Příloha č. 1 Prototyp mikroprocesorově řízeného ohřevu aktivních vložek využívající moderních polovodičových prvků (popis jednotlivých bloků)
Úvod Sofistikované zařízení pro ohřev aktivních vložek, slouží k distribuci výkonu do aktivních topných vložek zabudovaných přímo do oděvu. Je schopno dodat vložkám požadovaný bezztrátový výkon za pomocí moderních polovodičových prvků. Regulace je řízena mikroprocesorovou jednotkou, která v pěti rozsazích reguluje výstupní výkon. Výkon je indikován pomocí pěti LED diod v rozsazích 20, 40, 60, 80 a 100%. Výkon si může uživatel pomocí dvojice mikrospínačů sám navolit. Zařízení dále obsahuje inteligentní regulaci nabíjení akumulátorových Li-Ion článků s indikací nabití a jediný konektor, na který se připojuje buď aktivní topné vložky, nebo stabilizovaný zdroj pro nabíjení akumulátorů. Toto zařízení přednostně slouží všude tam, kde je třeba zvýšit krátkodobě tělesnou teplotu člověka, zejména ve složkách záchranářů, policie, v chladírenském odvětví, v horské turistice a ve všech rekreačních nebo profesionálních zimních sportech. Popis jednotlivých bloků zařízení pro ohřev aktivních vložek Zařízení tvoří několik důležitých bloků, mezi které patří především: - Řídící jednotka o Mikroprocesor o Výkonové spínací obvody o Napájecí obvod řídící elektroniky o Periferní zařízení (mikrospínače) o Obvod zajišťující optimální nabíjení a Li-Ion akumulátorů o Indikace LED: stavu nabíjení, výstupní regulace, zapnutí přístroje - Akumulátorové články - Stabilizovaný zdroj +12 V/1400mA - Aktivní topné vložky Na Obr. 1-1 je zobrazeno blokové schéma zařízení pro ohřev aktivních vložek. Srdcem zařízení je 8 bitová mikroprocesorová jednotka napájená z LDO stabilizátoru, která řídí výstupní výkon skrz výkonové spínací obvody do topných vložek. Součástí jednotky je obvod pro řízení nabíjení akumulátorů, který optimálně za pomocí připojeného stabilizovaného zdroje nabíjí akumulátory na požadovanou úroveň. Dále Jednotka obsahuje periferní mikrospínače pro nastavení výkonu popř. pro zapnutí nebo vypnutí přístroje. Vše je inteligentně indikováno pomocí pětice LED diod. K zařízení je možno zapojit do jednoho konektoru buď aktivní topné vložky, nebo stabilizovaný zdroj.
Obr. 1-1 Blokové schéma zařízení pro ohřev aktivních vložek
Řídící jednotka: IC3 je tvořená 8 bitovým mikroprocesorem AT89LP4052 pracujícím na frekvenci 4,096MHz. Tato frekvence je dodávána pomocí keramického rezonátoru XT1 tvořícího požadovaný oscilátor. Mikroprocesor řídí pomocí PWM řízení výstupní MOSFET výkonové tranzistory VT3,VT4, které spínají výkon z akumulátorů připojených na svorky BA1,BA2 přes výstupní konektor CN2 do topných vložek. Zapojení MOSFET tranzisotrů je zdvojené z důvodu zamezení toku reverzního proudu přes vnitřní parazitní diody tranzistorů zpátky do akumulátorů.v sepnutém stavu jsou tranzistory obousměrně otevřeny, v rozepnutém stavu jsou obousměrně uzavřeny.důvodem tohoto řešení je použítí jednoho konektoru jak pro nabíjení akumulátorů tak pro napájení topných vložek. Tranzistory jsou moderní polovodiče s minimálními výkonovými ztrátami. Mikroprocesor lze programovat přes ISP rozhraní tvořeným přimo kontakty na kratší straně desky s plošnými spoji. Mikroprocesor je napájen z LDO stabilizátoru IC2, který je nastaven na napětí 3,3 V. Mikroprocesor snímá za pomocí vnitřního komparátoru aktuální napětí akumulátorů a v případě jejich vybití pod úroveň 5,9 V odpojí LDO stabilizátor a celé zařízení se vypne. Vstupní úrovně komparátoru jsou definovány referenčním napětím 3,3V tvořeným napěťovým děličem R20, R22 a snímacím napětím akumulátorů tvořeným napěťovým děličem R19 a