Realizarea Unui Incarcator de Acumulatoridocx

=== Realizarea unui incarcator de acumulatori ===

Universitatea „Politehnica” din București

Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației

Sistem de încărcare a acumulatorilor

cu ajutorul panoului fotovoltaic

Proiect de diplomă

Prezentat ca cerință parțială pentru obținerea titlului de

Inginer în domeniul Electronică și Telecomuncații

programul de studii Electronică Aplicată

Conducător științific Absolvent

Conf.Univ.Dr. Gabriel Corneliu PRODAN Ionuț Cristian LUCA

Introducere

Bateria este folosită ca și sursă de energie pentru diferite aparate pe care le deținem, reprezentând o formă de înmagazinare a energiei electrice.

După cum știm, depozitarea bateriilor în locuri necorespunzătoare poate afecta grav mediul înconjurător și implicit sănătatea oamenilor. Există o soluție pentru a salva natura și anume folosirea bateriilor reîncărcabile chiar dacă nu au o durabilitate nedetrimnata pot fi o soluție pentru întreaga lumea ținând cont ca doar în România sunt puse pe piață în fiecare an peste 40 de milioane de baterii. Din cauza faptului ca nu avem un sistem de colectare a bateriilor bine organizat, cele mai multe dintre ele ajung să fie arse împreună cu alte deșeuri, aruncând în aer cantități impresionante de substanțe toxice ceea ce pot avea efecte dăunătoare.

Un prim motiv pentru care trebuie folosite bateriile reîncarcabile este acela că protejăm mediul înconjurător și implicit pe noi înșine de substanțele nocive pe care le elimină bateriile normale uzate cum ar cadmiul, plumbul, mercurul și benzenul.

Un alt motiv este faptul că într-un interval de timp putem sa economisim si bani deoarece putem folosi un acumulator reîncărcabil de aproximativ 500 de ori, decât sa cumpărăm 500 de baterii.

În acest proiect vom folosi baterii reîncărcabile de tip NiMH (Nichel-Metal Hibride) care înlocuiesc bateriile Nichel-Cadmiu cu un aliaj care face ca, în acelasi spațiu, să stocheze cu 40% mai multă energie. Problema reîncărcării înainte de descărcare completă nu mai este atât de acută ca în cazul bateriilor Nichel-Cadmiu, deși nu este dispărută complet.

Bateriile reîncărcabile NiCads (Nichel-Cadmiu) la care se face referire mai sus, au o mare problemă denumită efectul memoriei: se referă la situația în care anumiți acumulatori iși pierd treptat capacitatea maximă de a stoca energie electrică dacă sunt reîncărcate în mod repetat înainte de a fi complet descărcate. De asemenea se vor descărca complet dacă stau nefolosite timp de aproximativ 90 de zile.

Capacitatea unei baterii NiMH reprezintă de aproximativ două ori capacitatea omologului său NiCads.

Datorită faptului că suntem într-o perioadă în care trebuie să reducem pe cât posibil efectul de încălzire globală ajutând mediul înconjurător pe cât posibil, mi-am propus înființarea unui sistem de reîncârcare a bateriilor cu ajutorul panourilor fotovoltaice, astfel ajutând mediul prin economisirea energiei electrice produse de centrale și prin nepoluarea cu substanțele nocive care se află în componența bateriei.

Celulele solare erau folosite înainte cel mai adesea pentru alimentarea, fără baterii electrice, a calculatoarelor de buzunar și a ceasurilor. Dezvoltarea acestor celule solare a dus la obținerea unei eficiențe de 20%a panourilor fotovoltaice în prezent, având în vedere ca primele celule solare fabricate în anul 1950 aveau o eficiență de doar 4%.

CAPITOLUL I: Descrierea pieselor folosite in montajul practic

1.1.Senzori

.1.Generalități.

Un senzor este de fapt un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau cantitativ prin mărimi proprii măsurabile, la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Această componentă poate măsura/detecta presiunea, umiditatea, temperatura, câmpul magnetic, accelerația, forța ș.a.

În prima parte a anului 1970, senzorii purtau denumirea de traductor sau detector.

Termenul de senzor provine din limba latină sensus= simț.

Acest dispoziti măsoară o cantitate fizică și o convertește într-un semnal care poate fi citit de către un operator cu ajutorul unui instrument sau poate fi prelucrat.

Una dintre clasificările senzorilor se referă la tipul acestora:

1.Senzor activ: consumator de energie. (radarul)

2.Senzor pasiv: fotorezistența cu care se poate măsura intensitatea luminii incidente.

Reglarea sistemelor tehnice automate se face prin captarea de informație calitativă sau cantitativă cu ajutorul acestor senzori.

Deoarece există o diversitate a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice, au luat naștere o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor fiind folosiți în cât mai multe circuite electrice, mai ales in construcția roboților.

Unul din criteriile de clasificare a senzorilor este după mărimea de intrare:

-senzori pentru mărimi mecanice;

-senzori pentru mărimi geometrice;

-senzori de temperatură;

-senzori pentru mărimi fotometrice;

-senzori pentru mărimi de material; (densitate, indice de refracție)

-senzori pentru compoziție și concentrație;

-senzori pentru radiații;

1.1.2. Senzorul de temperatură.

Unul dintre cele mai uzuale procese de măsurare îl reprezintă măsurarea temperaturii. Cel mai des și cel mai simplu fenomen folosit în măsurarea temperaturii, este dilatarea termică.

Pentru măsurarea unei temperaturi, senzorul este introdus într-un obiect sau plasat pe suprafața obiectului, unde va exista un transfer de căldură între sondă și obiect. Senzorul se va incălzi sau se va răci și va transmite un semnal mai departe pentru a arăta diferența de temeperatură depistată.

Indiferent cât de mic este un senzor, acesta va perturba rezultatele măsurătorii aceasta fiind o problemă majoră în a minimza erorile introduse de senzor și în a adopta o metodă optimă de măsurare.

Procesarea semnalului în măsurătorile de temperatură se fac folosind doua metode:

-metoda echilibrării, unde temperatura se va măsura in momentul în care nu mai există gradient de temperatură între senzor și obiect;

-metoda predictiva, unde punctul de echilibru nu este atins niciodată, ci este determinat din viteza de schimbare a temperaturii senzorului.

