طراحي و پياده سازي مدار شارژر باتري و مدار درايور موتورها

پيشگفتار
در اين بخش مراحل كارهاي انجام شده و طراحي هاي صورت گرفته براي ساخت مدارهاي شارژر باتريها و درايور موتورهاي dc كه مورد استفاده قرار گرفته اند به اضافه مدار مولد PWM به طور دقيق تشريح شده است.

ابتدا اجمالاً مطالبي را كه در گزارشهاي پيشين گفته شد مرور مي كنيم- معرفي سلولهاي خورشيدي و علت رواج استفاده از آن در سالهاي اخير و همچنين بلوك دياگرام مدارهاي لازم. بعد از آن به تشريح مدارات لازم و تحليل آنها خواهيم پرداخت.
۳-۱- مدار شارژر باتريها

در اين قسمت به تحليل مدار شارژر باتري ها و نحوه كار آن مي پردازيم. اين مدار در گزارش شماره يك بررسي شده است. اما به دليل اهميت موضوع مجدداً به آن مي پردازيم. بلوك دياگرام مدار شارژر را در شكل زير ملاحظه كنيد.

بلوك دياگرام مدار شارژر باتري

عملكرد اين مدار به اين صورت است كه انرژي خارج شده از سوي صفحه فتو ولتاييك را رگوله كرده و به باتري مي فرستد. در اين سيستم يك پتانسيومتر براي كنترل جريان و ولتاژ، يك طراحي براي شارژ كردن دوره اي باتري و نيز يك خنثي كننده دما براي شارژ بهتر باتري در دماهاي مختلف وجود دارد. هدف از طراحي اين مدار يك كنترل كننده شارژ به منظور ساده بودن، بازدهي بالا و قابل اطمينان بودن است. يك سيستم متوسط خورشيدي قادر است كه ۱۲ ولت برق و يا جرياني در حدود ۱۰ آمپر توليد كند. در اين گونه سيستمها يك باتري اسيدي خشك نيز وجود دارد كه قادر است انرژي توليد شده از صفحات را در خود نگه دارد و اين در حالي است كه يك باتري ممكن است كه چندصد بار در طول روز شارژ و دشارژ گردد.

مدار نشان داده شده به طور كلي همانند يك سوييچ جريان عمل مي كند كه بين ترمينال PV و باتري قرار دارد. در اين سوييچ، ديود D1 باعث جلوگيري از برگشت جريان از باتري به سلول خورشيدي مي گردد. هنگامي كه ولتاژ باتري از ولتاژ ماكزيمم كمتر باشد، مقايسه گر IC1a روشن مي گردد و دو مقدار Q1 و Q3 را با هم مقايسه مي كند كه اين عمل باعث مي شود جريان براي شارژ به سمت باتري حركت كند. توجه داشته باشيد كه Q3 يك MOSFET كانال P است كه باعث مي شود مدار يك زمين مشترك با باتري و صفحه داشته باشد. هنگامي كه باطري به شارژ كامل رسيد، IC1a همانند يك مقايسه گر و بر اساس يك Schmidt Trigger Oscilator عمل مي كند. اين سوييچ باعث خاموش و روشن شدن جريان سلول خورشيدي مي گردد و از نوسان ولتاژ روي نقطه تنظيم باتري جلوگيري مي كند. در نقطه بحراني يك OP AMP نياز است كه به خوبي عمل كند. بايد به خاطر داشته باشيد كه OP AMP 741 براي استفاده در اين قسمت مناسب نيست و عملكرد چندان خوبي نخواهد داشت.
ترانزيستور Q1 باعث سوييچ كردن بقيه مدار مي گردد؛ البته در صورتي كه ولتاژ PV به قدر كافي زياد باشد كه بتواند باتري را شارژ نمايد. از طرفي ديگر در شب باعث مي شود كه اين سوييچ خاموش شود. چرا كه ولتاژ كافي در دو سر صفحه وجود ندارد كه بتواند باتري را شارژ نمايد. در نتيجه ترانزيستور Q1 در حالت خاموش قرار دارد.
IC2 يك ولتاژ ۵ ولت رگوله شده را توليد مي كند تا بتواند انرژي لازم را براي مقايسه گرها فراهم نمايد و به عنوان يك ولتاژ مرجع عمل مي كند.
LED هاي قرمز و سبز كه از قسمتهاي IC1a و IC1b خارج مي شوند، نشاندهنده عمل شارژ شدن باتري است. اگر باتري در حال شارژ شدن باشد، LED سبز، روشن خواهد شد و اگر باتري در چنين حالتي نباشد، LED قرمز، روشن خواهد شد.
پايه شماره ۵ IC1b تنها به يك نقطه مركزي نياز دارد تا همانند يك مقايسه گر عمل كند و تنها به پايه شماره ۲ IC1a‌متصل است تا نيازي به زمين نداشته باشد.
مقاومتها و مقاومتهاي گرمايي توان بالا در قسمت ورودي IC1a باعث فراهم شدن يك پل مي شود كه براي مقايسه كردن ولتاژ باتري و ولتاژ مرجعي كه از قسمت IC2، R8 و R9 مي آيد، به كار مي رود.

