Всё более популярная тема создания электромобилей, постепенно вытесняет обычные бензиновые. Действительно,
электромобиль гораздо проще в изготовлении, управлении и эксплуатации. К тому же ещё немаловажное достоинство - это экологичность. В данной статье мы и попытаемся рассмотреть вопрос самостоятельного изготовления электромобиля своими руками.
Электромобиль содержит электродвигатели, питаемые от батарей с топливными элементами. Электроды (анод и катод) топливного элемента выполнены в форме квадрата или прямоугольника, многоугольника, окружности, овала и расположены коаксильно или параллельно друг другу с надлежащим интервалом. Между ними содержится электролит, а в центре и окраине топливного элемента расположены герметичные полости с реагентами. Топливные элементы выполнены с возможностью подачи топлива и окислителя в полости, граничащие с электродами, с помощью вакуум-насосов и с возможностью поточного производства топлива водорода и окислителя кислорода непосредственно из воды в автомобиле в процессе его работы путем электролиза или расщепления воды на водород и кислород и прямого преобразования их в электрическую энергию. Устройства для расщепления воды выполнены с возможностью преобразования переменного тока в постоянный ток, преобразования параметров напряжения в ток высокого напряжения в десятки тысяч вольт, создания электрических импульсов при помощи генератора электрических импульсов и возможности регулирования напряжения продолжительности импульсов для деформации и разрыва связей молекул воды и расщепления на водород и кислород и перемещения их в полости топливного элемента. Устройство для расщепления воды может быть выполнено в форме электролизера. Технический результат заключается в снижении затрат и расширении технологических возможностей при производстве
Есть два узла, сборка которых вызывает некоторые трудности, особенно у неподготовленных радиолюбителей. Речь идёт об узле регулировки скорости двигателя и зарядном устройстве для мощных, как правило литий - ионных аккумуляторов. Сложность здесь заключается в значительных токах - более 50А. Ведь для легкового электромобиля нужен электродвигатель мощностью около 5 - 20 кВт. Различные микро - и ШИМ контроллеры применяемые в заводских моделях электромобилей слишком сложны в изготовлении и настройке, а простые схемы на КРЕНках никак не выдержат такие токи. Ниже предлагается несложные в сборке схемы регулятора и ЗУ подходящие для тех, кто хочет собрать электромобиль своими руками.
Основой данного регулятора скорости вращения от нуля до максимума, используется импульсная схема с изменением ширины прямоугольных импульсов напряжения, подаваемых на обмотку двигателя. Генератором и формирователем импульсов является микросхема HEF4069, причём желательно с индексом UB, имеющая полевые ключи на выходе логических элементов, раскачивающие Н - канальные мосфеты.
С выхода инверторов, сигнал управляет тремя запараллелеными полевыми транзисторами IRF540 или другими аналогичными с током более 25А. К стоку их, подключен двигатель постоянного тока мощностью несколько киловатт. Паралельно ему установлен диод, для защиты полевиков от обратных полуволн отрицательного напряжения возникающих в процессе работы.
Ещё одним узлом с большими коммутируемыми токами является блок ЗУ для аккумулятора. Как известно в электромобилях стоят аккумуляторы с напряжением 12 - 200В (в зависимости от модели) и ёмкостью в пределах 100 - 500А. Значит заряжать их нужно током около 10 - 50А. Можно реализовать эту функцию на классическом транзисторном стабилизаторе с тремя мощными биполярными транзисторами MJ15003 включенными в параллель.
Так как максимальный выходной ток миросхемы L200 составляет 10 А, умощним микросхему так-же тремя параллельно включенными транзисторами MJ15004.
Думаю нет необходимости говорить о том, что радиаторы обязательны, причём очень большие радиаторы - рассеиваемая на них мощность может достигать сотни ватт. Эта схема может выдать ток до 40А при входном напряжении 35В. При выборе трансформатора и выпрямителя - лучше всего брать входное напряжение стабилизатора на 10-15В больше выходного. Электролитический конденсатор фильтра должен быть где то 10000 - 40000мф 50В. Аккумуляторы заряжаются таким зарядным устройством током, равным 10 - 20% от номинальной емкости литий - ионных аккумуляторов, примерно за ночь. Можно установить для электромобиля и батарею составленную из обычных свинцовых аккумуляторов, на опытных образцах это позволяло проехать на одной зарядке около 50 км со скоростью до 100 км/ч
Мой хороший знакомый задумал сделать электромобиль. Что из этого получилось - можно ознакомиться хотя бы по ссылке Sreampunk Trike Игоря Яровенко. Так уж получилось, что ему попался электродвигатель последовательного возбуждения мощностью ориентировочно 5 кВатт при напряжении 80 Вольт. Откуда этот двигатель - история умалчивает.