Pentru realizarea încărcătorului de acumulatori cu panouri solare, vom folosi un senzor de temperatură fabricat de către Texas Instruments și care poartă denumirea de Senzorul de temperatură LM 35.

In următorul paragraf va voi prezenta o scurtă prezentare a acestui senzor de temperatură de mare precizie.

1.1.3. Senzorul de temperatură LM 35.

Senzorul LM 35 este un circuit de prezicie, a cărui tensiune de ieșire este direct proporțională cu temperatura măsurată in grade Celsius.

1.1.1 Reprezentarea unui senzor de temperatură LM 35 și descrierea pinilor săi. (sursa 4)

Acest senzor are avantajul față de alți senzori liniari calibrați în grade Kelvin, deoarece utilizatorul nu mai este nevoit sa folosească constante pentru a obține o scalare convenabilă in grade Celsius.

1.1.2.Reprezentarea grafica a senzorului LM35 in programele de simulare.

LM 35 nu necesită calibrare externă pentru a furniza o precizie de ± 0.25 ºC la temperatura de 25 ºC și de ± 0.75 ºC pe tot domeniul de temperatură. Impedanța de ieșire scăzută, ieșirea liniară și calibrarea internă face din LM 35 un circuit ușor de interfatat cu alte circuite de citire sau de control.

Acesta poate fi alimentat la surse de tensiune monoalternanță, sau la surse de tensiune dubla-alternanța. Consumul de curent foarte scăzut al lui LM 35 este de 60 µA și atrage după sine o auto-încălzire de mai puțin de 0,1 ºC in aer.

1.1.4. Caracteristici.

*Calibrare directă în grade Celsius (ºC)

*Precizie garantată de 0,5 ºC la ± 25 ºC

*Gama de măsurare de la -55 º la +150 ºC

*Potrivit pentru aplicațiile de la distanță

*Tensiune de alimentare de la 4V la 30V

*Consumul de curent este de 60 µA

*Auto-încalzire în timpul funcționării de 0,08 ºC (capsula aflată in exterior)

*Impedanța de ieșire scăzută, 0,1 Ohm pentru o sarcină de 1 mA.

1.2.Microcontroller-ul

1.2.1.Scurt istoric al microcontrollerului.

Un controller reprezintă un sistem folosit pentru a comanda și a prelua stări de la un proces sau un aspect al mediului înconjurător. La început un controller era un echipament de mari dimensiuni, marimea controller-ului reducându-se datorită apariției microprocesoarelor.Astfel a luat naștere un calculator pe un singur chip specializat pentru implementarea operațiilor de control.

Un microcontroller esre un circuit realizat pe un singur chip care conține următoarele elemente:

Unitatea centrală;

Generatorul de tact; (căruia i se adaugă din exterior un cristal de cuarț sau un circuit RC)

Memoria volatilă (RAM);

Memoria nevolatilă (ROM/PROM/EPROM/EEPROM);

Dizpozitive I/O seriale și paralele;

Controller de întreruperi, controller DMS, numărătoare/temporizatoare, convertoare A/D și D/A etc;

Periferice;

Microcontroller-ul are un preț redus datorită faptului că se fabrică in cantitați mari, acest preț aducând cu sine și micșorarea prețului sistemelor de control.

Diferența dinre microprocesor și unitatea centrală a microcontroller-ului se atenuează în timp. Astfel, marii constructori de procesoare au realizat niște circuite care s-ar putea numi super microcontroller-e, deoarece reprezintă microcalculatoare pe un singur chip.

Importanța microcontroller-ului este dovedită incontestabil de piața care este în continuă creștere.

Principalii producători de microprocesoare sunt: Intel, AMD, Motorola,Microchip, IBM, TI, Cyrix, Hitachi, NEC, LSI Logic și IDT. Dintre toți acești principali producători de microprocesoare, la începuturile producției, cifrele de afaceri cele mai mari le aparțineau celor de la Intel care au fost lideri incontestabili pe piața. În prezent cei de la Intel se clasează la mijlocul clasamentului luând în calcul cifra de afaceri a celor mai mari producători.

Un microcontroller poate fi definit ca un sistem de calcul complet pe un singur chip. Acesta poate fi privit ca un microprocesor care pe același chip mai conține memorie și o serie de interfețe. Natura si complexitatea aplicației în care este folosit microcontroller-ul determină performanțele unității centrale, capacitatea de memorie și tipul interfețelor ce compun structura internă a microcontroller-ului.

1.2.2. Schema Bloc a unui microcontroller.

In urmatorea figură vom reprezenta schema bloc generală a unui microcontroller.

1.2.1. Schema bloc generală a unui microcontroller

Pentru intrări se folosesc de regulă semnale care provin de la comutatoarele individuale sau de la traductoare (de presiune, foto, specializate, de temperatură). Intrările pot fi analogice sau digitale.

Intrările digitale vehiculează informații exprimabile prin funcții continue de timp. Pentru a putea microcontroller-ul sa ”citească” aceste informații va trebuii să fie prezente anumite circuite capabile sa prelucreze aceste informații, acestea fiind comparatoare analogice sau convertoare analog-numerice, ale căror ieșiri sunt citite de către microcontroller.

Ieșirile pot fi atat analogice cat si digitale, acestea comandând dispozitive de afișare, relee, motoare, difuzoare etc.

O primă diferență față de calculatoarele personale este aceea că microcontrollerul comandă un proces, acesta neputând funcționa fără program/ programe, care se stochează în memoria proprie a microcontroller-ului.

Microcontroller-ul poate fi definit ca un sistem de calcul complet pe un singur chip care include o unitate centrală, memorie, oscilator pentru tact, și dispozitive I/O. Acesta poate fi privit ca un microprocesor care pe același chip mai conține in plus memorie și o serie de interfețe. Natura și complexitatea aplicației în care este folosit microcontroller-ul determină performanțele unității centrale, capacitatea de memorie și tipul interfețelor ce compun structura internă a microcontroller-ului.

