Tehnici de Monitorizare a Functionarii Bateriilor de Acumulatoare

Cuprins

Cap.1 Noțiuni introductive (tehnici de monitorizare a funcționării bateriilor de acumulatoare ).

Noțiuni introductive……………………………………………………………………..

Tehnici de monitorizare a funcționării bateriilor de acumulatoare………….

Cap.2 Sarcini electronice de curent

Cap.3 Proiectarea circuitului de descarcare

Cap.4 Proiectarea circuitului de monitorizare si automatizare

Cap.5 Determinari experimentale si concluzii.

CAPITOLUL 1

Noțiuni introductive (tehnici de monitorizare a funcționării bateriilor de acumulatoare ).

1.1 Noțiuni introductive

Bateriile de acumulatoare reprezintă pile electrice reversibile , care au prorietatea de a înmagazina energia electrică prin transformarea ei in energie chimică si reciproc.

Bateria de acumulatoare este o sursă electrochimică.Va reprezenta singura sursă de energie electrică pe perioada staționării și a pornirii motorului termic.Deservește sistemul de iluminat, de pornire și de aprindere. Sursele electrochimice se clasifică în două categorii :

Pile electrice : – pile electrice propriu-zise → pile ireversibile

– pile de combustie

– Acumulatoare electrice : → pile electrice reversibile

Pilele ireversibile sunt utilizate doar ca surse , nu se reîncarcă ,sunt surse primare .

Pilele de combustie :

generator (surse)

consumator (stocător) ← la reîncărcare .

Construcția bateriei acide

O baterie este alcatuită din mai multe celule. O celulă elementară este formată dintr-un vas , doi electrozi și electrolit.

Electrozii reprezintă corpuri metalice utilizate pentru realizarea unui contact electric cu o parte nemetalică a unui circuit electric, (exemplu : semiconductor ,un electrolit).

La metale conducția electrică este realizată cu ajutorul electronilor ,ei fiind purtătorii majoritari. În metale avem de-aface cu un curent electric.

Electrozii :

– Pb

– bioxid (dioxid) peroxid de plumb

Anodul (electrodul pozitiv) este electrodul la care are loc reacția de oxidare în urma căruia sunt generați electroni.

Catodul (electrodul negativ) este electrodul la care are loc reacția de reducere ( sunt acceptați electronii).

Electrozii sunt sub formă de placă de grosimea de 1,4 – 1,5 mm . La rândul ei placa este văzută sub formă de grătar.

În alveolele grătarului se introduce substanța activă, care pentru anod este partea de

plumb(substanța activă la bateria acidă este sub formă de pastă).La catod este tot sub formă de pastă.

Plăcile sunt așezate pe un suport pentru realizarea unui spațiu față de partea inferioară a vasului în care se poate depozita materia activă căzută de pe plăci.

O celulă reală pentru bateria de pornire este formată din mai multe plăci de același fel montate în paralel.

Separatorul este un izolator din punct de vedere electric,având rolul de a separa electrozii.El

trebuie să permită trecerea electrolitului și să rețină acesta.Să permită circulația ionilor.

Electrozii împreună cu separatorii formează pachete.

Un pachet se numește element.

Elementul unei celule este conectat cu următorul element.

Electrolitul este o soluție de acid sulfuric cu apă distilată ( ).

Electrolitul este un conductor ionic. Acesta poate să fie lichid,sub formă de gel ,sau să fie solid. La electroliți purtătorii de sarcină sunt ionii.

Electrozii :

lichizi : – lichid : solvent

– sare : solvat

Substanțele amestecate determină ca moleculele să se rupă cu mai mare ușurință.Acidul sulfuric disociază în ioni de hidrogeni pozitivi și cationi.

Funcțiile bateriei

Motorul oprit. Energia bateriei este folosibilă pentru alimentarea sistemului de iluminat,

precum și a altor consumatori.

La pornire : bateria este utilizată pentru alimentarea sistemului de pornire, a sistemului de

aprindere, și a celui de preparare a amestecului ( la unele echipamente).

În aceste două regimuri, singura sursă de energie electrică de pe automobil capabilă să alimenteze consumatorii este bateria .

Motorul funcționează. Bateria lucrează în derivație cu alternatorul (generatorul)

asigurând, asemenea unui filtru ,absorbția vârfurilor tranzitorii anormale de tensiune,stabilizând valoarea tensiunii SAEE. Lipsa bateriei poate conduce la distrugerea componentelor electrice și electronice de pe automobile de către vârfurile de tensiune.

În acest regim , alternatorul reprezintă principala sursă de energie electrică ,bateria completându-și energia pe care a cedat-o în celelalte regimuri.

În timpul funcționării motorului în cazul suprasarcinilor bateria poate interveni , când alternatorul nu poate acoperi cererea de energie electrică.

Bateria plumb-acid

Bateriile plumb acid sunt și prezent cele mai folosite baterii din industria auto. Se folosesc, în special, la automobilele cu motoare cu ardere internă având rolul de sursă electrică în timpul staționării și al pornirii.

Reacția de funcționare se bazează pe folosirea plumbul spongios ca materialul activ la anod și pe cea a dioxidului de plumb (PbO2) drept material activ la catod. Electrozii sunt imersați într-un electrolit format dintr-o soluție diluată de acid sulfuric.