Особо следует отметить, что электромобиль - это сильнотоковая электроника, которая не прощает ошибок в монтаже и расположении проводов. За кажущейся простотой принципиальной схемы скрывается важность соблюдения монтажа всех элементов схемы. И если при питании от 12-24 Вольт последствия неправильного монтажа и компоновки не столь значительны, то при использовании напряжения 70-80 Вольт результаты неправильной компоновки могут быть весьма плачевны. Собственно практически найденные косяки и недостатки послужили поводом для написания данной статьи.
Перейдем непосредственно к описанию схемы. Питание электромобиля осуществляется от 6 стартерных автомобильных аккумуляторов. Таким образом получаем напряжение питания порядка 80 Вольт. Для управления двигателем применен простейший ШИМ-регулятор на основе микроконтроллера PIC12F675. Почему именно микроконтроллер? Да просто планировалось дальнейшее расширение функционала (правда уже и не помню в какую сторону). Микроконтроллер управляет через драйвер IR4227 четырьмя мощными полевыми транзисторами IRFP260, в цепь стока которых подключен электродвигатель. Таким образом можно разделить управляющую часть схемы (микроконтроллер, драйвер) и силовую часть (транзисторы, электродвигатель). Питание управляющей части реализовано посредством блока питания на микросхеме KA3842, включенной по типовой схеме. Первоначально для этих целей использовался готовый блок питания на данной микросхеме с выходом на 15-18 Вольт. Было проверено штук 5 подобных блоков питания и все они отлично запускались при напряжении вплоть до 60 Вольт. Правда при этом не проверялся максимально выдаваемый ток. Далее через стабилизатор 7805 питается микроконтроллер.
Рассмотрим работу блока электроники.
При замыкании кнопки BUT1 (в электромобиле она соответствует как-бы ключу зажигания) подается питание на реле RL1. В целях снижения нагрева обмотки реле и для защиты от срабатывания реле при разряде аккумуляторов применена схема из конденсатора и резистора C1-R1. Разберем работу этой схемы. При замыкании кнопки BUT1 (поворота ключа зажигания) обмотка реле RL1 подключается к аккумуляторам через конденсатор C1 и резистор R1, соединенные параллельно. В первые моменты ток протекает через конденсатор C1, обеспечивая его заряд. Емкость конденсатора C1 подобрана таким образом, чтобы реле RL1 надежно срабатывало от протекающего зарядного тока. Поскольку первоначально конденсатор C1 разряжен, то протекающий ток имеет достаточную величину для надежного срабатывания реле RL1. По мере заряда конденсатора C1 ток через обмотку реле RL1 уменьшается и при полностью заряженном конденсаторе C1 через обмотку реле протекает только ток, величина которого задается резистором R1. Резистор R1 подбирается таким образом, чтобы обеспечить ток удержания реле RL1, который, как правило, меньше тока срабатывания в 3-5 раз.Через замкнутые контакты реле RL1 питание от аккумуляторов подается на блок питания, питающий управляющую часть, и на схему подключения силовой части. Если по каким-либо причинам аккумуляторы будут разряжены, то и ток через обмотку реле RL1, определяемый резистором R1, будет меньше тока удержания, что приведет к отпусканию контактов реле RL1 и отключению управляющей и силовой частей. В практическом исполнении применялись реле на 24 Вольта. Подбором элементов добивался стабильного срабатывания реле при напряжении порядка 72 Вольта и размыкания контактов реле при напряжении 65 Вольт. Схема подключения силовой части выполнена по аналогичной схеме на элементах, только здесь роль реле играет пускатель с обмоткой на 110 Вольт переменного тока. Кнопка механически через тросик связана с ручкой сцепления.