În figura urmatoare vom detalia structura unui microcontroller incluzând blocurile principale.

Fig.1.2.2 Schema bloc a unui microcontroller cu blocurile principale

1.2.3. Arhitectura unui microcontroller.

Acest aspect definește atributele sistemului așa cum sunt ele văzute de un programator în limbaj de asamblare. Deoarece un microcontroller este un caz particular de calculator, (calculator specializat pentru operații I/O, realizat pe un singur chip), acesta este compus din cele cinci elemente de bază: unitate de intrare, unitate de memorie, unitate aritmetică și logică, unitate de control și unitate de ieșire. Unitatea de control împreună cu unitatea aritmetică și logică compun împreună unitatea centrală de prelucrare pe care o vom referi în continuare prescurtat cu UCP. Unitățile de intrare și ieșire vor fi tratate împreună și vor fi referite prescurtat ca sistem I/O.

Blocurile componente ale MC sunt legate între ele printr-o magistrală internă (bus). Magistrala vehiculează semnale de adresă, de date și semnale de control. Mărimea acestor magistrale constituie una dintre caracteristicile cele mai importante ale unui MC. Prin magistrala de adrese unitatea centrală de prelucrare (UCP) selectează o locație de memorie sau un dispozitiv I/O, iar pe magistrala de date se face schimbul de informație între UCP și memorie sau dispozitivele I/O. Între UCP și memorie sunt transferate atât date cât și instrucțiuni. Acestea se pot transfera pe o singură magistrală de date sau pe magistrale de date diferite.

Arhitectura von Neumann prevede existența unui bus unic folosit pentru circulația datelor și a instrucțiunilor. Când un controller cu o astfel de arhitectură adresează memoria, bus-ul de date este folosit pentru a transfera întîi codul instrucțiunii, apoi pentru a transfera date. Accesul fiind realizat în 2 pași, este destul de lent.

Arhitectura Harvard prevede un bus separat pentru date și instrucțiuni. Când codul instrucțiunii se află pe bus-ul de instrucțiuni, pe bus-ul de date se află datele instrucțiunii anteriaore. Structura microcontroller-ului este mai complexă, dar performanțele de viteză sunt mai bune.

1.2.3. Arhitectura Harvard vs. Arhitectura von-Neumann. (6)

Din punct de vedere al magistralei interne, performanța unui microcontroller se poate aprecia după următoarele criterii:

Dimensiunea magistralei de date;

Dimensiunea masitralei de adrese;

Accesibilitatea în exterior la magistrale;

Magistrale accesibile multiplexat sau nemultiplexat.

1.2.4. Unitate centrală de prelucrare

Unitatea centrală de prelucrare este compusă din unitatea aritmetică și logică și din unitatea de control.

Unitatea aritmetică si logică este secțiunea responsabilă cu efectuarea operațiilor aritmetice și logice asupra operanzilor ce îi sunt furnizați. De asemena este foarte important timpul de execuțieal fiecărei operații pentru a aprecia dacă timpul necesar procesării complete satisface cerințele de timp ale aplicației.

Unitatea de control este responsabilă cu decodificarea codului operației conținut de codul unei instrucțiuni. Modul de implementare al acestui bloc este de asemena transparent utilizatorului.

Familiile de microcontroller-e folosesc seturi diferite de registre dar sunt și câteva comune:

A- accumulator- registrul acumulator.

PC- program counter- registrul numărător de program.

SP- stack pointer- registrul indicator de stivă.

Un aspect important ce se reflectă în arhitectura unui MC este modul de programare. Prin arhitectură înțelegem felul în care sunt dispuse "resursele" unui MC. Cu cât structura, funcționalitatea și accesul la acestea sunt mai profund standardizate și simetrizate, cu atât numărul de instrucțiuni de care dispune MC este mai redus și viteza de execuție a programelor crește.

Exista două tipuri de seturi de instrucțiuni pentru microcontroller-e:

Instrucțiuni de tip CISC- Complex Instruction Set Computer- un număr complex de instrucțiuni.

Instrucțiuni de tip RISC- Reduced Instruction Set Computer- un număr redus de instrucțiuni.

În prezent un MC este cu mai mult decât o arhitectură RISC, el este cu o arhitectură SISC (Specific ISC). Instrucțiunile sunt specifice pentru a lucra optim cu dispozitivele I/O, permit manipularea la nivel de bit și sunt mai puține instrucțiuni de uz general, așa cum întâlnim la microprocesoarele 8086, 68000 etc. În general MC cu arhitectură CISC dispun de un număr redus de registre. Acestea au funcții determinate (acumulator, registru index,etc), iar MC cu arhitectură RISC dispun de un număr mai mare de registre cu un mare grad de ortogonalitate ceea ce înseamnă că pot fi folosite simetric în orice mod de adresare.

1.2.5. Memoria

Microcontroller-ele folosesc diferite tipuri de informații, care sunt stocate în diferite tipuri de memorii. Instrucțiunile care controlează funcționarea microcontroller-ului trebuie stocate într-o memorie nevolatilă, unde informațiile de păstrează și după oprirea și repornirea sursei de alimentare.

Tipuri de memorii ale unui microcontroller:

Memoria RAM- Random Access Memory- este o memorie volatilă care poate fi citită sau scrisă de unitatea centrală. Pe chip, memoria RAM ocupă mult loc și implicit costurile de implementare sunt mari.

Memoria ROM- Read Only Memory- este cea mai ieftină și cea mai simplă memorie, folosindu-se la stocarea programelor în faza de fabricație.

Memoria PROM- Programmable Read Only Memory- este asemănătoare cu memoria ROM, dar ea poate fi programată de către utilizator.

Memoria EPROM- Erasable Programmable Read Only Memory- se poate șterge prin expunere la raze ultraviolete.

Memoria OTP- One Time Programmable PROM- este de fapt o memorie EPROM, dar chip-ul a fost capsulat într-o capsulă de material plastic, fără fereastră, care este mult mai ieftină.

Memoria EEPROM- Electrically Erasable Programmable Read Only Memory- poate fi ștearsă electric de către unitatea centrală, în timpul funcționării.