La descărcare, acidul sulfuric se combină cu plumbul spongios și cu dioxidul de plumb formând sulfatul de plumb (PbSO4) și apă, la încărcare procesul fiind invers.

Reacția totală este:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O

Pe măsură ce are loc descărcarea electrolitul devine mai diluat. În timpul încărcării în schimb concentrația acidului sulfuric din electrolit crește.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale bateriilor plumb acid este valoarea foarte mică a rezistenței interne, ceea ce face că pierderea de tensiune (căderea de tensiune internă) să fie mică.

Există două categorii importante de baterii plumb-acid:

cu întreținere

fără întreținere.

Bateriile plumb acid cu întreținere au electrolitul lichid și permit degajarea de gaz la sfârșitul încărcării, când are loc electroliza apei; din această cauză necesită completarea electrolitului cu apă pentru a-i păstra concentrația.

Bateriile plumb-acid fără întreținere (VRLA – Valve Regulated Lead-Acid), permit recombinarea apei la sfârșitul procesului de încărcare. Oxigenul este eliberat la catod, trece prin electrolit și este recombinat la anod, astfel încât nu mai este nevoie de completarea cu apă.

Bateria plumb-acid sulfuric

Variația parametrilor bateriei la descărcare

Rezistența internă este un parametru foarte important al unei baterii, valoarea ei trebuie să fie cât mai mică.Importanța ei este cu atât mai mare cu cât bateria trebuie să debiteze curenți din ce în ce mai mari.

Factorii care influențează rezistența internă :

starea de încărcare a bateriei

numărul de plăci (capacitatea bateriei) și dimensiunea acestora cu cât c >> , r este mai mică.

vârsta bateriei , cu cât este mai bătrână r >> .

tempetaruta, scăderea temperaturii r crește.

Observație: Pe măsura descărcării bateriei de acumulatoare stratul de sulfat de cupru crește și

scade cantitatea de substanță activă.Rezistența internă crește ,procesul trebuie oprit la timp.

Neoprirea (continuarea) descărcării sau menținerea bateriei în stare descărcată în timp îndelungat conduce la un proces ireversibil numit sulfatare.

Fig.1 Măsurarea tensiunilor

Dacă se menține voltmetrul în circuit,dar se închide comutatorul K,se constată o scădere a valorii indicate de V.Tensiunea măsurată va fi , tensiunea în sarcină a bateriei,cu o valoare mai mică decât tensiunea electromotoare :

< E

Cauza diferenței între cele două valori o reprezintă căderea internă de tensiune ∆U:

∆U=*

în care :

– tensiunea la bornele bateriei

– rezistența internă a bateriei

– curentul de descărcare

Fig.2 Schema echivalentă a bateriei și măsurarea tensiunii

Ecuația circuitului,cu K închis :

=E-*

Fig.3 Variația E,, și ρ la descărcarea bateriei cu

=+r*I

=-r*I

Din punct de vedere electrochimic :

+ 2→

+ →Pb

La t=0, cu =0,corespunde valorii de 2,12 V/element.Cu=0 ,considerăm relația de

legătură dintre E și ρ , E va înregistra o scădere liniară de la 2,12 V/element până la 1,96 V/element.La 1,8(1,75)V/element se oprește descărcarea.

Se observă că la ambii electrozi în timpul descărcării se depune sulfatul de plumb.Acesta este un compus stabil.Pentru ca procesele să fie reversibile trebuie ca descărcarea să fie oprită la o valoare a tensiunii numită tensiune de tăiere.

Fig.4 Influența curentului asupra caracteristicii =f(

La curenți de descărcare mai mari este antrenată o cantitate de substanță activă mai mică ,descărcarea este mai superficială , se merge până la =1,2 V/element în cazul unor curenți de descărcare foarte ridicați.

La descărcarea cu mici și în timp îndelungat, (20h) sulfatarea conduce la epuizarea substanței active.Oprirea descărcării trebuie să se facă la valori mult mai mari alea lui .

Densitatea de putere (putere specifică) este raportul dintre puterea disponibilă a acumulatorului și volumul său (W/l).Puterea specifică se referă la raportul dintre puterea acumulatorului și masa acestuia (W/kg).Puterea acumulatorului este strâns legată de viteza cu care acesta se descarcă.

Puterea acumulatorului este dată de produsul dintre tensiunea și curentul de descărcare:

P=U*I=*R=

Puterea poate fi calculată și ca energie furnizată de acumulator în unitatea de timp:

P=

Tensiunea acumulatorului se referă de obicei la tensiunea acestuia la descărcare.Tensiunea nominală se referă la valoarea tensiunii acumulatorului calculată conform reacțiilor electromotric active de la cei doi electrozi.Tensiunea maxim admisibilă a acumulatorului se referă la tensiunea maxim admisă la bornele acumulatorului în timpul procesului de încărcare,stabilită astfel încât procesul de încărcare să nu afecteze acumulatorul.Tensiunea minimă admisibilă la bornele acumulatorului se referă la tensiunea minim admisă în decursul procesului de descărcare.

Timpul de răspuns reprezintă viteza cu care este furnizată energia de către baterie.Unul dintre avantajele acumulatorului plumb-acid sulfuric este si faptul că acesta nu are nevoie de timp pentru a debita putere.

Curba de descărcare este curba ce reprezintă variația tensiunii la bornele bateriei în timpul procesului de descărcare ,la temperatura constantă și sub un curent de descărcare constant în timp.

