была выбрана популярная микросхема TL494CN компании Texas Instruments ввиду ее большой распространенности, частого применения, простоты, надежности и низкой цены. Эта микросхема содержит в себе все необходимые функции:

  •  Возможность регулировать заполнение в зависимости от сравнения двух сигналов, причем имеется два канала сравнения (например, можно сделать стабилизацию и по току и по напряжению);
  •  Возможность включать и отключать генерацию;
  •  Возможность установить частоту от 1 до 300 000 Гц;
  •  Возможность напрямую управлять ключом.

Рис. 42. Наименования выводов микросхемы TL494CN.

Модуль разряда аккумулятора выполняет свою функцию путем импульсного замыкания подключенного аккумулятора на мощный резистор с помощью ключа на полевом транзисторе IRL3303. Ключ разряда регулируется микросхемой TL494 аналогично ключу SEPIC-преобразователя.

Для формирования питающего напряжения +5 В используется широко распространенная микросхема-стабилизатор напряжения 7805 со стандартным набором элементов, необходимых для ее работы.

Аналоговая часть

Аналоговая часть в схеме выполняет следующие функции:

  •  определение тока, протекающего через батарею;
  •  определение напряжения на батарее;
  •  подачу звуковых сигналов;
  •  формирование управляющего сигнала для микросхемы TL494.

Рис. 43. Функциональная схема микросхемы LM324.

В составе аналоговой части для формирования управляющего сигнала использован фильтр нижних частот на операционном усилителе LM324 для фильтрации управляющего ШИМ-сигнала. Фильтр рассчитан в программе Microchip FilterView, полоса пропускания 200 Гц.

Для определения напряжения на нагрузке используется RC-фильтр нижних частот, резисторный делитель и АЦП микроконтроллера.

Для определения протекающего через нагрузку тока используется резисторный делитель напряжения и усилитель на микросхеме LM324.

Для подачи звуковых сигналов используется широко распространенный звуковой пьезоизлучатель, воспроизводящий монотонный сигнал при подаче напряжения производства компании Murata.

Рис. 44. Звуковой пьезоизлучатель с встроенным генератором.

Цифровая часть

Задача микропроцессорной части состоят в работе с оператором и выполнении алгоритма заряда с учетом максимально допустимых значений параметров, а именно:

  •  регулировке выходного напряжения силовой части путем управления микросхемой TL494;
  •  переключении режимов работы;
  •  контроле тока, протекающего через аккумуляторную батарею, с помощью датчика тока;
  •  контроле напряжения на аккумуляторной батарее;
  •  контроле таймера заряда;
  •  контроле
  •  вводе информации через кнопки на передней панели устройства;
  •  отображении информации на дисплее;
  •  хранении и считывании параметров заряда из внутренней памяти микроконтроллера;
  •  расчету параметров заряда в соответствии с введенными данными.

Микропроцессорная часть устройства состоит из микроконтроллера, монохромного экрана, кнопок управления, внешнего датчика температуры и вспомогательных компонентов.

Требования для выбора микроконтроллера:

  •  наличие таймера;
  •  наличие АЦП разрядностью от 8 бит;
  •  наличие встроенной flash-памяти для программ от 2 Кбайт;
  •  наличие встроенного ОЗУ от 256 байт;
  •  наличие встроенного ПЗУ от 32 байт:
  •  доступные средства разработки;
  •  невысокая цена;
  •  большая доступность.

Был выбран микроконтроллер ATmega32 компании Atmel, который помимо невысокой цены и большой доступности имеет следующие отличительные особенности:

  •  Использование RISC-архитектуры;
  •  Приближающаяся к 16 флопс (при тактовой частоте 16 МГц) производительность
  •  Встроенный двухцикловый перемножитель
  •  Энергонезависимая  память программ и данных
  •  8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash-памяти (In-System Self-Programmable Flash)
  •  512 байт ПЗУ
  •  1 Кбайт встроенной ОЗУ
  •  Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя
  •  Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения
  •  Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения
  •  Счетчик реального времени с отдельным генератором
  •  Три канала ШИМ
  •  8-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусах TQFP и MLF)
  •  6 каналов с 10-разрядной точностью
  •  2 канала с 8-разрядной точностью
  •  6-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусе PDIP)
  •  4 канала с 10-разрядной точностью
  •  2 канала с 8-разрядной точностью
  •  Байт-ориентированный 2-проводной последовательный интерфейс
  •  Программируемый последовательный USART-интерфейс
  •  Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)
  •  Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором
  •  Встроенный аналоговый компаратор
  •  Функция сброса по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания
  •  Встроенный калиброванный RC-генератор
  •  Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов АЦП
  •  Наличие 23-х программируемых выводов (доступны для ввода/вывода);
  •  Рабочее напряжение 4,5—5,5 В
  •  Рабочая частота 0—16 МГц

Данная микросхема поставляется в корпусах PDIP, TQFP и MLF.

Для переключения режимов работы используется микросхема К555ЛИ1 или ее аналог, которая содержит четыре логических элемента «И». Получая управляющие сигналы с микроконтроллера, эта микросхема разрешает или запрещает прохождение управляющего сигнала на ключ SEPIC-преобразователя и ключ разряда.

Для контроля температуры батареи используется внешний цифровой датчик DS18B20 производства компании MAXIM. Этот датчик позволяет измерять температуру от 10° C to +85° C с точностью ±0.5° C. Коммуникации с датчиком происходят по протоколу 1-Wire. Датчик DS18B20 выпускается в корпусах TO-92 и μSOP.


Рис. 45. Датчик
DS18B20 в корпусе TO-92.

Принципиальная электрическая схема разработанного устройства представлена в приложении 1.


  1.  Разработка конструкции зарядного устройства

В процессе разработки устройств различного назначения этап конструкторского проектирования является одним из самых трудоемких, длительных и ответственных. На этом этапе осуществляется переход от функционально-логического описания к конструкторской реализации устройств в виде законченных изделий с оформлением конструкторской и технологической документации. От качества и сроков работы на этом этапе в значительной мере зависит качество готового изделия.

  1.  Исходные требования к конструкции

Исходной информацией для конструкторского проектирования преобразователя напряжения тока являются требования, изложенные в задании диплома.

Технические требования:

  •  напряжение питания: постоянное, 10,5—16 В;
  •  типы заряжаемых аккумуляторных батарей: Li-ion, Li-pol, Ni-mh, Ni-cd, свинцово-кислотные;
  •  максимальное напряжение батареи: 14 В;
  •  максимальный ток заряда: 2 А;
  •  потребляемая мощность: не более 60 Вт;
  •  габариты: не более 200x200x200 мм;
  •  масса: не более 0,5 кг;
  •  использование в закрытых помещениях при нормальных условиях;
  •  температура эксплуатации: 0—40°С.

Дополнительные требования:

  •  Конструктивно зарядное устройство должно быть выполнено в виде отдельного закрытого ящика.
  •  Устройство должно быть компактным и сравнимо по размерам с аналогами.
  •  Конструкция должна обеспечивать удобство в эксплуатации и монтаже.
  •  Защита человека от поражения электрическим током.

Разрабатываемое устройство предназначается для бытового использования, целесообразно с точки зрения качества конструкции, эргономики и удобства использования сделать устройство в виде параллелепипеда, поместить входной разъем слева, экран и кнопки управления — на крышке устройства, выходные разъемы разместить справа. Такое расположение задает последовательность работы с устройством в направлении слева направо, что является удобным для большинства пользователей.

С точки для надежной работы устройства необходимо разнести сильноточную и слаботочную части схемы. В правой части корпуса имеется достаточно свободного места, поэтому сильноточные крупногабаритные элементы мы размещаем в правой части платы, рядом с выходным разъемом. Так как в устройстве присутствуют элементы, которые в процессе нормальной работы сильно нагреваются, то между корпусом и такими элементами не должно быть прямого контакта.

  1.  Выбор входных и выходных разъемов, органов управления и элементов индикации

Разрабатываемое устройство подключается к внешнему блоку питания постоянного тока напряжением 12 В. Главные требования, которыми следует руководствоваться в выборе разъемов питания это соответствие максимально допустимых тока и напряжения разъема требуемым, а также конструкция вилки на шнуре блока питания не должна предполагать возможность короткого замыкания рукой или плоским металлическим предметом. Этим условиям удовлетворяет выбранная пара вилка-розетка типа DJK-10A и DJK-04A, выдерживающая напряжение в 250 В.

Так как разрабатываемое устройство будет применяться для заряда аккумуляторов, подключаемых проводами, в качестве выходных разъемов целесообразно использовать клеммные разъемы с диаметром отверстия 4 мм, часто применяемые в лабораторном оборудовании. Это позволит использовать многие кабели без переделки и дополнительных адаптеров. Наиболее простыми клеммами с диаметром отверстия 4 мм являются клеммы типа BP-10R, представленные на рис. 48., выдерживающие напряжение 250 В и ток 5 А.

Для отображения текстовой информации в электронных устройствах применяются жидкокристаллические дисплеи. ЖК-дисплеи бывают одно- и многоцветными. Многоцветные дисплеи позволяют отображать до нескольких миллионов цветов, но имеют высокие цены. Объем текстовой информации, отображаемой на нашем устройстве не велик, поэтому был выбран монохромный знакосинтезирующий дисплей на 32 символа MT-16S2D производства компании «МЭЛТ». Для улучшения удобочитаемости и контрастности дисплея был выбран его вариант с подсветкой зеленого цвета.

Характеристики дисплея MT-16S2D:

  •  Набор символов: латиница, кириллица, цифры, дополнительные математические знаки;
  •  Количество символов: 16;
  •  Количество строк: 2;
  •  Подсветка: желто-зеленая;
  •  Температурный диапазон: 0—40 C;
  •  Напряжение питания: 5 В.

Для удобного управления устройством необходимо использовать шесть кнопок: «вверх», «вниз», «влево», «вправо», «ввод» и «отмена». В виду большой удаленности верхней крышки корпуса от платы, кнопки крепятся на крышку корпуса. Кнопки «ввод» и «отмена» будут часто нажиматься, поэтому они будут типа PSW-3B, который имеет размер и форму, удобные для нажатия пальцем. Для остальных кнопок выбран тип PSW-5R, который имеет малые габариты. Оба типа кнопок выдерживают напряжение до 250 В и ток до 0,3 А.