При подаче питания на управляющую часть начинает работать ШИМ-генератор на базе микроконтроллера PIC12F675 (U1) и драйвера TC4427 (U2). Отношение импульс/пауза задается напряжением на входе АЦП микроконтроллера, которое в свою очередь определяется положением ползунка резистора RV2 механически связанного тросиком с ручкой скорости. Всего реализовано как-бы 8 ступеней скорости, но это легко меняется в программе для микроконтроллера. Желательно использование именно специализированного драйвера для управления полевыми транзисторами, поскольку любой завал фронтов импульсов при переключении может привести к перегреву и выходу силовых транзисторов из строя. Осциллограммы импульсов, вырабатываемых генератором, показаны ниже:
В процессе наладки выяснилось, что даже когда электромобиль стоит, то на двигатель желательно подавать небольшое напряжение (левая осциллограмма). Тогда электромобиль трогается с места плавно, без рывков. В электромобиле силовая часть подключается отдельным пускателем, связанным с ручкой "сцепление". Как правило в режиме остановки электромобиля ручка "сцепление" отпущена и силовая часть не подключена к аккумуляторам, соответственно и потребление энергии не происходит. Переключение скоростей в дальнейшем диапазоне происходит довольно плавно. Между микроконтроллером U1 и резистором RV2 включен эммитерный повторитель на базе транзистора Q2. Он предназначен для согласования достаточно высокого сопротивления резистора RV2 с аналоговым входом микроконтроллера U1, для которого требуется источник аналогового сигнала с внутренним сопротивлением не более 2,5 кОм. В процессе отладки выяснилось, что в случае если электромобиль стоит и в это время выкрутить ручку скорости почти на максимум, а потом уже выжать сцепление, тем самым подав питание на силовую часть, через силовые транзисторы Q1 происходит большой скачок тока, приводящий к их пробою. Чтобы этого избежать резистор задания скорости RV2 запитан от силовой части, что гарантирует подачу напряжения на регулятор скорости только при выжатом сцеплении. Конденсатор C3 обеспечивает плавное изменение напряжения на резисторе, что исключает броски тока через транзисторы силовой части.
Силовая часть - это мощные IGBT транзисторы (на схеме показан только один Q1), дроссель DR1, защитный диод D3, RC-цепочка C4-R8 и электродвигатель. Теоретически для управления электродвигателем достаточно установить только транзистор Q1. Но теория и практика - разные вещи. Для примера приведу некоторые осциллограммы.
И дополнительная информация по компоновке деталей. Рассмотрим фото собранного и установленного блока.
Отмечу, что было собрано два таких блока, один из них установлен в электромобиль, второй находится в резерве. Фотографию резервного блока также привожу, поскольку на ней лучше видна компоновка элементов.
Думаю, что комментарии излишни, тем более, что файл печатной платы прилагается. Особо хочется отметить, что дополнительно к конденсатором, установленным на плате, емкостью по 3300мкФ*100 Вольт непосредственно возле аккумуляторов было установлено два конденсатора по 10000 мкФ*100 Вольт (на фото их нет). Все печатные проводники, относящиеся к силовой части, дополнительно усилены медными проводами.
Дополнительно, по результатам 2-х сезонов эксплуатации первого варианта блока выявились следующее. Максимальные токи потребления, естественно, при старте электромобиля. Средний ток потребления составляет не более 20 Ампер. Это проверялось установкой предохранителя. Предохранитель на 15 Ампер периодически сгорал, 20-ти Амперный предохранитель выдерживает даже старт электромобиля. Электролитические конденсаторы по силовой цепи все-таки вздулись. Причем сильнее всего вздулись конденсаторы, установленные непосредственно возле аккумуляторных батарей. Исследований, с чем это связано, не проводилось. Просто вместо конденсаторов на плате были установлены новые, а возле аккумуляторов установлен один конденсатор 68000 мкФ*100 Вольт. По возможности также добавлены пленочные конденсаторы 0,1 мкФ*100 Вольт в параллель электролитам. Аккумуляторы использовались автомобильные фирмы VARTA на 45 Ампер*часов и пока они еще живые, хотя емкость уже не та. Зарядное устройство для аккумуляторов построено по стандартной схеме: трансформатор - диодный мост - ограничительный резистор - контроль напряжения. Схема рекуперации (возврат электроэнергии при торможении) не использовалась.
Программа для микроконтроллера написана в среде на диалекте BASIC. Программа содержит комментарии и ее рассматривать не будем. Тем более, что основная цель статьи - описание силовой части. А управляющая часть легко реализуема и без микроконтроллера.