Fig.5 Curbe de descărcare specifice pentru un acumulator plumb-acid sulfuric

Gradul de valorificare a sarcinii înmagazinate la încărcare se exprimă prin randamentul de încărcare astfel :

=()*100

– randamentul de încărcare

, – durata de descărcare ,respectiv de încărcare folosind aceeași intensitate de curent.

Randamentul de sarcină :

Randamentul energetic :

Capacitatea bateriei este o funcție de curentul de descărcare și de temperatură.Este o caracteristică foarte importantă a bateriei ,poate fi exprimată în mai multe moduri și se determină după procedeul indicat de constructor.Ea se notează cu C și se calculează cu relația:

C= [Ah]

pentru i==ct.

C= [Ah]

C se măsoară în [Ah] ,nu reprezintă altceva decât sarcina electrică cedată de acumulator ,la descărcare.

Pentru acumulatorul de pornire ,capacitatea nominală .

=20* [Ah]

reprezintă prosudul dintre 20 de ore și curentul care în acest timp descarcă bateria până la 1,75 V/element , la temperatura 26,7 grade C.

Fig.6 Influența temperaturii asupra capacității bateriei

CCA(Cold Cranking) reprezintă valoare maximă a curentului pe care poate să-l debiteze o baterie timp de 30 de secunde (de exemplu) la temperatura de -18 grade(-17,8 grade) fără ca tensiunea bornele bateriei să scadă sub 1,2 V/element (de exemplu).

Standarde :

SAE – Societatea inginerilor de automobile

BS – Standardul britanic

DIN – Standardul german

Rezerva de capacitate (RC) caracterizează bateria la descărcare cu un curent constant la temperatura de 26,7 grade C (27 grade),și se dă în unități de timp.

RC reprezintă durata exprimată în minute sau în ore în care o baterie poate să debiteze 25 A la temperatura de 26,7 grade C fără ca tensiunea la bornele bateriei să scadă sub 1,75 V/element.

Autodescărcarea este fenomenul de pierdere a capacității unor baterii fără ca acestea să debiteze asupra unui consumator (ele nu sunt conectate la un consumator). Fenomenul este provocat de procesele electrochimice dar poate fi determinat și de rezistența diferită de zero dintre bornele bateriei.

Pentru evitarea acestui fenomen, bateriile sunt supuse la încărcare cu un curent redus care să compenseze curentul de audodescărcare.Autodescărcarea K se determină cu relația :

K=(-/N)*100

în care :

– capacitatea inițială a bateriei

– capacitatea după N zile de depozitare

Tehnici de monitorizare a funcționării bateriilor de acumulatoare

Redresoare pentru funcționare în tampon cu baterii eșantioanre

Sistemele de alimentare de siguranță sunt utile pentru alimentarea consumatorilor de cc care au

nevoie de o alimentare neîntreruptă și în perioadele de avarie ale rețelei.Echipamentele cu redresoare,împreună cu o baterie de acumulatoare formează o sursă de alimentare de siguranță în cc.

Termeni utilizați la încărcarea bateriilor

Încărcare float (încărcare tampon) : compensarea autodescărcării,asigurarea curentului de

sarcină și încărcarea bateriilor.

Încărcare rapidă : încărcarea unei baterii într-o perioadă scurtă de timp.

Încărcare de egalizare : tratament de întreținere a unei baterii complet încomplet.

Tensiunea nominală : valoare fixă ,care nu corespunde tensiunii de încărcare sau descărcare.

Tensiune de gazare : tensiunea de încărcare care conduce la o degajare puternică de gaze

dacă este depășită.

Tensiunea finală : cea mai mică tensiune admisă la descărcare cu curentul de sarcină; este

specifică tipului de baterie.

Surse de alimentare neîntreruptă în curent continuu

Sursele de alimentare neîntreruptă în curent continuu,constau în unităti de redresare ,baterii de acumulatoare,precum și dispozitive auxiliare si de monitorizare.Aceste instalații pot fi proiectate pentru diferite moduri de funționare.

Sistemul cu redresor

Consumatorul și bateria sunt conectate în paralel și alimentate printr-un redresor.

Fig.1 Funționarea în paralel

Funcționarea în tampon (buffer,back-up)

În acest mod de operare,bateria este folosită pentru a asigura vârfurile de sarcină și pentru a menține tensiunea.Redresorul este dimensionat numai pentru curentul mediu al consumatorului.Cum redresorul nu poate alimenta vârful de sarcină al consumatorului,acesta este asigurat de baterie.

Funcționarea în așteptare (stand-by)

În modul de funcționare în așteptare ,redresorul alimentează în totalitate consumatorul .Bateria este încărcată și mereu gata să intre în funcțiune la capacitate maximă.Ea va fi descărcată numai în cazul unei avarii la rețea sau defectării redresorului.Cu rețeaua prezentă ,redresorul asigură curentul de sarcină și de încărcare necesar bateriei pentru a se menține la capacitate maximă.Tensiunea de ieșire este la nivelul ”float”.

La căderea rețelei, bateria preia fără întrerupere alimentarea consumatorului și tensiunea scade rapid de la nivelul float la nivelul de începere a descărcării.Pe măsură ce descărcarea continuă,tensiunea bateriei scade într-un ritm mai lent,direct proporțional cu durata perioadei de descărcare și mărimea curentului de descărcare.Nu trebuie permisă scăderea tensiunii bateriei sub limita tensiunii finale de descărcare specificată de producătorul bateriei.