Кнопки направлений располагаются в виде ромба, кнопка «ввод» — слева, кнопка «отмена» — справа.

Для включения устройства был выбран тумблер типа PST-31A, который будет расположен на левой стороне устройства над разъемом питания. Максимальное выдерживаемое напряжение —
250 В.

  1.  Разработка конструкции печатной платы

Несущим элементом разрабатываемой нами функциональной ячейки (ФЯ) является печатная плата (ПП). Печатная плата — электрическая конструкция, которая состоит из плоских проводников, в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающем соединение электрической цепи. Для нашей печатной платы материалом выберем фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35 (ГОСТ 10316-78 и ГОСТ 23751-19). Толщина фольги 35 мкм, прочность сцепления 300 гс, диапазон рабочих температур 60…+120.

Фольгированный стеклотекстолит имеет гораздо лучшие механические свойства по сравнению, например, с гетинаксом (не ломается и с трудом изгибается), поэтому нашёл применение в военной, вычислительной, измерительной аппаратуре, где требуется высокая надёжность прибора, либо стойкость к механическим нагрузкам.

Выбор размеров платы

Площадь печатной платы, необходимую для одностороннего размещения радиоэлементов находят по формуле:

,

где qs-коэффициент дезинтеграции площади, Seli – установочная площадь i-ого радиоэлемента, n – число радиоэлементов. Коэффициент дезинтеграции qs должен принимать значения от 2 до 2.5.

Составим таблицу элементов с указанием их количества, размеров и занимаемой площади.

Наименование элемента

Ширина, мм

Высота, мм

Кол-во

Общая занимаемая площадь, мм2

ATMEGA32

52

17

1

884

TL494

22

10

1

220

LM324A

22

10

1

220

K555ЛИ1

18

10

1

180

7805

10

5,5

1

55

BUZZER

12

12

1

144

HC49S

12

5,2

1

62,4

IRL3303

10

5,5

2

110

FUSE

22,5

6,5

1

146,25

RCH110-120

10

10

4

400

CDRH127

15,6

13

1

202,8

LQH32CN

4,5

3

1

13,5

K73-17

10,5

29,5

3

929,25

TCAP-D

9

4

5

180

CA9V

10,5

12,5

3

393,75

1N5822

31,5

7

1

220,5

АЛ102БМ

4,7

4,7

2

44,18

LL103

3

8,7

2

52,2

SQP-20

70

14,6

1

1022

SQP-5

30

9,2

2

552

МЛТ-125

4,7

4,7

21

463,89

МЛТ-500

16,5

4

2

132

С0805

3

1,3

20

78

BH-16

8,4

27,8

1

233,52

BH-12

15,5

5

1

77,5

BH-10

20,2

8,9

1

179,78

JK35F

7

11,7

1

81,9

WF-2

4,8

5,8

2

55,68

K50-35

4,7

4,7

3

66,27

Итого:

7400,37

Таблица 2. Список элементов с указанием их количества, размеров и занимаемой площади.

Согласно формуле (1), S=2*7400,37=14800,74 мм2

Выберем типоразмер нашей платы 152×90 мм, площадь такой платы примерно равна S.

Толщина ПП определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от использованной элементной базы и внешних механических воздействий. Примем толщину ПП=1.5 мм.

Выбор класса точности

При изготовлении ПП необходимо задать класс точности. При определении класса точности изготовления ПП мы должны учитывать размеры посадочных площадок используемых элементов, и то, что наше устройство должно быть компактным. Выберем 3-й класс точности согласно ГОСТ 23751-86, так как он удовлетворяет нашим требованиям.

Конструктивные параметры элемента печатной платы и номинальный размер для 3 класса точности

Значение

Минимальная ширина проводников, мм

0,25

Минимальное расстояние между проводниками, мм

0,25

Гарантированная ширина пояска в наружном слое, мм

0,1

Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы, мм

0,33

Таблица 3. Конструктивные параметры печатной платы для 3 класса точности согласно ГОСТ 23751-86 .

Размещение элементов

Размещение радиоэлементов на печатной плате может быть одностороннее или двустороннее, т. к. все элементы могут быть размещены на одной стороне платы, в нашем случае размещение одностороннее, это упрощает разборку, ремонт и обслуживание устройства.

Размещение радиоэлементов на ПП производится в соответствии с ОСТ 4.ГО.010.009 и должно быть согласовано с требованиями и конструкциями ФЯ. Критериями рационального размещения радиоэлементов на плату могут служить: минимальная длина связей между элементами, равномерное распределение массы элементов на плате. При установке ЭРЭ на плату сначала устанавливаются элементы, у которых максимальное число контактов, и далее по убывающей.

Радиоэлементы крепятся на ПП методом пайки в металлизированные отверстия, которые в свою очередь связывают все ЭРЭ с токопроводящим рисунком. Пайка представляет собой технологический процесс, при котором соединение деталей происходит в результате расплавления припоя без расплавления металла соединяемых деталей.  Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, разрывов, темных пятен, следов инструментов и остатков технических материалов.

Расчет мощностей в схеме

Определим максимальную мощность, потребляемую устройством без учета нагрузки

Согласно схеме, цифровая часть устройства потребляет не более 0,05 Вт. Рассчитаем тепловыделение силовой части, используя данные расчета SEPIC-преобразователя.

Мощность, выделяемая на ключе в момент переключений, вычисляется по формуле

[Вт]  (2),

где Vmax —максимальное напряжение на ключе, Imax —максимальный ток в ключе, ton — время включения, toff —время выключения, T—период преобразователя.

Q = 0,5*16*2*(2∙10-7+3.6∙10-8)/4∙10-6 = 16*0,059 = 0,944 Вт.

Суммарная максимальная мощность, выделяемая на ключе, складывается из мощности в открытом состоянии (рассчитана при расчете SEPIC-преобразователя) и мощности в момент переключений.

Для VT1 и VT2 максимальная выделяемая мощность Qсумм = 0,58+0,944 = 1,524 Вт. Ключ VT2 в расчет не принимается, так как они одинаковы, работают в одинаковых режимах, и только попеременно.

Обозначение на схеме

Тип

Тепловыделение не более, Вт

С1—С3

K73-17

0,76

С4

TCAP-D

0,1

С5—С8

TCAP-D

0,5

VT1

IRL3303

1,524

L1—L3

RCH110-120

1,45

L4

CDRH127

0,4

VD1

1N5822

0,8

R4

SQP-20

20

R5,R6

SQP-5

2,2

Итого:

27,734

Таблица 4. Тепловыделение на элементах силовой части.

Максимальное тепловыделение согласно технической документации на транзисторы типа IRL3303 рассчитывается по формуле:

[Вт]  (3),

где Tдп — температура максимально допустимого перегрева, которая вычисляется, как разность максимально допустимой температуры элемента и максимальной рабочей температуры окружающей среды.

[Вт].

Так как максимальное тепловыделение на ключах VT1 и VT2 не превышает максимально допустимых 2,18 Вт для каждого из них, дополнительное охлаждение этих транзисторов не требуется. С учетом возможных будущих усовершенствований устройства и повышении мощности, предусмотрим в устройстве место для радиатора на транзисторах VT1 и VT2.

Тепловыделение на резисторе R4 регулируется программно и в пике достигает 20 Вт. С учетом этого факта, внутри корпуса не должно быть прямого контакта между этим резистором и корпусом.

Чертеж разработанной печатной платы зарядного устройства приведен в приложении 2.

Сборочный чертеж разработанного печатного узла представлен в приложении 3.

  1.  Разработка конструкции корпуса

Корпус предназначен для защиты ФЯ от внешних воздействий, механических повреждений и для соединения с внешними электрическими цепями по средствам вывода. Корпус должен обеспечивать защиту от воздействия влаги, инея, росы и других факторов.

При выборе материала корпуса для разрабатываемого нами устройства, мы в первую очередь будем смотреть на электробезопасность, поэтому будем рассматривать только пластмассы.

Размер устанавливаемой печатной платы: ширина 90 мм, длина 152 мм, максимальная высота платы 43 мм.

В качестве корпуса для зарядного устройства выберем корпус G1024B из полистирола компании Gainta. Корпус имеет следующие размеры: ширина 157,8 мм, длина 95,5 мм, высота 53 мм, толщина стенок 2,8 мм. Корпус состоит из двух частей: основании и крышки. Конструктивно корпус выполнен в виде параллелепипеда с четырьмя стойками внутри, одна грань параллелепипеда является крышкой, остальные — основанием. Плата крепится к корпусу зажатием платы между основанием и крышкой. Соединение крышки с основанием осуществляется четырьмя саморезами М3 через стойки основания и отверстия в крышке. Основание корпуса имеет ограничительные ребра, удерживающие плату на месте. Корпус рассчитан на применение плат толщиной 1,5—1,6 мм.

В корпусе необходимо сделать отверстия для закрепления на нем кнопок, экрана, тумблера и разъемов.

Тепловой расчет

При проектировке корпуса необходимо решить вопрос о выборе способа ее охлаждения. Такой выбор может быть выполнен по результатам расчета температурного режима конструкции.

Рис. 54. Диаграмма выбора способа охлаждения.

Способ охлаждения конструкции можно выбрать по диаграмме, показанной на рис. 54. Область изменения параметров: перегрев конструкции – удельная тепловая энергия, рассеиваемая ею, разделена на зоны, соответствующие каждому способу охлаждения: естественным – воздушному (1), принудительным – воздушному (2).

Методика выбора способа охлаждения следующая. Рассчитываем минимальное значение допустимого перегрева (К) нагретой зоны:

Q = Qд – Qm = 95 – 40 = 55 К,

где Qд  – допустимая температура нагретой зоны, К; Qm – максимальная температура окружающей среды, К. Qд берется для элемента с минимально допустимой температурой, таким элементом является звуковой пьезоизлучатель, его Qд составляет 95 °C.

Расчет поверхности нагретой зоны (м2):

S = 2[L1L2+(L1+L2)L3k],

где L1, L2 – горизонтальные размеры корпуса, м; L3 – высота корпуса, м; k – коэффициент заполнения.