Memoria FLASH- poate fi ștearsă și reprogramată în sistemul în care este folosită, fără a fi necesar un sistem dedicat.

Tipul de memorie și capacitatea memoriei din echiparea unui MC sunt caracteristici particulare fiecărui tip de circuit. Printre alte diferențe, acești parametri sunt diferiți pentru membrii unei aceleiași familii de MC.

1.2.6. Dispozitive I/O

Dispozitivele I/O reprezintă un aspect de mare interes atunci când este vorba de microcontroller-e, interes rezultat din însăși particularitatea unui MC: aceea de a interacționa cu mediul în procesul de control pe care îl conduce.

Dispozitivele I/O implementează funcții speciale degrevând unitatea centrală de toate aspectele specifice de comandă și control în funcția respectivă. Există o varietate mare de dispozitive I/O; dispozitivele I/O conduc operații generale de comunicație (transfer serial sau paralel de date), funcții generale de timp (numărare de evenimente, generare de impulsuri), operații de conversie analog/numerică, funcții de protecție, funcții speciale de comandă, și enumerarea poate continua. Parte din resurse acoperă funcțiile de control propriu-zis, iar o parte asigură funcțiile necesare aplicațiilor în timp real (sistemul de întreruperi, timer).

Din această mare varietate, parte din dispozitive se găsesc în configurația tuturor MC sau sunt foarte des întâlnite, iar o altă parte de dispozitive o regăsim doar în MC construite pentru a optimiza aplicații cu un grad mare de particularitate. În acest capitol, în continuare, vor fi prezentate dispozitive des întâlnite în echiparea MC. În capitolele următoare, pe măsură ce vor fi prezentate exemple de MC, vor fi descrise și o serie de dispozitive I/O speciale ce intră în componența acestora.

Dispozitivele I/O sunt “văzute” de unitatea centrală ca porturi. Există două filozofii de alocare a adreselor (mapare) pentru apelarea porturilor de către unitatea centrală. Porturile sunt mapate fie în spațiul de memorie, fie într-un spațiu propriu. Cele două metode sunt exemplificate la MC produse de Motorola și MC produse de Intel. La MC Motorola dispozitivele I/O ocupă adrese într-un spațiu comun cu memoria, ceea ce atrage după sine reducerea numărului de locații de memorie. MC de la Intel folosesc un semnal care indică dacă la adresa curentă se apelează o locație de memorie sau un dispozitiv I/O.

Avantajele mapării în spații separate:

• Metoda nu este susceptibilă de a provoca erori soft deoarece se folosesc instrucțiuni diferite pentru a accesa memoria și dispozitivele I/O;

• Dispozitivele I/O nu ocupă spațiu de memorie;

• Decodificatorul de adrese pentru dispozitivele I/O este mai simplu deoarece spațiul de adresare al dispozitivelor I/O este mai mic.

Dezavantaje ale mapării în spații separate:

• instrucțiunile I/O sunt mai puțin flexibile în comparație cu instrucțiunile de lucru cu memoria;

• instrucțiunile I/O nu permit folosirea modurilor de adresare folosite în lucrul cu memoria.

Avantajul mapării în spațiu comun:

• toate instrucțiunile de lucru cu memoria și toate modurile de adresare sunt utilizabile și în tratarea dispozitivelo I/O (programarea operațiilor I/O este foarte flexibilă);

Dezavantajele mapării în același spațiu:

• este susceptibil la erori software;

• spațiul de adresare disponibil pentru memorie este mai mic

1.2.7. Clasificarea microcontroller-elor:

Se pot considera multe criterii de clasificare a MC; de exemplu după dimensiunea magistralelor, după interfețele pe care le au incluse în configurație, după aplicațiile în care se folosesc, după furnizor etc. O clasificare sumară a celor mai uzuale MC, după compatibilitatea software, este:

MC cu arhitectură CISC:

• Compatibile 8051

• MOTOROLA 68xx

• Compatibile x86

• COP8 (National Semiconductor)

• TMS370 (Texas Instruments)

• ST (Thomson)

• Alte arhitecturi (MC low cost) HITACI – 4biți, Z8 – 8 biți

MC cu arhitectură RISC:

• Super H – Hitachi

• PIC – MicroChip

• AVR și ARM – Atmel

1.2.4. Set de instrucțiuni de tip RISC versus set de instrucțiuni de tip CISC. (7)

1.2.7.Instrumente software de proiectare: MC PIC

Firma Microchip care produce microcontroller-ele PIC a adus pe piață produsul MPLAB drept mediu integrat de dezvoltare/simulare (IDE Integrated Development Environment) pentru procesoarele sale precum și Starter-Kit-ul corespunzător fiecărui microcontroller. Mediul MPLAB cuprinde următoarele componente:

• Editorul fișierelor sursă

• Asamblorul

• Compilatorul C

• Linkeditorul

• Editorul de stimuli

• StarterPIC sistemul de dezvoltare minimal pentru dezvoltarea aplicațiilor

• Simulatorul/Emulatorul microcontroller-elor PIC pentru diversele familii

• Programatorul microcontrollerelor ce dispun de memorie EPROM, EEPROM sau Flash.

Asamblorul este oferit atât integrat în mediu cât și separat atât versiunea DOS cât și versiunea Windows pe 16 biți.

Mediul integrat dispune de ferestre ce permit atât editarea programului sursă, vizualizarea fișierului list rezultat în urma asamblării, fereasta ce vizualizează memoria internă de program și de date a microcontroller-ului, 68 MICROCONTROLLERE fereastra cu registrele acestuia (zona SFR) și fereastra "trace", ce urmărește evoluția programului și cea corespunzătoare memoriei EEPROM de care microcontroller-ele din familia PIC dispun.

1.2.8. Microcontroller-ul PIC16f88.

1.3. Generalități despre circuitele stabilizatoare de tensiune.

Stabilizatoarele de tensiune sunt circuite electronice care au ca scop menținerea constantă a tensiunii pe rezistența de sarcină, în condițiile variației tensiunii de intrare, a curentului de sarcină și a temperaturii.