La revenirea alimentării de la rețea ,redresorul preia imediat alimentarea consumatorului și,în același timp,începe reîncărcarea bateriei cu restul de curent disponibil (curentul nominal de ieșire al redresorului,mai puțin curentul absorbit de consumator) până când se atinge tensiunea de încărcare stabilă.

Sistem cu două redresoare și contactor de legătură

Sistemul este compus din două redresoare cu performanțe identice,dar cu funcții diferite.Redresorul RB asigură încărcarea bateriei (în regim boost sau float).Redresorul RS alimentează consumatorii de c.c. cu tensiune stabilizată.

Fig.2 Sistem cu două redresoare și contactor de legătură

Cele două sisteme de bare pot fi legate prin contactorul C1.Dioda de continuitate DC este conectată la o priză intermediară a bateriei și la sistemul de bare ”S”.În funcționare normală contactorul CL este anclanșat și sistemele de bare ”B” și ”S” sunt independente.

Redresorul RB este ajustat conform cerințelor bateriei,iar redresorul RB alimentează tabloul de distribuție în c.c.La căderea rețelei contactoarele CL,BC,SL declanșează : redresoarele sunt separate,iar sistemele de bare ”B” și ”S” se conectează între ele.Dioda de continuitate DC asigură alimentarea sistemului de bare ”S” pe durata declanșării contactorului CL.

Dacă se defectează redresorul de servicii RS,contactorul CL declanșeaă,redresoul RB trece pe regim float (110% din valoarea nominală), iar încărcarea boost este inhibată.Situația de avarie este semnalizată.Fiecare dintre redresoare este capabil să alimenteze consumatorii și totodată,să asigure încărcara bateriei.Dacă se defectează redresorul de baterie RB,situația de avarie este semnalizată,iar operatorul poate declanșa manual contactorul CL.

Funcționarea cu baterii cu elemente de ajutor

Acest mod de funcționare se aplică numai pentru puteri mari sau medii,pentru a menține tensiunea consumatorului în gama admisă, indiferent de tensiunea bateriei la încărcare sau descărcare.Sistemul constă într-un redresor principal și unul auxiliar,elementele principale și adiționale ,și un dispozitiv de comutare pentru comutarea elementelor adiționale.

Fig.3 Funcționarea cu baterii cu elemente adiționale

Bateria principală este conectată la redresorul principal când rețeaua este prezentă.Elementele adiționale sunt încărcate cu ajutorul unui redresor auxiliar.

Fig.4 Schema de montaj și monitorizare a descărcării bateriilor de acumulatoare acide la curent constant cu deconectare automată.

CAPITOLUL 2

Sarcini electronice de curent

2.1 Surse de curent constant

O sursă de curent este o rețea activă sau un circuit electronic activ care generează la bornele de iesire un semnal electric sub forma unui curent controlabil.

2.1.1. Calculul rezistenței de ieșire a sursei de curent simple, cel mai frecvent utilizată in circuitele integrate.

Sursa simplă de curent cu două tranzistoare este un circuit propriu structurii integrate și reprezintă un generator de curent comandat în curent. Intre curentul comandat și cel de comandă există o relație ce se poate determina usor dacă se presupune că cei doi curenți de bază sunt egali între ei și egali cu unitatea. Considerând cele doua tranzistoare identice, .

și la curent mic este de ordinul .

Valoarea rezistenței dinamice a unei diode realizată cu tranzistor (motivul folosirii tranzistorului drept dioda este : compensarea termică pentru efectele lui dar și β, ceea ce o diodă simplă – o joncțiune emitoare – nu asigură ) este calculată astfel:

care, la curent de ordinul 20 este de cca 1 .

Stabilitatea termică a sursei de curent se exprimă prim coeficientul si se determină calculând derivata curentului in raport cu temperatura. Daca se presupune ca numai este dependentă de temperatura, se obține:

Pentru R de ordinul coeficientul de temperatură este foarte mic si pozitiv.

2.2.2. Calculul rezistenței de ieșire a sursei de curent "Widlar".

Sursa de curent Widlar se folosește pentru obținerea unor curenți de polarizare mici, de ordinul , fără un consum excesiv din aria de siliciu pentru rezistența totală din circuit.

Se consideră parametrii tranzistoarelor apropiați, pentru simplicitate.

Aici , deci

Numeric, pentru un curent de 20 și RE = 1, se obtine Re = 10.

3. Calculul rezistenței de ieșire a sursei ,,cascoda". Circuitul se utilizează deoarece permite obținerea unei rezistențe Re1 de valoare mare, intrucât T1 are in emitor o rezistență RE=Re2, de valoare mare.

Se consideră tranzistoarele la acelasi curent. Reacția din baza lui T2 si prin diodele D1,D2 este foarte slabă.

Circuitul simplificat are forma :

Pentru aceasta:

In baza diodei D2 se vede rezistența

Pe circuitul simplificat

Deci

Adică o valoare foarte mare pentru de valoare mare. La curenți mai mari este mai mică.

Sursa de curent cascoda se utilizează atunci când se cere o foarte bună stabilizare a curentului la variațiile sarcinii.