Необходимо выяснить, есть ли перегрев внутри корпуса и рядом с резистором, который выделяет наибольшее количество тепла. Sз, Sр – поверхность нагретой зоны внутри корпуса и  рядом с резистором соответственно.

Sз=2[L1L2+(L1+L2)L3Kб]=2[0,1580,96+(0,158+0,96)0,530,25]=0,59963 м2;

Sр=2[L1L2+(L1+L2)L3Kп]=2[0,080,04+(0,08+0,04)0,040,3]= 0,01928м2.

Находим величину удельной мощности нагретой зоны (Вт/м2)

Fу = ∑F / S,

где ∑F – мощность рассеиваемая элементами в заданной зоне.

Fуз = ∑F / Sб = 27,734 / 0,59963 = 46,25 Вт/м2;

Fур = ∑F / Sп = 20/0,02928 = 683,06 Вт/м2.

Поскольку корпус устройства выполнен из полистирола и имеет низкую теплопроводность, мы не можем использовать его, как теплоотвод. Так как величина Fур находится в зоне «1, 2», то необходимо применить естественную вентиляцию корпуса (тепловая энергия может быть рассеяна при помощи естественного теплообмена). В корпусе необходимо предусмотреть пассивную вентиляцию в виде отверстий для выхода нагретого воздуха.

Чертеж модификаций корпуса приведен в приложении 4. Разработанный сборочный чертеж зарядного устройства представлен в приложении 5. Внешний вид разработанного устройства представлен в приложении 6.

  1.  Расчёт вибропрочности 

Конструкция считается вибропрочной, если в ней отсутствуют механические резонансы, а допустимая виброперегрузка на резонансной частоте превышает перегрузку, указанную в ТЗ.

Оценка вибропрочности сводится к расчёту частоты свободных колебаний  и допустимой величины виброперегрузки .

Частота свободных колебаний вычисляется по формуле:

[Гц],

где: Сh – частотная постоянная, зависит от способа закрепления платы. В нашем случае Сh = 29

h - толщина платы, мм. В нашем случае h = 1.5 мм

a – большая сторона платы, мм. В нашем случае, а = 152 мм

— поправочный коэффициент на материал платы, Е, Ес — модуль упругости материала платы и корпуса,  — плотность материала платы и корпуса.

=  = 2,31

- поправочный коэффициент на нагружение платы, — масса элементов, — масса платы

= 40 г.

Масса платы:  = Vρ = (152*90*1,5)*0,0014 = 28,72 г.

=  = 0,646,

тогда  = 29 / 1522 *2,31 * 0,646 *105=  187,3 Гц.

Допустимая величина виброперегрузки .

где: — допустимая виброскорость,  = 600 мм/с;

μ — коэффициент динамичности, μ = 10;

g — ускорение свободного падения,

тогда:  = = 7,18.

Полученные оценочные характеристики удовлетворяют требованиям.


  1.  Испытания макета зарядного устройства
    1.  Цель испытаний

Так как микроконтроллерная часть устройства и программа, обеспечивающая работу устройства весьма сложны, будем считать, что микроконтроллер и программа поставляются как единый комплекс.  Вместо испытаний микроконтроллера в отдельности его работоспособность определяется по результатам испытаний устройства в целом.

Для испытаний в программе макета зарядного устройства предусмотрен специальный режим работы, выбираемый через меню.

Целью испытаний является определение:

  •  обеспечивает ли испытуемое устройство максимальное выходное напряжение 14 В;
  •  обеспечивается ли максимальный выходной ток 2 А при выходном напряжении не меньшем 14 В;
  •  обеспечивается ли минимальное выходное напряжение 1 В;
  •  обеспечивается ли минимальный выходной ток 50 мА;
  •  максимальной потребляемой мощности;
  •  точности соответствия выходного напряжения и тока заданным.

Испытания выполняются для минимального и максимального напряжений питания: — 10,5 и 16 В.

  1.  Разработка функциональной схемы испытаний

Схема испытаний макета зарядного устройства состоит в следующем: к зарядному устройству подключается лабораторный блок питания и нагрузка. Между нагрузкой и блоком питания подключаются датчики тока и напряжения, аналогичные датчики подключаются между нагрузкой и зарядным устройством. Блок питания подключается к сети питания, датчики подключаются к устройству ввода информации, подключенном к устройству записи информации. Далее выполняется ввод информации в зарядное устройство и запись данных, полученных с датчиков.

Функциональная схема испытательного стенда представлена на рис. 55.


Рис. 55. Функциональная схема испытательного стенда.

  1.  Выбор оборудования

В качестве устройства записи данных  будет использоваться компьютер типа IBM-PC.

В качестве блока питания выберем лабораторный источник питания со встроенными вольтметром и амперметром Instek GPS-3030D. Данный блок питания имеет выходное напряжение 0—60 В, максимальную выходную мощность 90 Вт, максимальный выходной ток 6 A, а также встроенную защиту от короткого замыкания. Выходное напряжение блока питания задается с помощью ручек, расположенных на передней панели устройства.

Так как амперметр и вольтметр, расположенные в источнике питания не имеют достаточной точности, для измерения выходного напряжения и тока будут использоваться отдельные датчики.

Для контроля параметров зарядного устройства используем датчики тока и напряжения на основе эффекта Холла.

Датчики тока выберем из ассортимента фирм Allegro и LEM. Максимальный потребляемый зарядным устройством ток ожидается до 5-6 Ампер, Исключаем датчики с номиналами измеряемых токов до 6 А, также исключим датчики двунаправленного и переменного тока. Из оставшихся датчиков выбираем датчик с наибольшей точностью и уровнем выходного сигнала, LEM LA 25-NP/SP2. Этот датчик предназначен для измерения постоянного тока до 25 А. Для работы датчика требуется к выводу «М» подключить резистор сопротивлением 150 Ом.


Рис. 56. Внешний вид датчика LA 25-NP/SP2 фирмы
LEM.

Выберем датчик напряжения из ассортимента фирмы LEM, так как у Allegro нет датчиков для измерения линейного однополярного напряжения. Требуемый диапазон измеряемых напряжений — это диапазон допустимого напряжения питания зарядного устройства, 10,5—16 В. Выберем датчик AV 100-50 фирмы LEM, который рассчитан на измерение напряжений до 50 В. Для работы этого датчика также необходим резистор сопротивлением 50 Ом.


Рис. 57. Внешний вид датчика AV 100-50 фирмы
LEM.

При измерении тока и напряжения в нагрузке диапазон напряжений составляет 0—15В, токов — 0—2,5 А. Для этих диапазонов также лучше всего подходят датчики LEM LA 25-NP/SP2 и AV 100-50.

В качестве нагрузки будем использовать набор точных резисторов SQP-5 сопротивлением 1 Ом точностью 1% с максимальной рассеиваемой мощностью 5 Вт в количестве 7 шт. Резисторы соединяются последовательно.

Для сопряжения датчиков с компьютером необходим модуль ввода информации. Модуль аналогового ввода выбираем из ассортимента фирмы ADDI-DATA. Наилучшим образом для работы с четырьмя датчиками подходит модуль APCI-3003, который имеет четыре независимых входных канала с отдельным аналого-цифровым преобразователем на каждом канале. Технические данные модуля APCI-3003:

  •  диапазон входных напряжений: 0—10 В;
  •  пропускная способность: 400 кГц на вход;
  •  усиление: в 1, 2, 5, 10 раз, программно;
  •  количество входов: 4;
  •  количество выходов: 4;
  •  интерфейс: PCI .
    1.  Методика испытаний

Испытания проводятся в комнатных условиях, температура воздуха 22°C, помещение имеет  антистатическую защиту.

  1.  Подготовка к работе
    1.  Лабораторный источник питания и компьютер подключаются к сети электропитания, включаются.
    2.  На источнике питания выставляется выходное напряжение 10,5 В.
    3.  Подключается макет з/у.
    4.  К макету з/у подключается нагрузка в виде семи последовательно соединенных резисторов SQP-5 сопротивлением в 1 Ом каждый.
    5.  Подключаются датчики напряжения и тока.
    6.  Зарядное устройство переводится в режим испытания.
  2.  Снятие характеристик, Uпит=10,5 В
    1.  С помощью кнопок управления выбирается первый режим испытания с заданным выходным напряжением.
    2.  На зарядном устройстве задается выходное напряжение 1 В.
    3.  Через 1 с. измеряются и записываются показания датчиков в течение 0,1 с.
    4.  Пункты «b» и «c» повторяются с заданными выходными напряжениями 1,5—14 В с шагом 0,5 В.
    5.  С помощью кнопок управления выбирается второй режим испытания с заданным выходным током.
    6.   На зарядном устройстве задается выходной ток 0,05 А.
    7.  Через 1 с. измеряются и записываются показания датчиков в течение 0,1 с.
    8.  Пункты «f» и «g» повторяются с заданными выходными напряжениями 0,115—2 А с шагом 0,065 А.
  3.  Снятие характеристик, Uпит=16 В
    1.  На источнике питания выставляется выходное напряжение 16 В.
    2.  Повторяются действия второго этапа.
  4.  Окончание работы
    1.  Лабораторный источник питания и компьютер выключаются, отключаются от сети электропитания. Отсоединяются датчики и нагрузка.
    2.  Производится анализ полученных данных, дается заключение о результатах испытаний.
    3.  Результаты испытаний

В ходе работы над дипломным проектом был собран макет зарядного устройства и проведены его испытания. Устройство обеспечило требуемый ток 2 А при напряжении 14 В, а также напряжение 1 В при токе 0,014 А. Максимальная потребляемая мощность составила 48,21 Вт. Максимальные колебания выходного напряжения составили ±55 мВ при напряжении питания 10,5 В и выходном напряжении 14 В, тока — 8 мА при тех же условиях. КПД устройства составило от 6% при низкой выходной мощности до 62,8% при средней и высокой выходных мощностях. КПД более 50% достигается уже при 4,5 В выходного напряжения. Более подробная информация приведена на рис. 58.- рис. 62.


Рис. 58. Напряжение на нагрузке при задании выходного напряжения, Uпит=10,5 В.