În funcție de principiul de funcționare se pot distinge două tipuri de stabilziatoare de tensiune:

Stabilizatoare liniare;

Stabilizatoare în comutație;

Stabilizatoarele liniare se împart, după același principiu în:

Stabilizatoare parametrice;

Stabilizatoare cu reacție;

1.3.1.Stabilizatoare de tensiune integrate.

Stabilizatoarele de tensiune integrate sunt de construcție monolitică și se încadrează în categoria stabilizatoarelor cu reacție, cu element de reglare serie și cu amplificator de eroare. În principiu, schema electrică nu diferă de schema stabilizatorului cu elemente discrete. Există totuși o deosebire majoră care constă în utilizarea unor tehnici de circuit destul de complexe, pentru a se obține performanțe ridicate.

1.3.2. Stabilizatoare de tensiune integrate din prima generație.

Primele tipuri de satbilizatoare monolitice, ca de exemplu µA723, LM304, LM305 sunt incluse în generația întâi de stabilizatoare. Principala lor caracteristica comună constă in faptul că permit accesul utilizatorului la intrările și ieșirile tutror blocurilor funcționale. Ele se afla într-o capsulă cu mai mult de trei terminale, furnizând un curent de sarcină mic și permit utilizarea lor în mai multe variante:

Surse stabilizate de tensiune pozitivă sau negativă, cu nivel de tensiune programabil în limite mari;

Surse cu domeniul extins al curenților de sarcină;

Surse cu posibilitatea limitării curentului de sarcină;

Surse in comutație;

Generatoare de curent constant.

Schema unui stabilizator de tensiune realizat cu βA723 și gamă mărită pentru curentul de ieșire:

1.3.1. Stabilziatorul de tensiune realizat cu βA723 și gamă mărită pentru curentul de ieșire.

1.3.3. Stabilziatoare de tensiune integrate din generația a doua.

Stabilizatoarele de tensiune integrate din generația a doua, in comparație cu cele din prima generație, oferă performanțe electrice cu mult superioare. Aceste stabilziatoare sunt circuite integrate de putere putând debita puteri de 10-100W și sunt livrate în capsule cu trei terminale ca și tranzistoarele de putere.

Avantajelor stabilizatoarelor de tensiune integrate din generația a doua:

Schemele de protecție sunt integrate;

Rețeaua de compensare în frecvență este integrată pe cip;

În schemele aplicative necesită puține componente;

Furnizează la ieșire curenți de ordinul amperilor.

Cele mai reprezentative stabilziatoare de tensiune integrate de generația a doua sunt:

Pentru tensiuni pozitive: LM338, LM350 și LM317;

Pentru tensiuni negative: LM337.

În continuare va fi prezentată schma bloc a stabilizatorului integrat LM317.

1.3.2. Schema bloc a stabilziatorului integrat LM317.

1.3.4.Stabilizatoare de tensiune fixă.

Acest tip de stabilizatoare de tensiune s-au proiectat în ideea stabilizării locale a tensiunii de alimentare pe modulele cu circuite integrate. Aceste satbilizatoare prezintă avantajul simplității maxime de utilizare deoarece nu necesită componente externe. Acestea mai sunt avantajoase deoarece au un raport foarte bun cost-performanță. Stabilziatoarele de tensiune fixă sunt livrate în capsule prevăzute doar cu trei terminale, existând posibilitatea montării lor pe radiator.

Caracteristicile generale ale stabilizatoarelor de tensiune fixă:

Tensiune de ieșire, fixată intern, se garantează cu o precizie de 5%;

Limita curentului maxim de ieșire, fixată intern prin circuitul de protecție la suprasarcină, este, în general, independent de temperatură;

Stabilizatoarele conțin un circuit de menținere a funcționării tranzistorului serie în aria de siguranță;

Circuitul de protecție intern asigură imunitatea la scurtcircuitarea ieșirii la masă pe o durată nedefinită.

Cu toate acestea, stabilizatoarele de tensiune fixă au un nivel de performanță inferior celor de uz general din generația a doua.

Tipurile reprezentative de stabilziatoare de tensiune fixă:

Pentru tensiune pozitivă: LM323, LM309 și µA78XX;

Pentru tensiune negativă: LM345, µA79XX;

Modul de conectare în circuit a unui stabilizator de tensiune fixă, pozitivă:

1.3.3. Modul de conectare în circuit a unui stabilizator de tensiune fixă, pozitivă.

1.4. Stabilizatorul de tensiune integrat LM317

1.4.1 Caracteristicile de bază ale stabilziatorului de tensiune integrat LM317:

Gama de tensiune de ieșire reglabila de la 1.25V la 37V;

Curentul de ieșire mai mare de 1.5A;

Limitator de scurt-circuit intern;

Protecție termica;

Compensarea zonei de protecție la ieșire.

putere disipată: limitată intern

diferenta maxima de tensiune intre intrare si iesire: +40V, -0,3V ;

tensiunea de referinta: tipic: 1,25V minim: 1,20V maxim: 1,30V;

curent prin pinul de comanda: tipic: 0,05mA maxim: 0,1mA;

curent la limita (Vin-Vout<15V): tipic: 2,2A minim: 1,5A maxim: 3,4V pentru LM317K;

curent la limita (Vin-Vout<15V): tipic: 0,5A minim: 0,8A maxim: 1,8V pentru LM317H.

1.4.2. Cateva aplicații alestabilizatorului de tensiune integrat LM317.

Soluții ATCA;

Imagistica hiperspectrala, biometrică 3D, spectroscopie;

DVR-uri si DVS-uri;

Calculatore;

Camere;

Electrocardiograma (ECG);

Comutator de internet;

În industria amprentelor și în analizarea irisului (amprenta optica);

Încalzitoare, Ventilatoare, Aere condiționate;

Valve hidraulice;

Controlul unui motor;

Stand de încărcare;

Controller programabil;

Frigidere;

Mașini de spălat;

Raze X: Scanner de bagaje, Scanner medical, Scanner dentar, etc.

1.4.3. Descrierea circuitului integrat LM317.

Unul dintre cele mai maleabile și inteligente circuite integrate este LM317 care este un circuit stabilizator de tensiune dar poate funcționa și ca generator de curent constant.