4. Surse de curent multiple

Sursele de curent multiple folosesc o singură referință si mai multe ramuri de ieșire. Sursele multiple se pot realiza cu tranzistoare npn sau pnp.

b.

Surse de curent multiple realizate:

(a.) cu tranzistoare npn;

(b.) cu tranzistoare pnp;

5. Sursa de curent constant cu două tranzistoare si cu diode

Această sursă scoate la ieșire un curent constant de 1A.

6. Sursa de curent constant realizată cu circuitul LM 317

Sursă de curent constant

Microcontrolerul PIC. Periferice

Un microcontroler este sistemul folosit pentru a comanda și a prelua stări de la un proces sau aspect al mediului inconjurător. PIC (MicroChip) sunt primele MC RISC apărute, cu un număr mic de instrucțiuni (tipic 33). Simplitatea arhitecturii duce la realizarea unui chip de mici dimensiuni, cu puțini pini, consum redus, viteză mare și preț mic.

Unitatea de memorie

Memoria reprezintă o parte a microcontrolerului a cărei funcție este de a inmagazina date.

Cel mai ușor mod de a explica este de a-l descrie ca un dulap mare cu multe sertare. Dacă presupunem că am marcat sertarele într-un asemenea fel incât să nu fie confundate, oricare din conținutul lor va fi atunci ușor accesibil. Este suficient să se știe desemnarea sertarului și astfel continutul lui ne va fi cunoscut în mod sigur.

Pentru o anumită intrare obținem conținutul unei anumite locații de memorie adresate și aceasta este totul. Două noi concepte ne sunt aduse: adresarea și locația de memorie. Memoria constă din toate locațiile de memorie, și adresarea nu este altceva decât selectarea uneia din ele. Aceasta inseamnă că noi trebuie să selectăm locația de memorie la un capăt, și la celălalt capăt trebuie să așteptăm conținutul acelei locații. În afară de citirea dintr-o locație de memorie, memoria trebuie de asemenea să permită scrierea in ea. Aceasta se face prin asigurarea unei linii adiționale numită linie de control. Vom desemna această linie ca R/W (citește /scrie). Linia de control este folosită în următorul fel: dacă R/W=1, se face citirea, și dacă opusul este adevărat atunci se face scrierea în locația de memorie. Memoria este primul element, dar avem nevoie și de altele pentru ca microcontrolerul nostru să funcționeze.

Unitatea de procesare centrală

Să adăugăm alte 3 locații de memorie pentru un bloc specific ce va avea o capabilitate incorporată de inmulțire, împărțire, scădere și să-i mutăm conținutul dintr-o locație de memorie în alta. Partea pe care tocmai am adăugat-o este numită "unitatea de procesare centrală" (CPU). Locațiile ei de memorie sunt numite regiștri.

Regiștrii reprezintă locații de memorie al căror rol este de a ajuta prin executarea a variate operații matematice sau a altor operații cu date oriunde se vor fi gasit datele. Să privim la situația curentă. Avem două entități independente (memoria si CPU) ce sunt interconectate, și astfel orice schimb de informații este ascuns, ca și funcționalitatea sa. Dacă, de exemplu, dorim să adăugăm conținutul a două locații de memorie și intoarcem rezultatul înapoi în memorie, vom avea nevoie de o conexiune între memorie și CPU. Mai simplu formulat, trebuie să avem o anumită "cale" prin care datele circulă de la un bloc la altul.

Unitatea intrare-ieșire

Aceste locații ce tocmai le-am adăugat sunt numite "porturi". Sunt diferite tipuri de porturi: intrare, ieșire sau porturi pe două-căi. Când se lucrează cu porturi, mai întâi de toate este necesar să se aleagă cu ce port urmează să se lucreze, și apoi să se trimită date la, sau să se ia date de la port.

Când se lucrează cu el portul se comportă ca o locație de memorie. Ceva este pur și simplu scris în sau citit din el, și este posibil de a remarca ușor aceasta la pinii microcontrolerului.

Unitatea timer

Acum că avem comunicația serială, putem recepționa, trimite și procesa date.

Totuși, pentru noi ca să putem să îl folosim în industrie mai avem nevoie de câteva blocuri. Unul din acestea este blocul timer care este important pentru noi pentru că ne dă informația de timp, durată, protocol etc. Unitatea de bază a timer-ului este un contor liber (free-run) care este de fapt un registru a cărui valoare numerică crește cu unu la intervale egale, asa încât luându-i valoarea după intervalele T1 și T2 și pe baza diferenței lor să putem determina cât timp a trecut. Acesta este o parte foarte importantă a microcontrolerului al cărui control cere cea mai mare parte a timpului nostru.

Watchdog-ul

Un lucru ce necesită atenția este funcționarea fără defecte a microcontrolerului în timpul funcționării. Să presupunem ca urmare a unei anumite interferențe microcontrolerul nostru se oprește din executarea programului, sau și mai rău, începe să functțoneze incorect.

Bineînțeles, când aceasta se întamplă cu un calculator, il resetăm pur și simplu și va continua să lucreze. Totuși, nu există buton de resetare pe care să-l apăsăm în cazul microcontrolerului care să rezolve astfel problema noastră. Pentru a depăși acest obstacol, avem nevoie de a introduce încă un bloc numit watchdog-cainele de pază. Acest bloc este de fapt un alt contor liber (free-run) unde programul nostru trebuie să scrie un zero ori de câte ori se execută corect. În caz că programul se "înțepenește", nu se va mai scrie zero, iar contorul se va reseta singur la atingerea valorii sale maxime. Aceasta duce la rularea programului din nou, și corect de această dată pe toată durată. Acesta reprezintă element important al fiecărui program ce trebuie să fie fiabil fără supravegherea omului.