Рис. 59. Ток в нагрузке при задании выходного тока, Uпит=10,5 В.


Рис.60 . Напряжение на нагрузке при задании выходного напряжения, Uпит=16 В.


Рис. 61. Ток в нагрузке при задании выходного тока, Uпит=16 В.

Блок-схема алгоритма испытаний представлена на рис.62 .

Рис. 62. Блок-схема алгоритма испытаний.


  1.  Разработка технологического процесса изготовления зарядного устройства

Изготовление зарядного устройства производится в соответствии с конструкторской документацией, настоящим технологическим процессом и технологическими процессами изготовления отдельных сборочных единиц и деталей, принятыми на предприятии изготовителе.

Разработанное устройство представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из следующих элементов: корпус, кнопки управления, экран, разъем питания, выходные разъемы, печатный узел. Конструктивно зарядное устройство выполнено в виде закрытого ящика. На верхней панели расположен экран и кнопки управления, На боковых панелях расположены входной и выходные разъемы. Внутри корпуса расположена печатная плата с установленными компонентами, выполняющая основные функции устройства.IP00 IP11

  1.  Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы

Исходя из особенностей электрической схемы, элементной базы разрабатываемого устройства и конструктивных характеристик печатной платы согласно ОСТ 4.ГО.054.043 и ОСТ 4.ГО.054.058 для производства печатной платы решено применить следующие методы изготовления: комбинированный (позитивный и негативный), химический, с металлизацией сквозных отверстий.

Комбинированный метод заключается в получении печатной платы методом химического травления с последующей металлизацией монтажных отверстий гальвано-химическим способом. Преимуществом данного метода является возможность одновременного получения печатного монтажа и металлизированных монтажных отверстий. К недостатку можно отмести двукратное воздействие химических реагентов на изоляционное основание в процессах травления, металлизации отверстий, что снижает электрические свойства изоляционного основания платы.

В качестве материала печатной платы был выбран стеклотекстолит марки СФ2-35-2.0.

  1.  Проектирование технологического процесса сборки и монтажа печатного узла

Информационной основой разрабатываемого техпроцесса являются типовые технологические процессы. При этом используются следующие стандарты:

  •  ОСТ 4.ГО.054.264. Подготовка навесных элементов к монтажу. Типовые технологические процессы.
  •  ОСТ 4.ГО.054.265. Установка ЭРЭ на печатные платы. Типовые технологические операции.
  •  ОСТ 4.ГО.054.267. Пайка электромонтажных соединений. Типовые технологические операции.
  •  ОСТ 4.ГО.054.089. Пайка монтажных соединений. Типовые технологические процессы.
  •  ОСТ 4.ГО.054.010 .Сборка и пайка узлов на печатных платах. Типовые технологические процессы.

Технологический маршрут изготовления печатного узла

Технологический маршрут состоит из следующих этапов:

  1.  Изготовление основания (подложки). Диэлектрическое основание изготовляется из фольгированного стеклотекстолита СФ-2-35 комбинированным позитивным методом с металлизацией сквозных отверстий.
    1.  Раскрой материала на заготовки, на фрезерном станке с использованием дисковой фрезы.
    2.  Выполнение базовых отверстий сверлением или пробивкой. Пробивка выполняется на кривошипных прессах или специальных приспособлениях.
    3.  Сверление отверстий на станке «ЧПУ СМ-600» для создания монтажных соединений.
    4.  Очистка внутренней поверхности отверстий методом гидроабразивной обработки или методом обжига в плазме.
    5.  Подготовка плоских поверхностей заготовки механическими методами для последующей металлизации. Ручную механическую подготовку поверхностей осуществляют с помощью смеси венской извести со шлифовальным порошком №4 под струей воды вручную в раковине-мойке. Механизированную механическую подготовку поверхности производят вращающимися капроновыми или нейлоновыми щетками, на которые подается струя абразивной суспензии того же состава, заготовка при этом перемещается с помощью валикового конвейера.
    6.  механическая обработка: обрезка технологического обрамления, сверление крепежных отверстий на фрезерном станке с ЧПУ.
  2.  Изготовление защитной маски (первая фотолитография). При изготовлении печатной платы присутствует группа процессов, обеспечивающих изготовление защитных масок, закрывающие пробельные места при металлизации. Для изготовления таких масок используют фотошаблоны, аналогом которых является негатив или позитив. Фотошаблон имеет технологическое поле, на котором помещается базовое отверстие для точного размещения проводящей платы, прошедшей механическую обработку; фотоизображение технологической рамки для обеспечения равномерного по площади осаждения металла при металлизации; изображение специальных испытательных элементов для контроля качества изображения.
    1.  Нанесение фоточувствительного слоя СПФ-2 (сухой пленочный фоторезист) на фольгированную поверхность платы, осуществляется производственным методом накатки с помощью ламинатора. Ламинатор обеспечивает одновременное отделение о т СПФ-2 защитной полиэтиленовой пленки и приклеивание СПФ-2 к поверхности фольги платы под действием температуры (от 105 до 150 °С).
    2.  Формирование маски проводящего рисунка.
      1.  Выпуск управляющих программ экспонирования фотошаблона для оборудования с ЧПУ.
      2.  Проекционное экспонирование. Осуществляется с помощью координатографа «МИНСК 2001».
      3.  Проявление эталонного фотошаблона. Контрольные фотошаблоны выполняются на стеклянных фотопластинках или малоусадочных фотопленках с усадкой не более 0,01-0,03% типа ФТ-41П.
      4.  Контактное экспонирование рабочих фотошаблонов. Рабочие фотошаблоны изготавливаются на предварительно термостабилизированных фотопленках типа ФТ-40.
      5.  Проявление фотошаблона.
      6.  Пробивка базовых отверстий в фотошаблоне с использованием пробивного штампа.
      7.  Совмещение заготовки платы с фотошаблоном, используя базовые штыри технологической оснастки.
    3.  Контактное экспонирование фоторезиста на заготовках. При экспонировании в УФ излучении происходит полимеризация фотополимера, расположенного под прозрачными участками фотошаблона, что делает эти участки нерастворимыми в проявителе.
    4.  Проявление фоторезиста (образование защитной маски для металлизации ПП). Наиболее эффективным способом проявления СПФ-2 является обильное омывание поверхности встречными потоками проявителя, который после прохождения через рабочую камеру дистиллируется и снова поступает в установку. В качестве проявителя используется кальцинированная сода. Заготовки плат после проявления омываются водой, которая после выделения из нее остатков растворителя в специальном отстойнике может быть снова использована для промывки плат. После проявления оставшейся СПФ-2 должен быть твердым, блестящим, сплошным покрытием на поверхности заготовки, без проколов и других дефектов покрытия.
  3.  Субтрактивное формирование планарных элементов конструкции.
    1.  Предварительная химическая металлизация до толщины 0,5 мкм. Заключается в последовательности химических реакций осаждения меди, используемой в качестве подслоя при нанесении основного слоя.
    2.  Гальваническая металлизация медью, наращивание проводников до 25 мкм. Металлизируемые платы, закрепленные на специальных подвесках-токопроводах, помещают в гальваническую ванну с электролитом между анодами. Подвеска с платами выполняет функции катода. Для электролитического осаждения металла на платах необходима их тщательная подготовка, обеспечивающая полное смачивание электролитом поверхности, подлежащей металлизации, и создание надежного электрического контакта с платами (катодами) и анодами.
    3.  Изготовление защитной маски (второй) из сплава ОС-61 путем гальванической металлизации поверхности меди, незащищенной первой маской. Осаждение покрытия ОС-61 производят в борфтористоводородных электролитах. Процесс ведут при комнатной температуре и скорости осаждения 1 мкм/мин.
    4.  Изготовление изолированных пробелов проводящего рисунка.
      1.  Снятие первой защитной маски (удаляется с помощью растворителя).
      2.  Травление медной фольгой на пробельных местах, незащищенных второй маской. Травление может быть выполнено путем погружения платы в травительный раствор. Для травления меди с плат, проводящий рисунок которых защищен покрытием ОС-61, применяют раствор на основе персульфата аммония. Раствор используют при температуре 50—55 °С до насыщения медью 45—60 г/л.
      3.  Очистка поверхности от травителя. Протравленные ПП необходимо немедленно промыть, так как травительный раствор, оставшийся на них, продолжает действовать и после удаления плат из травителя, что может привести к увеличенному подтравливанию. Непосредственно после травления еще влажные платы тщательно промывают водой, а затем высушивают.
      4.  Осветление поверхности проводящего рисунка, покрытой сплавом ОС-61. Поверхность металлоризиста олово-свинец после травления подвергается осветлению при температуре 18—25 °С в течении 5—7 мин.
      5.  Оплавление сплава ОС-61 на поверхности проводящего рисунка. Оплавление покрытия с помощью жидких теплоносителей производят в специальных линиях с агрегатами флюсования, оплавления, выравнивания слоя сплава олово-свинец ламинаторным потоком нагретого воздуха и жидкости, промывки. Оплавление покрытия инфракрасным излучениям производят на конвейерных установках типа РС-4520 фирмы «ARGUS ENGINEERING».
    5.  Нанесение фотополимеризующей композиции (ФПК) методом полива.
    6.  Контроль качества ПП. Под качеством плат понимают степень соответствия их чертежу, установленным стандартам и ТУ при наименьших затратах. Оценка качества плат должна учитывать соотношение конкретных технико-эксплуатационных характеристик и стоимости их достижения, так как завышенные характеристики приводят к значительному удорожанию изделия. Качество поверхности характеризуется геометрическими и физическими параметрами. С геометрической точки зрения качество поверхности определяется отклонениями реальной поверхности от идеальной (шероховатости, макронеровности и волнистости). С физической точки зрения качество поверхности оценивается состоянием поверхностного слоя.
  4.  Сборка конструктива.
    1.  Формовка выводов элементов.
    2.  Втыкание выводов элементов и разъемов в монтажные отверстия на плате.
    3.  Пайка волной припоя. Этот метод пайки относится к групповым методам пайки, особенностью которых является одновременное выполнение большого числа монтажных соединений. Пайка волной припоя представляет собой процесс, при котором нагрев паяемых материалов, перемещаемых над ванной, и подача припоя к месту соединения осуществляется стоячей волной припоя, возбуждаемой в ванне. При пайке волной припоя устраняется возможность быстрого окисления припоя и температурных деформаций платы. Постоянный контакт платы с припоем обеспечивает быструю подачу теплоты, что сокращает время пайки.
    4.  Отмывка и сушка. Отмывка производится в ультразвуковой системе очистки «m 80» производства компании FinnSonic. Сушка производится естественным путем.