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| U1 | МК PIC 8-бит | PIC12F675 | 1 | В блокнот | ||
| U2 | Драйвер питания и MOSFET | TC4427 | 1 | В блокнот | ||
| Q1 | MOSFET-транзистор | IRFP260N | 1 | В блокнот | ||
| D1 | Стабилитрон | 1N4734A | 1 | В блокнот | ||
| D2 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | ||
| D3 | Диод | BYT30 | 1 | В блокнот | ||
| RV2 | Переменный резистор | 10 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R1, R5 | Резистор | 1 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R4 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R6 | Резистор | 100 Ом | 1 |
ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ СВОИМИ РУКАМИ
Всё более популярная тема создания электромобилей, постепенно вытесняет обычные бензиновые. Действительно, электромобиль гораздо проще в изготовлении, управлении и эксплуатации. К тому же ещё немаловажное достоинство - это экологичность. В данной статье мы и попытаемся рассмотреть вопрос самостоятельного изготовления электромобиля своими руками.
Но есть два узла, сборка которых вызывает некоторые трудности, особенно у неподготовленных радиолюбителей. Речь идёт об узле регулировки скорости двигателя и зарядном устройстве для мощных, как правило литий - ионных аккумуляторов. Сложность здесь заключается в значительных токах - более 50А. Ведь для легкового электромобиля нужен электродвигатель мощностью около 5 - 20 кВт. Различные микро - и ШИМ контроллеры применяемые в заводских моделях электромобилей слишком сложны в изготовлении и настройке, а простые схемы на КРЕНках никак не выдержат такие токи. Ниже предлагается несложные в сборке схемы регулятора и ЗУ подходящие для тех, кто хочет собрать электромобиль своими руками .
Основой данного регулятора скорости вращения от нуля до максимума, используется импульсная схема с изменением ширины прямоугольных импульсов напряжения, подаваемых на обмотку двигателя. Генератором и формирователем импульсов является микросхема HEF4069, причём желательно с индексом UB, имеющая полевые ключи на выходе логических элементов, раскачивающие Н - канальные мосфеты.
С выхода инверторов, сигнал управляет тремя запараллелеными полевыми транзисторами IRF540 или другими аналогичными с током более 25А. К стоку их, подключен двигатель постоянного тока мощностью несколько киловатт. Параллельно ему установлен диод, для защиты полевиков от обратных полуволн отрицательного напряжения возникающих в процессе работы.
Ещё одним узлом с большими коммутируемыми токами является блок ЗУ для аккумулятора. Как известно в электромобилях стоят аккумуляторы с напряжением 12 - 200 В (в зависимости от модели) и ёмкостью в пределах 100 - 500 А. Значит заряжать их нужно током около 10 - 50 А. Можно реализовать эту функцию на классическом транзисторном стабилизаторе с тремя мощными биполярными транзисторами MJ15003 включенными в параллель. Более совершенный вариант схемы смотрим
А можно и на специализированной микросхеме L200, специально предназначенной для использования в стабилизаторах.
Так как максимальный выходной ток микросхемы L200 составляет 10 А, умощним микросхему так-же тремя параллельно включенными транзисторами MJ15004.
Думаю нет необходимости говорить о том, что радиаторы обязательны, причём очень большие радиаторы - рассеиваемая на них мощность может достигать сотни ватт. Эта схема может выдать ток до 40 А при входном напряжении 35 В. При выборе трансформатора и выпрямителя - лучше всего брать входное напряжение стабилизатора на 10-15 В больше выходного. Электролитический конденсатор фильтра должен быть где то 10000 - 40000 мкф 50 В. Аккумуляторы заряжаются таким зарядным устройством током, равным 10 - 20% от номинальной емкости литий - ионных аккумуляторов, примерно за ночь. Можно установить для электромобиля и батарею составленную из обычных свинцовых аккумуляторов, на опытных образцах это позволяло проехать на одной зарядке около 50 км со скоростью до 100 км/ч.
При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?
Они выполняются с использованием полевых или Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р-n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.
В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой. В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.
В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.
А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:
Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.
Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.
С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах Поэтому в них применяются специальные где есть управляющий р-n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:
Транзисторный ключ реле - вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки - и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.
Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое - превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.
В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.
Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:
1) Коллектор-эмиттер - 45 В. Общая рассеиваемая мощность - 500 mw. Коллектор-эмиттер - 0,2 В. Граничная частота работы - 100 мГц. База-эмиттер - 0,9 В. Коллекторный ток - 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока - 200.
2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.
3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45\0,06=57,5 Ом.
4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.
5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).
6) Сколько будет на резисторе базы: 5 - 0,9 = 4,1В.
7) Определяем базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.
И напоследок про название "электронные ключи". Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом - дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.