Convertorul Analog-Digital

Pentru ca semnalele de la periferice sunt substanțial diferite de cele pe care le poate întelege microcontrolerul (zero și unu), ele trebuie convertite într-un mod care să fie ințeles de microcontroler. Această sarcină este îndeplinită de un bloc pentru conversia analog-digitală sau de un convertor AD. Acest bloc este responsabil pentru convertirea unei informații despre o anumită valoare analogică într-un număr binar și pentru a o urmări pe tot parcursul la un bloc CPU asa că blocul CPU să o poată procesa.

Astfel microcontrolerul este acum terminat, și tot ce mai rămâne de făcut este de a-l pune într-o componentă electronică unde va accesa blocurile interioare prin pinii exteriori. Imaginea de mai jos arată cum arată un microcontroler în interior.

Configurația fizică a interiorului microcontrolerului

Liniile subțiri ce merg din interior către părțile laterale ale microcontrolerului reprezintă fire conectând blocurile interioare cu pinii capsulei microcontrolerului. Schema următoare reprezintă secțiunea centrală a microcontrolerului.

Reset-ul

Resetul este utilizat pentru a pune microcontrolerul într-o condiție 'cunoscută'. Aceasta înseamnă practic că microcontrolerul poate să se comporte incorect în unele condiții nedorite. Pentru a continua să funcționeze corect trebuie resetat, însemnând că toti regiștrii vor fi puși într-o stare de start. Resetul nu este folosit numai când microcontrolerul nu se comportă cum vrem noi, dar poate de asemenea să fie folosit când se încearcă un montaj ca o întrerupere într-un program de execuție sau când se pregătește un microcontroler de a citi un program.

Pentru a preveni ajungerea unui zero logic la pinul MCLR accidental (linia de deasupra înseamnă că resetul este activat de un zero logic), MCLR trebuie să fie conectat printr-un rezistor la polul pozitiv al sursei de alimentare. Rezistorul trebuie să fie între 5 și 10k. Acest rezistor a cărui funcție este de a menține o anumită linie la starea logică unu ca o prevenire, se numește o scoatere-pull up.

  Microcontrolerul PIC 16F876 are următoarele surse de reset:

a) Reset la alimentare, POR (Power-On Reset)
b) Reset în timpul lucrului obișnuit prin aducerea unui zero logic la pinul  MCLR al microcontrolerului.
c) Reset în timpul regimului SLEEP
d) Reset la depășirea timer-ului watchdog (WDT)
e) Reset în timpul depășirii WDT în timpul regimului SLEEP.

Cele mai importante resurse de reset sunt : a) si b). Prima are loc de fiecare dată când este alimentat microcontrolerul și servește la aducerea toturor regiștrilor la starea inițială a poziției de start. A doua este pentru a aduce un zero logic la pinul MCLR în timpul operației normale a microcontrolerului. Este des folosită în dezvoltarea de programe. 

Afisaj alfanumeric cu LCD

Cristalele lichide reprezintă o categorie de substanțe organice având molecule mari și asimetrice fapt ce le conferă proprietăți ce le situează într-o stare, între starea solidă caracteristică unui cristal și cea lichidă.

Sub acțiunea unui câmp electric exterior moleculele își modifică orientarea în spațiu ceea ce duce la modificarea proprietăților optice ale mediului. Cristalele lichide nu produc lumină ci doar își modifică transparența sub influența câmpului electric.

Afișajul cu cristale lichide

În figură este prezentat principiul de realizare al unui sistem de afișare cu cristal lichid. Electrodul E1 trebuie să fie transparent iar E2 să aiba depus un strat de oglinda orientată spre cristal. Electrodul E1, va avea forma impusă de modelul caracterelor ce se doresc a fi afișate.

Comanda electrică se face de obicei în curent alternativ cu amplitudinea 2-10V

și frecvența 30-400 Hz.

Principalul avantaj al acestui afișaj este consumul foarte mic de putere (μW). Se pot realiza usor configurații de afisaj alfa-numeric. Dezavantajul îl reprezinăt un timp mare de răspuns și al unui contrast scăzut față de afișajele cu LED-uri..

Afisaj LCD

Multe dispozitive cu microcontroler utilizează LCD-uri inteligente pentru a afișa informația vizuală. Următorul material se ocupă de conectarea unui afișaj LDC Hitachi la un microcontroler PIC. Afișajele LCD proiectate cu HD44780, modulul pentru LCD fabricat de Hitachi, nu sunt scumpe și sunt ușor de folosit, și chiar posibil să producă verificarea datelor afișate folosind cei 8×80 pixeli ai afișajului. Afișajele LCD Hitachi conșin un set de caractere ASCII plus simboluri japoneze, grecești și matematice.