Рис. 63. Схема технологического маршрута.

  1.  Технология доработки корпуса

Корпус устройства представляет собой доработанный корпус G1024B из полистирола компании Gainta. Корпус является несущим элементом изделия. На корпусе будут размещаться разъемы, дисплей, кнопки, поясняющие надписи, для этого необходимо выфрезеровать отверстия для этих элементов и надписи.

Процесс фрезеровки

Для доработки корпуса используется станок «СМ-600». Корпус устанавливается на рабочее поле, зажимается направляющими зажимами станка, запускается программа фрезеровки. После фрезеровки корпус извлекается и отряхивается. Каких-либо дополнительных приспособлений не требуется.

  1.  Описание применяемого оборудования

Состав и устройство станка ЧПУ СМ-600

Рис. 64. Внешний вид станка «СМ-600».

Сверление обеспечивает необходимое качество отверстий и одновременно их высокую точность. Специальные сверлильные станки с программным управлением имеют координатный стол с автоматизированным приводом по двум координатам и сверлильные шпиндели с бесступенчатым регулированием скорости, а также систему числового программного управления позиционного типа. В качестве инструмента для обработки отверстий в гетинаксовых ПП применяют спиральные сверла из быстрорежущей стали Р18. Для сверления стеклопластиков применяют специальные сверла из металлокерамического твердого сплава ВК80М или ВК6М. Станки с ЧПУ представляют собой автоматы или полуавтоматы, подвижные части которых совершают необходимые движения по заранее установленной программе, записанной на быстросменном носителе.

Высокоточный и надежный сверлильно-фрезерный станок «СМ-600» с ЧПУ используется в производстве печатных плат. Станок может применяться для объемной обработки цветных металлов, пластиков, дерева, МДФ и т.д.

Этот станок оснащен современной и надежной системой ЧПУ «Графика», специальным столом, системой охлаждения инструмента, дистанционным пультом управления, шпинделями METABO 1200 Вт (5—25 тыс. об/мин) или АС-72 1000 Вт (15—72 тыс. об/мин).


Рис. 65. Операционный эскиз сверления.

Технологические параметры: R — высота подъема сверла; W — высота сверла при перемещении; V — окружная скорость резания.

Выбег необходим для образования равного выходного края отверстия. ПП имеет не идеальную плоскость, поэтому для образования равного выходного края отверстия плата прижимается к подложке специальной пластиной (прижимом). Сверление производится различными сверлами из твердого сплава. При настройке системы ЧПУ заносятся выбранные оптимальные режимы сверления для различных сверл. Эта информация заносится в память ЧПУ станка.


Рис. 66. Станок «СМ-600».

  1.  сверлильная головка;
  2.  траверса, обеспечивающая движение сверла по оси Х;
  3.  шпиндель с цанговым зажимом и сверлами;
  4.  заготовка ПП;
  5.  подложка с фиксированными штырями, на которые устанавливается заготовка (5-1);
  6.  стол;
  7.  линейный электродвигатель, обеспечивающий движение стола по оси Y;
  8.  сопла пневматической системы воздушных опор;
  9.  станина;
  10.  опора.

Станок СМ-600 конструктивно оформлен в виде стойки, включающей стандартные конструкторские модули ВС. В стойке размещены также экран и клавиатура монитора, устройство ввода информации с носителя управляющих программ. Клавиатура и монитор обеспечивают управление в режиме диалога и ручной ввод управляющей программы.

Технические характеристики станка:

Количество шпинделей – 4шт; производительность – 200отв/мин; точность сверления – 0,02мм; точность позиционирования стола по осям X и Y0,01мм; точность повторного позиционирования стола по осям X и Y0,002мм; точность позиционирования по оси Z0,01мм; усилие прижима пакет плат при сверлении и фрезеровании – 150Н; диаметр сверл от 0,3 до 6,5; частота вращения электрошпинделя  АС-72/06-12 от 15000 до 72000 об/мин; занимаемая площадь – 8,5м2.

Координатограф «МИНСК 2001»

Координатографа «МИНСК 2001» — это устройство экспонирования со световыми фотоголовками. Перемещение фотоголовок производится с помощью прецизионных ходовых винтов от шагов двигателей с системами обратной связи и управляющих микропроцессоров.

Характеристики «МИНСК 2001»:

  •  размер рабочего поля:  500×500 мм;
  •  точность позиционирования: ± 0,05 мм;
  •  максимальная скорость перемещения: 6 м/мин;
  •  ширина экспонируемой линии: 0,2—4,0 мм;
  •  шаг элементарного перемещения: 0,025 мм.

Cистема очистки «FinnSonic m 80»

Ультразвуковая система очистки «m 80» компании FinnSonic представляет собой ванну с ультразвуковым излучателем для высококачественной очистки и отмывки печатных плат в условиях производства. Эффективность ультразвуковой отмывки базируется на высокочастотных звуковых колебаниях, которые являются причиной возникновения сильной кавитации в жидкости. Микроскопические кавитационные пузырьки взрываются на поверхности, обрабатываемого объекта удаляя жир и другие виды загрязнений быстро и эффективно.

Риc. 67. Внешний вид ультразвуковых очистителей серии «m» компании «FinnSonic».

Модельный ряд ультразвуковых систем очистки серии «m» представляет собой устройства, отличительными особенностями которых являются:

  •  высокая эффективность отмывки;
  •  низкая длительность процесса;
  •  высокая степень экологической совместимости;
  •  низкий уровень потребления энергии и расхода отмывочных жидкостей.

Все модели снабжены модулем, предотвращающим нагрев и запуск ультразвука при уровне отмывочной жидкости ниже допустимого. Производится удаление загрязнений с объекта из мест, где другие методы очистки менее эффективны. Ряд моделей включает в себя дополнительные опции, повышающие эффект очистки (ускоритель периодического ультразвукового колебания и модуль изменения частоты колебания).

Технические данные

m 03

m 08

m 20

m 40

m 80

Объем, л

2,7

7,5

19,5

40

80

Внешние размеры, мм

270x 165x225

330x 270x290

530x 330x335

640x 390x540

760x 460x720

Внутренние размеры, мм

240x 135x100

300x 240x150

500x 300x150

475x 265x300

600x 330x400

Корзина размеры, мм

200x 110x75

250x 195x125

475x 260x 125

420x 225x225

540x 290x340

Ультразвук мощность, Вт

100

200

300

600

1200

Ультразвук частота, КГц

40

40

30

30

30

Нагрев, Вт

150

600

900

1500

2000

Питание, В/Гц

230/50

230/50

230/50

230/50

230/50

Слив

-

+

+

+

+

Мощность, Вт

250

800

1200

2100

3200

Вес, кг

4,5

8

14

34

56

Табл. 5. Технические данные ультразвуковых ванн серии «m» компании FinnSonic.

Многофункциональная паяльная станция Welleman WMD3

Многофункциональная 3-х канальная цифровая паяльная станция WMD3 представляет собой полностью укомплектованное рабочее место для выполнения всех операций поверхностного монтажа. 3 канала позволяют одновременно подключать 3 инструмента.


Рис. 68. Паяльная станция «
Welleman WMD3».

Стандартно в комплекте со станцией поставляется паяльник, паяльник для отпайки и паяльник для пайки горячим воздухом. Широкий спектр специальных насадок позволяет отпаивать большие компоненты.

Характеристики паяльной станции:

  •  Встроенный компрессор и вакуум
  •  Диапазон температур WMD3:
    •  от 50°С до 450°С для всех паяльных и отпаивательных инструментов
    •  от 50°С до 550°С для паяльника НАР;
  •  Электростатическая защита.
  •  Мощность: 175 Вт
  •  Максимальная выходная мощность 100 Вт.
    1.  Описание процесса сборки зарядного устройства
  1.  Сборка корпусной части изделия.
    1.  Извлечь корпус зарядного устройства, осмотреть его на наличие сколов, царапин и трещин. Поврежденные корпуса отбраковываются.
    2.  Снять крышку корпуса.
    3.  Припаять к каждой кнопке управления разъем IDC-2 припоем ПОС-61 с помощью паяльной станции Weller WMD3К.
    4.  Крепить гайками кнопки к верхней части корпуса согласно сборочному чертежу.
    5.  Крепить гайкой разъем питания согласно сборочному чертежу.
    6.  Припаять к выходному разъему провод сечением 1,5 мм2 длиной 5см.
    7.  Крепить выходной разъем гайками согласно сборочному чертежу.
  2.  Сборка внутренней части изделия.
    1.  Извлечь печатный узел из упаковки, убедиться визуально в отсутствии остатков флюса, капель припоя, лишних соединений, погнутых и неправильно расположенных элементов. По возможности устранить выявленные неисправности или отбраковать плату.
    2.  Установить дисплей в разъем, крепить винтами М3 согласно сборочному чертежу.
    3.  Крепить радиаторы винтами и гайками согласно сборочному чертежу.
    4.  Убедиться, что радиаторы на плате не имеют контакта между собой.
  3.  Сборка изделия.
    1.  Сориентировать верхнюю часть корпуса лицевой частью к столу, отверстием для дисплея от себя. Сориентировать плату элементами вниз, дисплеем от себя.
    2.  Установить плату в корпус, убедиться в отсутствии контакта между радиаторами и корпусом.
    3.  Установить крышку корпуса, крепить винтами М2.
  4.  Функциональный  контроль изделия.


  1.  Функциональный контроль устройства

Задачей функционального контроля на производстве является проверка работоспособности изготовленного устройства и соответствия поставленным требованиям в максимально короткие сроки.