Acest circuit integrat, LM317 este fabricat de catre cei de la Texas Instruments si face parte din cea de-a doua generație a circuitelor stabilizatoare integrate, având cele mai bune specificații si performanțe ceea ce il face foarte util in multe aplicații electronice.

Circuitul integrat LM317 este un circuit stabilizator de tensiune autoprotejat la scurt-circuit și la depășirea temperaturii interne.

1.4.1. Reprezentarea unui circuit integrat LM317 si semnificația pinilor.(3)

Este nevoie de doar doua rezistențe externe pentru a seta tensiunea de ieșire.

Protecția la suprasrcină rămâne funcțională chiar daca terminalul ADJUST este deconectat, acest dispozitiv fiind versatil în aplicațiile sale.

Dacă vom conecta un rezistor între ADJUST și terminalele de Ieșire, LM317 poate funcționaca un regulator de curent de precizie, iar dacă adăugăm și un condensator la ieșire vom îmbunătății răspunsul tranzitoriu.

Aceste stabilziator de tensiune integrat LM317 datorită felxibilității sale, permite folosirea sa în cat mai multe aplicații, având o gamă largă de folosință.

1.4.2.Reprezentarea grafică a circuitului integrat LM317

1.4.4. Schema bloc de funcționare a stabilizatorului de tensiune integrat LM317.

1.4.3. Schema bloc funcțională a lui LM317

1.4.5. Aplicația tipică a stabilizatorului de tensiune LM317.

1.4.4.Aplicația tipică a stabilziatorului de tensiune LM3317

1.5.Afișajele electronice

1.5.1. Definiție și scurt istoric.

LCD-ul (liquid crystal display) este un dispozitiv de modulare electronică a luminii, dispus între plane transparente înguste plasate în fața unei surse de lumină.

Friederich Reinitzer a descoperit natura cristalelor lochide în colesterolul extras din morcorvi în anult 1888.

În anul 1936 compania Marconi Wireless Telegraph a înregistrat primul patent de utilizare a cristalelor lichide în afișaje.

În 1964 a fost creat primul LCD de către George Heilmeier în SUA, iar autorul este considerat inventatorul LCD-urilor.

Evoluând tehnica si omenirea fiind într-o continua dezvoltare în acest domeniu, se ajunge ca în anul 2007 numărul televizoarelor LCD vândute sa fie mai mare decât numărul de televizoare cu tub cinescop (CRT, Cathode Ray Tube).

Fig 1.5.1. Monitor CRT vs Monitor LCD.

1.5.2. Principiul de funcționare al afișajelor LCD.

Cristalele lichide pot fi orientate în funcție de câmpul electric aplicat. Dacă alinierea este orizontala, lumina este blocată iar dacă alinierea este verticala, lumina poate trece. Câmpul electric este aplicat cu ajutorul unui electrod transparent situat în partea superioară a afișajului și o arie de tranzistori care formează suprafața activă a afișajului. Comanda tranzistorilor realizează orientarea cristalelor lichide situate între electrozi.

1.5.2. Principiul de funcționare al unui LCD.

1.5.3. Afișajele LCD color.

Pentru LCD-uri fiecare pixel este împărțit în 3 celule sau subpixeli, colorate în culorile fundamentale Roșu, Verde și Albastru (RGB). Orice nuanță se poate realiza prin combinarea acestor culori fundamentale în diferite proporții.

1.5.3. Forma subpixelilor.

Interfața de transimisie a informației video de la calculator la monitorul LCD este numită VGA (Video Graphic Array).

1.5.4. Caracteristicile principale ale afișajelor LCD.

Afișajele LCD au o serie de caracteristici principale, după cum urmează:

Rezoluția- numărul de puncte care pot fi afișate pe orizontală și verticală.

Dimensiunea- diagonala suprafeței vizibile, dată în inch sau în cm.

Dimeniunea punctului (Dot Pitch)- distanța între mijlocul a doi pixeli adiacenți.

Timpul de răspuns- timpul necesar pentru schimbarea culorii unui pixel.

Unghiul de vedere- unghiul maxim în care o persoană poate să distingă imaginea.

Luminozitatea- Cantitatea de lumina emisă de afișaj care trebuie să fie mare.

Contrastul- raportul între luminozitățile celei mai luminate imagini și a celei mai întuncate.

Aspectul- raportul între lățime și înălțime, de exemplu 4:3 sau 16:9.

Rata de împorspătare- numărul de schimbări ale imaginii pe secundă.

Numărul de pixeli defecți- se dorește sa fie 0, dar din cauza unor tranzistori defecți pe substratul de siliciu unii pixeli de pe afișaj sunt stinși sau aprinși permanent.

1.5.5. Tipuri de afișaje LCD

.

Fig.1.5.4. Exemple de LCD-uri si industriile în care se folosesc: A. Display monocrom în mod caracter, B. Televizor LCD, C. LCD-uri aflate în cabina piloților de avioane.

1.6. Generalitati panouri solare.

1.6.1. Istoria fotovoltaicelor.

Primul fotovoltaic conventional a fost produs in anii 1950, și în întregime în anii 1960 unde au fost folosite pentru a produce curent electric pentru sateliții ce orbitează in jurul pământului. În anii 1970, modificările în manufacturare, performanță și calitate a modulelor fotovoltaice au ajutat la reducerea costurilor și a deschis multe oportunități pentru alimentarea unor dispozitive terestre la distanță, inclusiv încărcarea bateriilor pentru ajutorul navigării, semnalelor, echipamentelor de telecomunicație și altedispozitive reduse de putere.

În anii 1980 fotovoltaicele au devenit o sursă de alimentare populară pentru dispozitivele consumatoare de curent, inclusiv calculatoare, ceasuri, radio și alte aparate cu mici încărcări de baterii.

Astăzi producția industrială a modulelor fotovoltaice sunt în creștere cu aproximativ 25% anual, și programe majore din SUA, Japonia și Europa grăbesc implementarea sistemelor fotovoltaice pe clădiri și în interconectarea în rețelele utilitare.