Afisaj 16×2 HD44780

Fiecare dintre cei 640 de pixeli ai afișajului trebuie să poată fi accesat individual și aceasta se poate realiza cu un număr de integrate SMD pentru control montate pe spatele afișajului. Aceasta ne salvează de o cantitate enormă de fire și de un control adecvat astfel încât sunt necesare doar cateva linii pentru a accesa afișajul. Putem comunica cu afișajul prin intermediul unui bus de date pe 8 biți sau de 4 biți. Pentru un bus de 8 biți, afișajul are nevoie de o tensiune de alimentare de +5v și 11 linii I/O. Pentru un bus de 4 biți sunt necesare doar liniile de alimentare și 7 linii. Când afisajul LCD nu este pornit liniile de date sunt TRI-STATE, ceea ce înseamnă că ele sunt în stare de înaltă impedanță (ca și cum ar fi deconectate) și astfel nu interferează cu funcționabilitatea microcontrolerului când afisajul nu este adresat. LCDul necesită de 3 linii de control de la microcontroler.

Linia Enable (E) permite accesul la afișaj prin intermediul liniilor R/W si RS. Când această linie este LOW, LCDul este dezactivat și ignoră semnalele de la R/W si RS. Când linia (E) este HIGH, LCDul verifică starea celor două linii de control și răspunde corespunzător.

Linia Read/Write (R/W) stabilește direcția datelor dintre LCD și microcontroler. Când linia este LOW, datele sunt scrise în LCD. Când este HIGH, datele sunt citite de la LCD.

Cu ajutorul liniei Register select (RS), LCD interpretează tipul datelor de pe liniile de date. Când este LOW, o instrucțiune este scrisă în LCD. Când este HIGH, un caracter este scris în LCD.

Starea logica a liniilor de control:

E  – 0  -Accesul la LCD dezactivat

    – 1  -Accesul la LCD activat

R/W  – 0  -Scrie date in LCD

        – 1 – Citește date din LCD

RS – 0 -Instructiuni

     – 1 -Caracter

Scrierea datelor in LCD se realizează în următorii pași:

– se setează bitul R/W LOW

– se setează bitul RS in 0 sau 1 logic (instrucțiune sau caracter)

– se trimit datele către liniile de date (daca se execută o scriere)

– se setează linia E HIGH

– se citesc datele de la liniile de date (daca se execută o citire)

Citirea datelor de la LCD se realizează similar, cu deosebirea ca linia de control R/W trebuie să fie HIGH. Când trimitem un HIGH către LCD, el se va reseta si va accepta instrucțiuni. Instrucțiunile tipice care sunt transmise către un afisaj LCD după reset sunt: pornirea afișajului, activarea cursorului și scrierea caracterelor de la stanga spre dreapta. În momentul în care un LCD este inițializat, el este pregătit să primească date sau instrucțiuni. Dacă recepționează un caracter, el îl va afișa și va muta cursorul un spațiu la dreapta. Cursorul marchează locația următoare unde un caracter va fi afișat. Când dorim să scriem un șir de caractere, mai întâi trebuie să setăm adresa de start, și apoi să trimitem câte un caracter pe rând. Caracterele care pot fi afișate pe ecran sunt memorate în memoria video DD RAM (Data Display RAM). Capacitatea memoriei DD RAM este de 80 bytes.

Afisajul LCD mai conține 64 bytes CG RAM ( Character Generator RAM). Această memorie este rezervată pentru caracterele definite de utilizator. Datele din CG RAM sunt reprezentate sub formă de caractere bitmap de 8 biți. Fiecare caracter ocupă maxim 8 bytes în CG RAM. Numărul total de caractere pe care un utilizator poate să le definească este 8. Pentru a afișa caracterul bitmap pe LCD, trebuie setată adresa CG RAM la punctul de start (de obicei 0) și apoi să fie scrise datele în afișaj. Definirea unui caracter ‚special’ este exemplificată in figură.

Inainte de a accesa DD RAM, după definirea unui caracter special, programul trebuie să seteze adresa în DD RAM. Orice scriere și citire a datelor din memoria LCD este realizată de la ultima adresă care a fost setată, folosind instrucțiunea set-adress. Odată ce adresa DD RAM este setată, un caracter nou va fi afișat în locul potrivit pe ecran. Până acum am discutat operatia de scriere și citire a memoriei unui LCD ca și cum ar fi o memorie obisnuită. Acest lucru nu este adevarat. Controlerul LCD are nevoie de 40 până la 120 microsecunde (us) pentru scriere și citire. Alte operații pot dura până la 5 ms.

Capitolul 3

Proiectarea circuitului de descărcare

3.1 Proiectarea generatorului de curent constant comandat PWM

Datele de proiectare are generatorului sunt :

Iout=0-10 A;

V=12V;

Vmin=2,5V;

D = 0-0,9;

F = 10KHz;

Schema electrică a generatorului de curent

Proiectarea filtrului trece jos

Frecvența de tăiere a filtrului, ft, este

Se alege mult mai mică decât frecvența fundamentală f=10KHz.

Se impune ca pe intrarea neinversoare să avem un factor de ondulație γ<0,006. Folosind relația de la redresoare cu filtraj, valabilă pentru γ mici,

Și alegând R1=30KΩ rezultă C1=277nF.

Aleg C1=330nF

Calculul R4

= η*=

Rezulta R4 =

PR4max = R4Ipvmax =

Se alege R4 = 10 Ω / 10W. Am ales Pn,R2>> PR2,max pentru a micsora influenta incalzirii rezistorului asupra preciziei generatorului.

Se va utiliza un rezistor cu coeficient de temperatura mic si toleranta mica.