Проверяются следующие условия:

  •  минимальное выходное напряжение 1 В;
  •  максимальное выходное напряжение 16 В;
  •  минимальный выходной ток 50 мА;
  •  максимальный выходной ток 2 А;
  •  максимальная потребляемая мощность 60 Вт;
  •  точность измерения тока в ±10 мА;
  •  точность измерения напряжения в ±100 мВ;
  •  работоспособность при напряжении питания 10,5—16 В.

Контроль проводится в нормальных условиях.

  1.  Метод контроля

Методика контроля основывается на совмещении самоконтроля устройства с внешним контролем. В контрольном режиме зарядное устройство переключается между несколькими режимами, в каждом из которых происходит сверка выходных параметров с допустимыми значениями. Устройство, прошедшее все этапы считается годным.

Контроль осуществляется в следующей последовательности:

Устройство подключается к испытательному стенду.  Далее зажимается кнопка «1» на устройстве, устройство включается и переходит в режим контроля, выдавая сначала стартовую последовательность 5 В, 0 В, 5 В, 0 В (каждое напряжение в течение 1 с.), которую детектирует стенд контроля и запускает программу контроля.  Затем проверяемое устройство переключается в следующий режим контроля через каждые 2 с.

В каждом режиме выходное напряжение, выходной ток и потребляемая мощность контролируются стендом, а также зарядное устройство измеряет ток и напряжение нагрузки и проверяет их соответствие заранее запрограммированным значениям.

При сбое теста, обнаруженном самим зарядным устройством, издается звуковой сигнал ошибки и тест прекращается. При обнаружении ошибки контрольным стендом, он отображает ошибку на экране и прекращает контроль.

Составим таблицу режимов, где зададим входные параметры, и определим границы изменения выходных параметров.

Номер режима

Входные параметры

Выходные параметры

Uпит, В

Iвх, А

Uвых, В

Iвых, А

ΔUвых, В

ΔIвых, А

1

10,5

< 3,42

1

0,125

±0,1

±0,01

2

10,5

< 3,42

16

2

±0,1

±0,01

3

10,5

< 3,42

0,4

0,05

±0,1

±0,01

4

16

< 2,25

1

0,125

±0,1

±0,01

5

16

< 2,25

16

2

±0,1

±0,01

6

16

< 2,25

0,4

0,05

±0,1

±0,01

Таблица 6.  Режимов и границ изменения выходных параметров.

Uвых – типовое значение напряжения на выходе зарядного устройства с подключенной нагрузкой без учета допуска.

Iвых – типовое значение тока в нагрузке зарядного без учета допуска.

ΔUвых – допуск отклонения Uвых.

ΔIвых – допуск отклонения Iвых.

В качестве нагрузки используется точный резистор мощностью не менее 32 Вт, сопротивлением 8 Ом (который при напряжении 16 В дает ток 2А).

Допуск на значение выходного напряжений и тока складывается из аппаратной погрешности АЦП микроконтроллера, коэффициента усиления ОУ, точности других элементов, применяемых для измерений напряжения и тока,  а также допустимой амплитуды пульсаций.

Мгновенные значения токов и напряжений могут колебаться в широких пределах, чтобы увеличить точность будем вычислять среднее значение за 0.1 с., тогда можно не учитывать пульсации. В таком случае значения токов и напряжений составят:

Номер режима

Iвых, А

Uвых, В

Iвых, А

min

max

min

max

min

max

1

3,42

0,9

1,1

0,115

0,135

2

3,42

15,9

16,1

1,99

2,01

3

3,42

0,3

0,5

0,04

0,06

4

2,25

0,9

1,1

0,115

0,135

5

2,25

15,9

16,1

1,99

2,01

6

2,25

0,3

0,5

0,04

0,06

Таблица 7. Значения токов и напряжений.

  1.  Состав стенда контроля

В состав стенда контроля входят:

  1.  Устройство управления — управляет процессом контроля, выполняя алгоритм контроля.  Детектирует начало процедуры контроля, переключает режимы, сверяет полученные значения с допустимыми.
  2.  Источник питания — выдает регулируемое напряжение питания испытуемого устройства.
  3.  Датчики тока (2 шт.) — измеряют ток, протекающий через нагрузку и ток, потребляемый зарядным устройством.
  4.  Устройство индикации — производит отображение режима и результатов контроля.

Структурная схема устройства контроля представлена в приложении 7.

  1.  Алгоритм работы устройства контроля

Ниже описан алгоритм работы устройства контроля:

  1.  На блок питания подается команда установить напряжение в 12 В.
  2.  Каждые 0,1 с. измеряется напряжение нагрузки, если оно равно 5±0,5 В, запускается детектирование стартовой последовательности.
  3.  Стартовая последовательность детектируется измерением напряжений нагрузки 0 В, 5 В, 0 В через 1 с., 2 с., 3 с. соответственно. Если последовательность обнаружить не удалось, происходит возврат к пункту 2.
  4.  На блок питания подается команда установить напряжение согласно текущему режиму, начиная с 1-го.
  5.  Далее происходит пауза в 1 с. для выхода контролируемого устройства на режим.
  6.  Затем происходит контроль выходных параметров зарядного устройства согласно текущему режиму. При несоответствии полученных данных допустимым, на устройство индикации выводится ошибка и работа заканчивается.
  7.  Происходит пауза в 1 с.
  8.  Далее проверяется, остались ли еще непройденные режимы, и, в случае положительного ответа, происходит контроль следующего режима согласно пунктам 4—8.
  9.  После проверки всех режимов и соответствии полученных данных допустимым зарядное устройство считается работоспособным.

Рис. 69. Блок-схема алгоритма контроля.


  1.  Экономическая часть
    1.  Обоснование целесообразности разработки и определение технической прогрессивности зарядного устройства

В данном дипломном проекте разрабатывается зарядное устройство для бытовых аккумуляторов. В специальной части дипломного проекта разрабатывается принципиальная электрическая схема, печатная плата, корпус изделия, а также методика испытания этого устройства.

Разработанное зарядное устройство применяется для заряда, разряда и тренировки бытовых аккумуляторных батарей напряжением до 16 Вольт в бытовых условиях.

На данный момент существуют зарядные устройства, позволяющие выполнять те же функции, что и у разрабатываемого изделия, и обладают примерно теми же характеристиками. Разработанное устройство имеет несколько преимуществ: его стоимость минимум вдвое ниже аналога, обладающего такими же характеристиками, что и разработанное устройство, оно проще в изготовлении, содержит меньше компонентов, имеет электробезопасный корпус.

В качестве сравнительного аналога разрабатываемого устройства рассмотрим описанное в п. 3.2 зарядное устройство AP6BLC.

В таблице 8. представлены функционально-технические характеристики разрабатываемой техники и её аналога.

Функционально-техническая характеристика

Единица измерения

Уровень функционально-технических характеристик

Значимость

характеристики  качества изделия

Аналог

Проектируемая техника

Максимальное  напряжение заряжаемой батареи

В

20

16

0,1

Максимальный ток заряда

А

5

2

0,1

Потребляемая мощность

Вт

150

48

0,1

Электробезопасность корпуса

нет

есть

0,1

Масса

г.

600

300

0,15

Время заряда Li-ion аккумулятора 2,1А*ч 4,2В

мин.

110

120

0,15

Время заряда Ni-Mh аккумулятора  1,2А*ч 8,4В

мин.

90

81

0,15

Время заряда VRLA

аккумулятора 1,5А*ч 6В

мин.

600

580

0,15

Таблица 8. Функционально-технические характеристики.

При разработке нового изделия важную роль играют функционально-технические характеристики разработки, которые влияют на качество. Рассчитаем индекс технического уровня разрабатываемой техники.

Индекс технического уровня проектируемого изделия рассчитывается по формуле :

                                  ;                 

где

 — уровень i-ой функционально-технической характеристики соответственно нового (проектируемого) и базового изделий;
 — значимость i-ой функционально-технической характеристики качества изделия;
— количество рассматриваемых функционально-технических характеристик.

Индекс технического уровня КД:

Технический уровень проектируемого изделия рассчитывается по формуле :

                          ;                 

Где

— коэффициент, соответствующий прочей комплектующей технике, равный 0,15.

Следовательно, технический уровень проектируемого изделия будет равен:

.

На основании проведённых расчётов можно сделать вывод, что разрабатываемое изделие превосходит свой аналог в 1,49 раза.

  1.  Определение показателей экономического обоснования проектируемого изделия

Затраты на проектирование и опытного производства новой техники определяются по данным базы преддипломной практики по следующим статьям расходов:

  •  основные материалы;
  •  комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты;
  •  затраты на специальное оборудование;
  •  заработная плата разработчиков и рабочих, занятых при изготовлении опытного образца;
  •  выплаты по единому социальному налогу;
  •  контрагентские расходы;
  •  цеховые (лабораторные) расходы;
  •  общезаводские (общеинститутские) расходы;
  •  страховые социальные расходы на производственный травматизм (0,2-8,5% от ЗП);
  •  прочие расходы.

Основные материалы

Для изготовления проектируемой изделия необходимы  материалы, расход которых определяется конструкцией и опытным путем, стоимость рассчитывается по прайс-листам. К основным материалам относятся припой ПОС-61, флюс, на сумму 60 руб.

Комплектующие  изделия и покупные полуфабрикаты

В таблице  9. представлены стоимость изделий и полуфабрикатов, необходимые для сборки одного устройства.

Наименование

Сумма, руб.

Электропровода

12

Стеклотекстолит фольгированный

40

Корпус

120

Радиоэлементы

500

Дисплей

200

Кнопки

60

Разъёмы

40

Итого:

972

Таблица 9.  Стоимости изделий и полуфабрикатов.

Затраты на специальное оборудование

К затратам на специальное оборудование можно отнести затраты на покупку паяльных станций, необходимых для монтажа элементов на печатные платы.

Для монтажа элементов выбраны паяльные станции Welleman WMD3, стоимость одной составляет 6413 руб.

Общая стоимость паяльных станций в количестве 2 шт.: 12826 руб.

Заработная плата разработчиков и рабочих

Заработная плата разработчиков новой техники и рабочих определяется с учётом выполнения работ всех стадий создания новой техники:

  1.  получение технического задания (ТЗ);
  2.  эскизное проектирование;
  3.  разработка схем, конструкций новой техники, их утверждение;
  4.  изготовление блоков устройств проектируемой техники;
  5.  контрольно-испытательные работы;
  6.  оформление и корректировка технической документации.