R21. K zapnutí celého zařízení je třeba sepnout mikrospínač SW2 tak dlouho dokud neproběhne celý startovací cyklus indikovaný rozsvícením všech LED diod. Pomocí tohoto mikrospínače se přivede na pin EN LDO stabilizátoru požadovaná spouštěcí úroveň a stabilizátor začne napájet celou elektroniku včetně mikroprocesoru, který si poté přidrží pomocí R17 a VD6 požadovanou úroveň na pinu EN LDO stabilizátoru natrvalo.poté je již možno regulovat výstupní výkon do topných vložek pomocí mikrospínačů SW1 (výkon se snižuje) a SW2 (výkon se zvyšuje).daná úroveň výkonu je indikována pomocí modrých LED diod VD1 až VD5. Vypnutí přístroje je zajištěno sepnutím mikrospínače SW1 po dobu 3 sekund.po tomto sepnutí si mikroprocesor automatický odpojí LDO stabilizátor a celé zařízení se vypne. Optimální nabíjení Li-Ion akumulátorů je zajištěno pomocí nabíjecího obvodu IC1 firmy MicroChip, který umožňuje monitorovat aktuální stav připojených akumulátorů a případně je automaticky dobíjet (nutno mít připojen stabilizovaný zdroj). Obvod má vstupní přepěťovou ochranu na 13V, podpěťovou ochranu na 4,15V, ochranu před zpětným proudem, výstupní status pin a dva režimy nabíjení. První režím nabíjení je konstantním proudem, druhý konstantním napětím. Výstupní nabíjecí proud 1,1A je dán hodnotou rezistoru R1. Obvod je plně automatický a není třeba ho jinak nastavovat. Na pinu STAT jsou vyvedeny příslušné napěťové úrovně, které indikují nabíjecí stavy. Tyto úrovně jsou vyhodnocovány mikroprocesorem, který poté indikuje pomocí LED diod nabíjecí proces. Pro nabíjení je nutno připojit na konektor CN2 požadovaný Stabilizovaný zdroj 12V/1400mAh,
Obr. 1-2 Řídicí jednotka včetně akumulátorů pohled z perspektivy Obr. 1-3 Řídicí jednotka včetně akumulátorů pohled shora
Obr. 1-4 Řídicí jednotka včetně akumulátorů pohled zepředu Obr. 1-5 Řídicí jednotka včetně akumulátorů pohled zdola
Akumulátorové články: Zdrojem energie pro celé zařízení byly vybrány technologicky inovované Li-Ion akumulátory NCR18650B 3,7V/3400mAh firmy Panasonic, zapojené v sérii tvořícím zdroj o celkovém napětí 7,4 V. Toto napětí bylo zvoleno vzhledem k požadovanému výkonu topných vložek jako ideální. Je také tímto zamezeno, aby se LDO stabilizátor IC2 dostal vlivem nízkého vstupního napětí do nedefinovaného stavu. Akumulátory společně s Řídící jednotkou tvoří jeden celek. Podle kapacity lze volit ze dvou provedení napájení a to 7,4V/3400mAh (2 aku.) nebo 7,4V/6800mAh (4 aku.). Akumulátory se přímo zapojují na desku s plošnými spoji dle dané polarity. Obr. 1-6 Deska plošných spojů pohled shora Obr. 1-7 Budící obvody pohled zespodu Stabilizovaný zdroj 12V/1400mAh: je určen pro nabíjení akumulátorů v Řídící jednotce a zapojuje se do konektoru CN2. Výkon zdroje byl zvolen dle požadovaných parametrů pro nabíjení, které je nastaveno obvode IC1 na maximálně 1,1A.
Aktivní topné vložky: Aktivní topné vložky slouží k ohřevu a v jejich tkanině jsou obsaženy vodivé mikrovlákna s obsahem stříbra. Rozměr ativní topné části vložky je 20 x 10 cm s vnitřní hodnotou odporu 0,56 Ω. Vložky jsou všity přímo do oděvu a tvoří jeho součást. K propojení s Řídicí jednotkou je použit kabel s koncovkou pro konektor CN2. Opačné strany kabelu jsou vodivě propojeny přímo se sběrnicí aktivní topné vložky. Na Obr. 1-8 jsou zobrazeny aktivní topné vložky zapojené do série s možností připojení na konektor s označením CN2. Detal aktivní topné vložky je ukázan na Obr. 1-9. Na obou stranách vložky je patrná sběrnice, na kterou se napojují jednotlivá vodivá mikrovlákna. Zároveň se této sběrnici přivádí napájení. Obr. 1-8 Aktivní topné vložky
Obr. 1-9 Aktivní topné vložky - DETAIL