Rezistorul R2 asigura un curent de colector minim pentru Q1. S-a ales Ic1 = 0,6 mA si a rezultat R3=1KΩ.

Alegerea tranzistorului Q2

Vce,max=V-Vmin =12-0=12 V

Ic2,max=Ipv,max=

Pd,max=Vce,max*Ic2=

Am ales tranzistorul 2N3055, care indeplineste aceste conditii.

Alegerea tranzistorului Q1

Ic1,max=Ipv,max=

βf2=

Tranzistorul ales, 2N2222, indeplineste aceste conditii.

3.2 Proiectarea circuitului de control al sursei de curent constant

În aceast caz, un microcontroller PIC16F876 este folosit pentru a implementa funcția de control. Această funcție de control include următoarele blocuri: generare semnal PWM, achiziție valoare tensiune panou fotovoltaic algoritm de control, și modulator.

Modulatorul – PWM

Una dintre cele mai simple tehnici de modulație utilizate pentru a controla un convertor DC / DC este modulația impulsurilor în frecventă.

Modulatorul generează un tren de impulsuri pentru a activa convertorul de putere.

Impulsuri au o durată a impulsului variabila și o perioadă fixă (de 10KHz). În funcție de valoarea curentului de ieșire modulatorul modifică factorul de umplere al impulsurilor de comandă. Valoarea tensiunii pe sarcină va fi dată de relația:

Vout=Vin*d, unde d este factorul de umplere și poate lua valori de la 10% la 99% din valoare frecvenței impulsului de comandă.

Proiectarea sursei de alimentare a microcontrolerului

Microcontrolerul ales necesită o tensiune de alimentare de 5V dc. Schema electrică a acestei surse este urmatoarea:

Schema sursa de tensiune stabilizata 5V

Circuitul integrat LM7805

Este un stabilizator de tensiune pozitivă cu mai multe variante de prezentare, ceea ce îl face folositor într-o gamă largă de aplicații. Fiecare tip folosește o limitare internă de curent, o stopare termică și o arie de lucru sigură, ceea ce îl face, teoretic, indestructibil. Dacă îi este asigurat un regim de lucru adecvat poate livra un curent de ieșire de peste 1A. De asemenea, cu ajutorul unor componente externe, se pot obține tensiuni și curenți reglabili.

Schema internă a circuitului integrat LM78XX este următoarea:

Caracteristici:

curent de ieșire: peste 1A;

tensiune de ieșire: 5V;

protecție la supraîncărcare termică;

protecție la scurt circuit;

protecție cu tranzistor pe ieșire.

Pentru a funcționa corect sau pentru a avea o tensiune stabilizată la 5V la ieșire (pinul 3), tensiunea de intrare pe pinul 1 la LM7805 ar trebui să fie între 7V și 35V. În funcție de curentul consumat de montaj vom folosi tipul corespunzător de stabilizator de tensiune LM7805. Sunt diferite versiuni de LM7805. Pentru consum de curent de până la un 1A am folosit versiunea în capsulă TO-220 cu posibilitatea de răcire adițională. Condensatoarele C6 și C8 electrolitice asigură filtrarea tensiunii iar condensatoarele C11, C5 ceramice asigură tensiunea pentru eventualele vârfuri de curent și au si rolul de a filtra zgomotului.

Condensatorul C6 și C8 se calculează cu relația :

rezultănd

Condensatorul C6 electrolitic cu următorii parametrii:

capacitate 100 μF

tensiune nominală 10V

Condensatorul C11 si C5 ceramic cu următorii parametrii:

capacitate 100 nF

tensiune nominală 100V

Condensatorul C8 electrolitic cu următorii parametrii:

capacitate 10μF

tensiune nominală 100V

3.3. Simularea sursei de curent implementata hardware

Schema electrica a generatorului de current constant realizata în PROTEUS

Parametrii simularii sunt:

sursa de tensiune 18V c.c.

sursa de impulsuri 0-5V, 50%, 1KHz

Forma de undă a semnalului de comandă și după filtrul trece jos

Forma de undă a semnalului de la intrarea în AO

Forma de undă a tensiunii de ieșire (Vpv)

Forma de undă a curentului prin sarcină (Ipv)

Formele de undă corelate în timp

3.4. Simularea controlului cu PIC16F876 implementat hardware

Schema electrică a microcontrolerului realizată în PROTEUS

Forma de undă a semnalului de comandă

Transmisia serial a datelor către PC

3.5. Realizare practica cablaj cu PIC16F876

Schemă realizare practică cu PIC16F876

Cablaj general

Față BOTTOM

Amplasare componente

Bibliografie

Cap 1.

“ALIMENTAREA CU ENERGIE ELECTRICA A AUTOVEHICULELOR “, Lefter Emilian , EDITURA MEDIAMIRA Cluj-Napoca 2006.

“ECHIPAMENT ELECTRIC SI ELECTRONIC PENTRU AUTOMOBILE” , Lefter Emilian , Pitesti 1991.

-Nicu Bizon and Lucian Dascalescu Autonomous Vehicles: Intelligent Transport Systems and Smart Technologies ,

-Cap. 15 Bogdan Enache, Emilian Lefter and Costin Cepișcă, Batteries for Electrical Vehicles: A Review, Ed. Nova, 2014.

http://www.electrotehnica.ro/files/SCC%20surse%20cc-%20redresoare.pdf

Cap 2.