Дневные (месячные, часовые) ставки определяются на основе должностных окладов работников и разрядов работ.

Заработная плата рассчитывается по формуле:

                                  ,                     

где
— количество этапов;
— трудоёмкость этапа;
— средняя часовая тарифная ставка оплаты работы
i-ого этапа.

Результаты расчета заработной платы представлены в таблице 10.


Стадия

(этап)

Трудоёмкость стадии, чел/дн.

Исполнители

Дневная ставка,

, руб.

Средняя дневная  ставка,

, руб.

Заработная плата,

, руб.

Заработная плата с учетом премии*,

, руб.

Должность

Численность

1. Проработка ТЗ

4

Ведущий инженер

1

1200

1040

4160

5200

Инженер-разработчик I категории

1

1120

Маркетолог

1

800

2. Техническое предложение

4

Инженер-разработчик I категории

1

1120

1036

4144

5180

Инженер-разработчик II категории

1

952

3. Эскизное проектирование

8

Инженер-конструктор I категории

1

1120

957,4

7658,7

9573,4

Инженер-разработчик II категории

1

952

Инженер-технолог II категории

1

800

4. Технический проект

12

Инженер-технолог I категории

1

1024

1072

12864

16080

Инженер-конструктор I категории

1

1120

5. Разработка рабочей документации

14

Инженер-разработчик III категории

1

760

760

10640

13300

6. Изготовление опытных образцов

6

Инженер-технолог II категории

1

872

690,7

4144

5180

Слесарь-монтажник 3 разряда

1

560

Фрезеровщик

1

640

7. Контрольно-испытательные работы

4

Ведущий инженер

1

1200

1064

4256

5320

Инженер-испытатель I категории

1

1120

Инженер-технолог II категории

1

872

8. Оформление и корректировка технической документации

6

Ведущий инженер

1

1200

1090,7

6544

8180

Инженер-конструктор I категории

1

1120

Инженер-разработчик II категории

1

952

                       ИТОГО:

68013,4

Таблица 10. Расчет заработной платы.


Выплаты по единому социальному налогу

Выплаты по единому социальному налогу (ЕСН) на 2009 год составляют-  26% от фонда оплаты труда (ФОТ). Следовательно, выплаты по ЕСН:

Накладные расходы

Расходы, связанные с управлением, покупкой расходных материалов, обслуживанием и коммунальными услугами, работами выполняемыми другими организациями, составляют -130% от заработной платы:

Страховые социальные расходы на производственный травматизм

Расходы на производственный травматизм составляют- 5% от ФОТ:

Прочие расходы

Прочие расходы составляют приблизительно- 7% от ФОТ:

На основании проведенных выше расчетов получаем смету на разработку и изготовление опытного образца, которая будет иметь следующий вид (таблица 11.).

п/п

Наименование

Сумма, руб.

Удельный вес, %

1

Основные материалы

60

0,03

2

Комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты

972

0.5

3

Затраты на специальное оборудование

12826

6.54

4

Заработанная плата разработчиков и рабочих

68013.4

34.68

5

Выплаты по единому социальному налогу

17683.48

9.02

6

Накладные расходы

88417.42

45.08

7

Страховые социальные расходы на травматизм

3400.67

1.73

8

Прочие расходы

4760.94

2.42

Итого :

196133.91

100

Таблица 11. Смета на разработку и изготовление опытного образца.

Удельные затраты на производство новой техники рассчитываются по формуле:

                          ,                            

где N — годовой объём производства проектируемого изделия, шт.

Удельные затраты составляют:

Себестоимость проектируемой техники определяется ориентировочно удельным методом:

                         ,                           

где
— стоимость покупных комплектующих и полуфабрикатов;
— удельный вес стоимости покупных комплектующих и полуфабрикатов в себестоимости изделия в %;

Годовые эксплуатационные расходы учитывают лишь те издержки, которые претерпевают изменения при их сопоставлении со сравнительными изделиями.

Рассмотрены следующие издержки:

  •  амортизационные отчисления;
  •  расходы на текущий ремонт техники.

Амортизационные отчисления вычисляются по формуле:

                                ,                             

где
— срок службы техники;
— примерная цена новой техники, которая вычисляется по формуле :

                             ,                        

где
— коэффициент  средней нормативной рентабельности;

Следовательно:

Расходы на текущий ремонт техники рассчитываются по формуле :

                               ,                               

где
— норматив расхода средств на ремонт в процентах от оптовой цены (равен 5%);

Результаты расчётов сведены в таблицу 12.

п/п

Наименование статей затрат

Сумма затрат, руб.

аналог

проектируемое

устройство

1

Амортизационные отчисления

900

388.8

2

Расходы на ремонт

225

97.2

Итого:

Таблица 12. Затраты на амортизацию и ремонт.

  1.  Отпускная цена и экономическая эффективность проектируемой техники, имеющей аналог

Экономическая эффективность проектируемой техники характеризуется эффективностью капитальных вложений в эту технику. При этом учитывается её технический уровень, экономичность технической эксплуатации и технико-экономическая прогрессивность.

Экономичность технической эксплуатации определяется по формуле:

                               ,                           

где
— годовые эксплуатационные расходы по базовой и проектируемой технике.
.

Уровень технико-экономической прогрессивности техники:

                    .             

Далее необходимо определить экономический эффект от использования новой техники по формуле:

                      ;                            

                   

Отпускная цена рассчитывается по формуле:

                        ,                       

где
— цена базовой техники, применяемой в качестве аналога для расчета отпускной цены;
— доля полезного эффекта, учитываемая в цене на новую технику, равная 0,7.

Уровень экономической эффективности новой техники с учётом производственных затрат и объёма производства рассчитывается по формуле:

                              ;                          

.

Срок окупаемости новой техники рассчитывается по формуле:

                                                                     

года.

Полученное значение экономической эффективности нового устройства соответствует нормативному, что говорит о целесообразности организации производства разработанного контроллера датчиков.

  1.  Календарное планирование и построение директивного графика

Календарное планирование работ по проектированию и изготовлению опытного образца устройства осуществляется по директивному графику на основе данных о трудоёмкости работ. Окончательно структуру трудоемкости отдельных этапов определяют, используя данные о видах работ, подлежащих выполнению. Результаты приведены в таблице 13.

Время производственного цикла каждой стадии рассчитывается по формуле:

                             ,                  

где
— трудоёмкость этапа (стадии), чел.-ч.;
— продолжительность рабочего дня, ч (9 часов);
— количество работников, одновременно участвующих в выполнении работ, чел.

Подставляя численные данные, получим производственный цикл для каждого этапа. Пересчет длительности производственного цикла в календарные дни осуществляется умножением на коэффициент 1.4. Полученные данные приведены в  таблице 13.

Календарный план работ выполняют с учётом максимально возможной параллельности работ.

На основе таблицы 13.  строится директивный график (рис. 70.)

Наименование стадий (этапов, видов работ)

Удельный вес, %

Трудоёмкость этапа, чел·ч

Количество исполнителей

Длительность этапа (календарные дни)

1. Проработка ТЗ

6,9

36

3

1,86

2. Техническое предложение

6,9

36

2

2,8

3. Эскизное проектирование

13,8

72

3

3,73

4. Технический проект

20,7

108

2

8,4

5. Разработка рабочей документации

24,1

126

1

19,6

6. Изготовление опытных образцов

10,3

54

3

2,8

7. Контрольно-испытательные работы

6,9

36

3

1,86

8. Оформление и корректировка технической документации

10,3

54

3

2,8

Итого:

100

522

43,8

Таблица 13. Календарный план работ.


Рис. 70. Директивный график.

  1.  Выводы

Проведенный экономический расчет показал, что разработка  зарядного устройства экономически целесообразна, при меньшей мощности оно дает примерно то же время заряда аккумуляторов и больший уровень электрозащищенности по сравнению с аналогом. Полезный экономический эффект от внедрения нового устройства составляет 1190,25 руб. в год, а уровень экономической эффективности — 0,22, что позволяет достичь окупаемости изделия через 4,5 года.


  1.  Охрана труда и окружающей среды

В данном дипломном проекте разрабатывается одноканальное зарядное устройство с внешним блоком питания для бытовых аккумуляторов.

Производство печатных плат проходит в цехе размерами 6×6 м с высотой потолков 3 м объемом 108 м3, в помещении 1 рабочее место, постоянно работает 1 человек. В помещении расположен сверлильно-фрезерный станок СМ-600 фирмы INEX, стол со стеклотекстолитовыми заготовками для фрезеровки, шкафчики рабочих.

Производство печатных плат для зарядного устройства состоит из следующих операций:

  •  раскрое фольгированного стеклотекстолита на заготовки;
  •  предварительной фрезеровке и сверлении заготовки;
  •  механической постообработке;
  •  изготовлении фоторезистной маски;
  •  формировании проводников;
  •  нанесении защитной маски;
  •  контроле качества печатной платы.

В рассматриваемом помещении выполняется фрезеровка и сверление заготовок на станке СМ-600. За станком работает один рабочий, который устанавливает заготовку в станок, ориентируя ее по направляющим, запускает процедуру обработки, затем извлекает заготовку,  отряхивает и направляет на дальнейшее производство.

Станок СМ-600 работает от трехфазного питания 380 В, имеет габариты 3×2,5 м и мощность 2 кВт. Станок управляется контрольной ЭВМ типа IBM PC (напряжение питания 220 В, мощность 300 Вт).

Для защиты от опилок, получаемых в процессе сверления заготовок, предусмотрена защитная крышка, закрывающая рабочую область станка. В нижней части станка расположен лоток для сбора опилок, который периодически очищается. Каждая полученная заготовка отряхивается рабочим в специальное ведро для опилок. Размеры опилок 0,1—1 мм, взвесь опилок в воздухе отсутствует.