1.6.2. Tehnologia curentului fotovoltaic.

Fotovoltaicele sau celulele solare cum sunt adesea numite, sunt dispozitive semiconductoare care transformă lumina solară în curent electric. Grupele de fotovoltaice sunt configurate electric în module și matrice, care pot fi folosite la încărcarea bateriilor, funcționarea motoarelor, și pentru a alimenta saricni electrice. Cu echipamentul adecvat de transofrmare a puterii, sistemele fotovoltaice pot produce curent alternativ care este compatibil cu orice aparat convențional, și operează în paralel și interconectat la grila de utilitate.

1.6.3.Cum funcționează celulele fotovoltaice.

O celulă fotovoltaică de silicon este compusă dintr-o foiță subțire de un strat foarte subțire de silicon de tip N, deasupra unui strat gros de silicon de tip P. Un câmp electric este creeat deasupra suprafeței de sus a acelei celule unde cele doua materiale intra în contact, numită joncțiune P-N. Câand razele solare ajung la suprafața unei celule fotovoltaice, câmpul electric produce momentul și direcția la electronii stimulați de lumină, rezultând fluxul de curent când celulele solare sunt conectate la un încărcător electric.

Fig.1.6.1. Funcționarea celulelor fotovoltaice.

Indiferent de marime, o bucată de celulă fotovoltaică de silicon produce in jur de 0.5-0.6 volți în conformitate cu un circuit deschis, fără condiții de încărcare. Curentul de ieșire a unei celule fotovoltaice depinde de eficiența și mărimea suprafeței, și este proporțională cu intensitatea soarelui care ajunge la suprafața celulei. De exemplu, în condițiile în care lumina solară este foarte puternică, o celulă fotovoltaică comercială cu o suprafață de 160 cm2 va produce în jur de 2 watti, la putere maximă. Dacă intensitatea razelor solare au fost la 40% din putere, acea celulă va produce în jur de 0.8 watti.

1.6.4. Cum sunt făcute celulele fotovoltaice.

Procesul de fabricare convențional singular și policristalin al celulelor de silicon fotovoltaic începe foarte simplu, cu aplicarea semiconductorului în polisicon- un material produs din cuarț și folosit mult în industria electronică. Polisiconul este apoi încălzit pana la temperatura de topire, și sunt adăugate bucăți mici de bor pentru a creea un material semiconductor de tip P. Pe urmă sunt formate blocurile de silicon, folosind una din cele două metode:

Formând un bloc pur de silicon cristalizat din semințe de cristal făcute din polisiliconul topit.

Turnând polisiliconul topit într-un cazan, formând un material de silicon policristalin.

Bucăți individuale de wafere sunt feliate din blocurile de silicon folosind un fierăstrău de sârmă și pe urmă sunt supuse gravurării suprafeței. După ce waferele sunt curățate, ele sunt așezate într-un cuptor de difuzie de fosor, creând un strat subțire de semicondctor de tip N în jurul întregii suprafețe exterioare a celulei. Pe urmă, un înveliș antireflexiv este aplicat deasupra suprafeței celulei, ți contactele electrice sunt imprimate deasupra suprafeței celulei (negativ). Un material conductor de aluminiu este așezat dedesubtul suprafeței fiecărei celule (pozitiv), reatribuind proprietățiile de tip P a părții de jos, deplasând stratul difuz de fosfor. Fiecare celulă este pe urmă verificată electric, sortată după curentul electric de ieșire, și electric conectate la celelalte celule pentru a creea circuite de celule pentru asamblare în module fotovoltaice.

Fig.1.6.2. Componența celulelor fotovoltaice.

1.6.5. Joncțiunea p-n.

O componentă esențială a unei celule fotovoltaiceeste joncțiunea p-n. Joncțiunea p-n se formează atunci când un semiconductor de tip p și un conductor de tip n sunt în contact, deci au o sprafață comună. Inițial în joncțiunea p-n electronii vor merge în direcția n-p datorită densității de electroni mai mare în materialul de tip n decât în cel de tip p și datorită densității de goluri mai mare în banda de valență pentru materialul de tip p decât cel de tip n.

Determinarea condiției de echilibru se poate determina în funcție de eneria Fermi. Inițial, energiile Fermi (potențialele chimice) pentru materialul de tip p și cel de tip n, µp și µn sunt diferite dar la echilibru µp = µn. În continuare vom reprezenta grafic condiția de echilibru..

Fig.1.6.3. Condiția de echilibru.

1.6.6. Avantajele si dezavantajele panourilor fotovoltaice.

Chiar daca beneficiem de energie gratuită datorită folosirii panourilor fotovoltaice, ne lovim ți in acest caz de avantaje si dezavantaje. În continuare vom enumera aceste aspecte.

*Avantaje:

-Costuri mici de întreținere;

-Durată lungă de viață;

-Eficiență;

-Costuri reduse de instalare;

-Rezistență îndelungată la expunere la radiația solară;

-Prietenoase cu mediul înconjurător;

-Energia solară este gratuită și nelimitată;

-Timp scurt de recuperare a investiției;

-O tehnologie în continuă dezvoltare pe plan mondial;

*Dezavantaje:

-Investiție mare în vederea achiziționării de panouri fotovoltaice;

-Spațiu de instalare orientat convenabil, unghiul de incidență al radiației solare fiind foare important;

-Fără un sistem de stocare, energia generată este utilizabilă numai o perioadă de timp scurtă;

-Energia solară nu este constantă nicăieri pe Pământ;

-Pe timpul zieleor noroase, potențialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării soarelui;

Cel mai interesant lucru este că la suprafețe mari de panouri fotovoltaice, montate pe hale, ferme, depozite, energia electrică generată și debitată în rețeaua națională, asigură consumul de iarnă pentru orice fermă, hală, depozit.

În momentul de față există costuri ridicate pentru folosirea acestei metode de obținere a energiei electrice, însă acest domeniu fiind in continuă dezvoltare va deveni accesibil, în cațiva ani, pentru majoritatea persoanelor care au un trai decent.

Este foarte important sa folosim cât mai mult această metodă datoriă faptului ca știm cu toții ca trebuie sa ajutam mediul pentru a avea puterea de a ne susține în continuare. Orice metoda de reducere a poluării este binevenită.