  1.  Анализ условий труда

Санитарно-гигиенические факторы

Микроклимат

Классифицируем проводимые работы согласно ГОСТ 12.1.005-88. Исходя из описанной процедуры работы, объёма операций, которые должен выполнять рабочий, можно предположить, что интенсивность энергозатрат организма человека соответствует категории Iб, то есть такая деятельность предполагает работы, производимые стоя, сидя, связанные с ходьбой или с некоторыми физическими напряжениями. Интенсивность энергозатрат лежит в диапазоне 121-150 ккал/ч (140-174 Вт).

Оптимальные величины показателей микроклимата на рабочих местах, соответствующие требованиям ГОСТ 12.1.005-88, приведены в таблице 14.

Показатели

Период года

Оптимальная температура воздуха

Оптимальная относительная влажность воздуха

Оптимальная скорость движения воздуха

Холодный

2123 °С

60—40%

0,1 м/с

Теплый

2224 °С

60—40%

Таблица 14. Оптимальные величины показателей микроклимата на рабочих местах.

Обработка стеклотекстолитовой заготовки производится в закрытом отапливаемом помещении с температурой воздуха 20—23 °С, соответствующей  ГОСТ 12.1.005-88.

Система кондиционирования, которой оснащено рабочее помещение, поддерживает влажность воздуха 40—60% и скорость движения воздуха 0,1 м/с, соответствующую ГОСТ 12.1 005-88.

ГОСТ 12.1 005-88 также нормирует интенсивность теплового облучения в соответствии с которым тепловое облучение от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, и т. д. на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать 35 Вт/м² при облучении 50% поверхности тела и более, 70 Вт/м² при величине облучаемой поверхности от 25 до 50% и 100 Вт/м² при облучении не более 25% поверхности тела.

Шум

ГОСТ 12.1.003-88 ССБТ «Шум. Требования безопасности» устанавливает уровни звукового давления и эквивалентные уровни звука на рабочих местах производственных предприятий в зависимости от тяжести и напряженности труда в диапазоне частот 31,5-8000 Гц. ГОСТ 12.1.003-88 ССБ  устанавливает максимальный уровень шума для производственного помещения в  80 дБ∙А.

Источником шума в цехе является сверлильно-фрезерный станок СМ-600. Уровень шума в цехе составляет 85 дБ∙А и не отвечает требованиям ГОСТ 12.1.003-88 ССБТ. Для защиты от шума в рассматриевом помещении применяется звукоизоляция.

Вибрация

Согласно СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий» вибрацию, передающуюся рабочему нашего цеха, можно квалифицировать по способу передачи как общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека.

По источнику возникновения вибрацию можно классифицировать как общую вибрацию 3 категории — технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации, подтипа “а” — вибрации на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий.

По характеру спектра вибрация широкополосная (с непрерывным спектром шириной более одной октавы).

По частотному составу вибрация среднечастотные (8—16 Гц для общих вибраций, 31,5—63 Гц для локальных вибраций);

Предельно допустимые значения вибрации рабочих мест категории 3 технологического типа "а" приведены в таблице 15.

Среднегеометрические частоты полос, Гц

Предельно допустимые значения по осям  

виброускорения

виброскорости

м/с

дБ

м/c·10

дБ

1/3 окт

1/1 окт

1/3 окт

1/1 окт

1/3 окт

1/1 окт

1/3 окт

1/1 окт

1,6

0,089

 

99

 

0,89

 

105

 

2,0

0,079

0,14

98

103

0,63

1,30

102

108

2,5

0,070

 

97

 

0,45

 

99

 

3,15

0,063

 

96

 

0,32

 

96

 

4,0

0,056

0,10

95

100

0,22

0,45

93

99

5,0

0,056

 

95

 

0,18

 

91

 

6,3

0,056

 

95

 

0,14

 

89

 

8,0

0,056

0,10

95

100

0,11

0,22

87

93

10,0

0,070

 

97

 

0,11

 

87

 

12,5

0,089

 

99

 

0,11

 

87

 

16,0

0,110

0,20

101

106

0,11

0,20

87

92

20,0

0,140

 

103

 

0,11

 

87

 

25,0

0,180

 

105

 

0,11

 

87

 

31,5

0,220

0,40

107

112

0,11

0,20

87

92

40,0

0,280

 

109

 

0,11

 

87

 

50,0

0,350

 

111

 

0,11

 

87

 

63,0

0,450

0,79

113

118

0,11

0,20

87

92

80,0

0,560

 

115

 

0,11

 

87

 

Корректированные и эквивалентные корректированные значения и их уровни

 

0,10

 

100

 

0,20

 

92

Таблица 15. Предельно допустимые значения вибрации рабочих мест.

На рабочем месте оператора станка СМ-600 значения виброскорости и виброускорения для частоты 10 Гц 1/3 октавы 82 дБ и 80 дБ соответственно, а для частоты 80 Гц 1/3 октавы 85 дБ и 82 дБ, что удовлетворяет требованиям СН 2.2.4/2.1.8.566-96.

Производственное освещение

Безопасность здоровья людей в таких условиях, а также эффективное выполнение испытательных работ во многом определяются освещенностью рабочих мест. Нормы освещенности регламентируются СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования» и определяются разрядом зрительной работы, коэффициентом отражения фона и контрастом объекта различения с фоном.

Зрительные работы классифицируются по девяти разрядам. Первые шесть разрядов определяются размером объекта различения (от I (размер объекта различения не менее 0.15 мм) до VI (размер объекта различения более 5 мм)), последующие три разряда – VII, VIII, IX – не учитывают размеры объекта различения, поскольку к ним относятся работы, требующие только общего наблюдения за ходом процесса, а также работы с самосветящимися объектами.

Рабочие поверхности, являющиеся фоном, на котором объект зрительно обнаруживается и распознается, классифицируются по коэффициенту их отражения на три группы: темные (коэффициент отражения менее 0.2), средние (коэффициент отражения от 0.2 до 0.4) и светлые (коэффициент отражения более 0.4). Контраст — К объекта наблюдения с фоном считается малым при К<0.2, средним при 0.2≤К≤0.5 и большим при К>0.5.

В нашем случае рабочему нужно совмещать заготовку в соответствии с направляющими, на которых нанесена миллиметровая шкала, разряд зрительной работы классифицируем как IV (размер объекта различения от 0,5 мм до 1 мм), фон различения средней светлости, контраст объекта с фоном средний. Для такого класса работы освещенность должна быть 400 ЛК. Для удовлетворения требованиям СНиП 23-05-95 рабочее место у станка оснащено лампами дневного света с улучшенной цветопередачей. Кроме искусственного света, рабочие места освещаются естественным светом через окна. Освещенность рабочего места составляет 500 ЛК, что  удовлетворяет требованиям СНиП 23-05-95.

Эргономические факторы

Рабочий большую часть времени находится в стоячем положении, в процессе работы нажимает кнопки, расположенные на верхней панели станка под углом 45 градусов относительно основания. Коробки с заготовками лежат на столе высотой 80 см, стол расположен в непосредственной близости к станку. Для отдыха рабочего предусмотрен стул со спинкой и регулировкой высоты. Размер рабочего пространства 2×3 м.

Организация рабочих мест удовлетворяет ГОСТ 12.2.033-78.

Для облегчения переноски материалов предприятие имеет специальные складские помещения, оснащенные стеллажами и подъемно-транспортными средствами.

Производство имеет также бытовые помещения: раздевалку и душевую.

Психофизиологические факторы

Оценим оценки условий труда по показателям тяжести трудового процесса согласно Р 2.2.2006–05.

Показатели

Факт, значения

Класс

1

2

3

4

1

Физическая динамическая нагрузка (кг×м): региональная — перемещение груза до 1 м общая нагрузка: перемещение груза

30

1

1.1

от 1 до 5 м

-

1.2

более 5 м

-

2

Масса поднимаемого и перемещаемого вручную груза (кг):

2.1

при чередовании с другой работой

-

1

2.2

постоянно в течение смены

0,15 

1

2.3

суммарная масса за каждый час смены:

с рабочей поверхности

4,28

1 

с пола

-

1

3

Стереотипные рабочие движения (кол-во):

3.1

локальная нагрузка

-

1

3.2

региональная нагрузка

2000

1 

4

Статическая нагрузка (кгс • с)

4.1

одной рукой

-

1

4.2

двумя руками

-

1

4.3

с участием корпуса и ног

1500

1

5

Рабочая поза

стоя 60 %

2 

6

Наклоны корпуса (количество за смену)

4

1 

7

Перемещение в пространстве (км):

7.1

по горизонтали 

1

1

7.2

по вертикали

-

1

Окончательная оценка тяжести труда

2 

Таблица 16. Оценка условий труда по показателям тяжести трудового процесса.

Оценим условия труда по показателям тяжести трудового процесса.

Показатели

Класс условий труда

1

2

3

4

5

6

1

2

3.1

3.2

3.3

1 . Интеллектуальные нагрузки

1.1

Содержание работы

+

1.2

Восприятие сигналов и их оценка

+

1.3

Распределение функции по степени сложности задания

+

1.4

Характер выполняемой работы

+

2. Сенсорные нагрузки

2.1

Длительность сосредоточенного наблюдения

+

2.2

Плотность сигналов за 1 час работы

+

2.3

Число объектов одновременного наблюдения

+

2.4

Размер объекта различения при длительности сосредоточенного внимания

+

2.5

Работа с оптическими приборами при длительности сосредоточенного наблюдения

+

2.6

Наблюдение за экраном видеотерминала

+

2.7

Нагрузка на слуховой анализатор

+

2.8

Нагрузка на голосовой аппарат

+

3. Эмоциональные нагрузки

3.1

Степень ответственности за результат собственной деятельности. Значимость ошибки.

+

3.2

Степень риска для собственной жизни

+

3.3

Ответственность за безопасность других лиц

+

3.4

Количество конфликтных производственных ситуаций за смену

+

4. Монотонность нагрузок 

4.1

Число элементов, необходимых для реализации простого задания или многократно повторяющихся операций 

+

4.2

Продолжительность выполнения простых заданий или повторяющихся операций 

+

4.3

Время активных действий 

+

4.4

Монотонность производственной обстановки 

+

5. Режим работы 

5.1

Фактическая продолжительность рабочего дня 

+

5.2

Сменность работы 

+

5.3

Наличие регламентированных перерывов и их продолжительность 

+

Количество показателей в каждом классе 

14 

8