CAPITOLUL II

Partea practică a încărcătorului de acumulatori cu ajutorul panoului solar

Motivația alegerii acestui proiect

Soluția pe care am ales-o pentru realizarea unui încărcător de acumulatori s-a dovedit a fi foarte practică deoarece am reușit sa implementez un circuit folositor care ne ajuta la protejarea mediului în vederea folosirii acumulatorilor.

Deși celulele NiMH costă mai mult decăt cele NiCd iar numărul de cicluri utile este mai redus, ele sunt utilizate în principal datorită capacității mai mari si datorită faptului ca nu nu apare efectul de memorie. Acest efect nu apare teoretic dar noi l-am putut observa practic și am reușit remedierea acestuia prin efectuarea unei descărcări complete (până la 0,84V), iar pentru a ocoli efectul de memorie va fi necesar să efectuăm această descărcare la aproximativ 30 de cicluri normale de utilizare dar și așa acest tip de acumulator este mult mai bun decât cel NiCd.

Inițial alimentarea acestui circuit electronic se făcea de la o sursă reglabilă de tensiune, având nevoie de o tensiune de 8V la intrare, însă pe parcursul proiectului mi-a venit ideea folosirii unui panou solar care sa ne alimenteze circuitul, astfel facând economie de energie deoarece scopul acestui montaj , așa cum am menționat și mai sus, este de a ocroti mediul cât mai mult posibil și de a face chiar și o economie în prinvința surselor materiale.

Pentru a face această schemă mai complexă am hotărât înlocuirea amplificatoarelor operaționale TLC272 și a circuitului integrat 4060 cu un microcontroller PIC16f88 la care s-a conectat un afișaj de tip LCD HD44780 pentru a ni se prezenta temperatura bateriei în momentul încărcării și timpul pana la finalizarea ciclului de încărcare.

Am folosit diferite aplicații software, cum ar fi Qucs, Cadence OrCAD pentru simularea funcționării etajelor din schema bloc a încărcătorului de acumulatori cu ajutorul panoului solar cu scopul de a analiza și identifica cei mai buni parametrii de funcționare ai dispozitivului. Au fost situații în care am descoperit neconcordanțe între simulări și funcționarea reală a dispozitivului, probleme care în urma documentării mai ample și datorită multiplelor încercări s-au remediat obținând valorile corecte.

Analiza tehnico-economică a soluției implementate a demonstrat că pentru o producție industrială costurile sunt relativ mari. Dacă luăm în considerare doar cheltuielile cu materii prime și materiale și ținând cont în același timp de impactul pe care îl are acest dispozitiv asupra mediului, am ajuns la concluzia că este o soluție fiabilă, ce este drept neaccesibilă momentan oricărui om datorită costurilor.

În ceea ce privește prespecctiva de dezvoltare ale acestei soluții de implementare a unui încărcător de acumulatori cu panouri solare este posibila funcționarea în parametrii cu un nivel de performanță mai ridicat.

Eu îmi doresc implementarea acestui proiect la autovehicule, fiind echipate din fabrică, având panoul solar încastrat în luneta mașinii, în trapa mașinii sau chiar în parasolarul mașinii iar încărcatorul sa fie conectat la acumulatorul autovehicului. Este necesară construirea unui sistem care va anunța în momentul în care acumulatorul este descărcat sub un anumit prag, ceea ce va duce la pornirea automată a sistemului de încărcare a acumulatorului auto, astfel prelungind durata de viața a acestui acumulator.

Este o idee de viitor pe care voi încerca să o dezvolt și care mi se pare practicabilă chiar dacă nu putem folosi la nesfârșit acumulatorul auto însă putem diminua emanarea de substanțe toxice din acumualtori în mediu cât de puțin tot este bine și cercetând în continuarea pentru dezvoltarea cat mai bună a acestui sistem pentru a putea fi folosit la o scară cât mai largă

Bibliografie

1.http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_solar%C4%83_fotovoltaic%C4%83

2.Berndt,D.Maintenance-Free Batteries. 1997.

3. Crompton, T. R. Battery Reference Book. 1990.

4. Linden, D. (Ed), Handbook of Batteries. 1995.

5. Linford, R. G. (Ed), Electrochemical Science and Technology of Polymers. 1990.

6. Ovshinsky, S. R., Fetcenko, M. A., and Ross, J. A. "A Nickel Metal Hydride Battery for Electric Vehicles", Science 260: 1993, 176-81.

7. Rechargeable Batteries Applications Handbook. Stoneham: 1992.

8. Wells, A. F. Structural Inorganic Chemistry. Oxford: Clarendon Press, 1975.

9.http://ro.wikipedia.org/wiki/Senzor accesat pe data de 16,03,2015

10.http://ro.scribd.com/doc/45979130/6-senzori-de-temperatura#scribd accesat pe data de 25,03,2015

11.Data Sheet Texas Instruments Senzor de temperatură LM 35 accesat pe data de 25,03,2015

12.http://www.instructables.com/id/LM35-Temperature-Sensor/ accesat pe data de 17,04,2015

13.http://www.unitbv.ro/faculties/biblio/interfete_specializate/curs.pdf accesat la data de 07,04,2014

14.http://www.scritub.com/stiinta/informatica/Microcontrolerul-PICF1131614113.php accesat la 17,04,2015

15.http://sisteme-incorporate.ro/arhitectura-risc-vs-cisc/ accesat la 17,04,2015

16.http://vega.unitbv.ro/~pana/cia.c/Capitolul%208.pdf

17. Bibl.Data sheet Texas Instruments LM317

18. http://www.niqro.3x.ro/LM317/LM317.htm , accesat pe 20.04.2015

19.http://smpstroubleshooting.com/adjustable-power-supply/ , accesat pe 20.04.2015

20.http://www.astutegraphics.com/images/blog/tutorials/monitors_24_apr_2012/01.png accesat la 04,05,2015

21.http://www.promacht.ro/solar/panouri.html#facute , accesat pe 18,05,2015

22.Ionila Gabriela Alice- Conversia energiei solare în energie electrică.

23.Afisaje video si controllere, Petre Orguțan, ianuarie 2012