۳-۲- مدار كنترل كننده موتور:]۱ [ و ]۲ [
تا اين مرحله موفق به مهار انرژي دريافتي از سلولهاي فتو ولتاييك و ذخيره آنها در باتري شده ايم. حال بايد از اين انرژي در راه اندازي موتورها استفاده كرد. در اين پروژه از دو موتور dc استفاده شده است. علت استفاده از دو موتور به جاي يك موتور، دادن امكان تغيير جهت حركت با استفاده از تغيير جهت چرخش موتورها و يا تغيير سرعت چرخش آنها به هدايت كننده قايق است. با اين كار عملاً نيازي به استفاده از سكان نيست( هرچند براي شرايط اضطراري بايد يك سكان و پدالهاي غير الكتريكي و يا پارو در قايق موجود باشد.).
براي راه اندازي هر موتور بايد يك مدار راه انداز طراحي كنيم. از آنجايي كه موتور بايد بتواند در هر دو جهت كار كند،
بهترين راه حل استفاده از مدار H-Bridge مي باشد. شكل كلي اين مدار را در زير مشاهده مي كنيد.

دياگرام مدار راه انداز موتور (H-Bridge)
بيس دو ترانزيستور ۱ و ۴ با يك فرمان و بيس دو ترانزيستور ۲ و ۳ نيز با يك فرمان تحريك مي شوند. هنگامي كه ترانزيستورهاي ۱ و ۴ كار مي كنند، ترانزيستورهاي ۲ و ۳ در حالت قطع قرار دارند و جريان از چپ به راست از موتور مي گذرد. هنگامي كه ترانزيستورهاي ۲ و ۳ كار مي كنند، ترانزيستورهاي ۱ و ۴ قطع مي باشند و جريان از راست به چپ از موتور مي گذرد. بنابراين موتور در هر دو جهت قابل راه اندازي است.

در اين پروژه به دليل نياز به عبور جريان بالا با وجود ولتاژ ۳۰ ولت از موتور، به جاي ترانزيستور از IRF740 MOSFET استفاده شده است.
شكل صفحه بعد نيمي از مدار را نشان مي دهد. يعني با مدار فوق مي توان موتور را در يك جهت راه انداخت. علت پيچيدگي بخش فوقاني مدار جلوگيري از داغ شدن IRF بالايي است. چون اگر بخواهيم IRF بالايي را با ولتاژ منبع تغذيه اصلي مدار راه بياندازيم، به علت قرار گرفتن در حالت خطي به شدت داغ مي شود و حداقل باعث هدر رفتن انرژي ذخيره شده در باتري مي شود. بنابراين با استفاده از يك منبع تغذيه ايزوله و يك اپتو انكودر ۴N26، IRF بالايي را راه انداختيم. در پياده سازي انجام شده منبع مستقل با استفاده از يك مبدل dc به dc ساخته شده است. در واقع براي كل مدار نياز به دو مبدل DC/DC داريم كه بدين منظور از دو IC BMR 614 2410/11 كه ساخت شركت ERICSSON مي باشد، استفاده شده است(مدار درايور دو موتور نياز به چهار مبدل DC/DC دارد.).

نيمي از مدار H-Bridge با جزييات بيشتر
طبق آنچه در شكل مشاهده مي كنيد، فرمان قطع يا وصل توسط يك ولتاژ ۵ ولت ديجيتال( كه توسط يك رگولاتور ۵ ولت فراهم شده است ) به اپتو انكودر رسيده و پس از عبور از آن و تفكيك ولتاژ به يك ترانزيستور BD139 مي رسد. BD139 اين ولتاژ را تقويت كرده به گيت IRF بالايي مي رساند. ضمناً همين فرمان نيز به گيت IRF پاييني رسيده و مجموعاً دو IRF باعث حركت موتور در جهت مورد نظر و يا توقف آن مي شوند.

دو ديود نيز روي درين و سورس هر دو IRF براي جلوگيري از امكان آسيب ديدن آنها در اثر جريان برگشتي از موتور قرار داده شده است.
بعد از پياده سازي مدار فوق، براي دادن فرمان لازم به موتور لازم است توسط يك كليد ولتاژ لازم را به بيس ترانزيستورهاي (۴و۱) و (۲و۳) بدهيم, به طوري كه هر زوج از ترانزيستورها در يك زمان فعال باشند و هيچگاه هر دو زوج به طور همزمان فعال نگردند.
در اين مدار اگر كليد هيچيك از پايه هاي A يا B را به زمين وصل نكند, موتور فعال نخواهد شد. اگر A به زمين وصل شود, موتور در يك جهت و اگر B به زمين وصل شود, در جهت ديگر خواهد چرخيد.

يك كليد مشابه ديگر براي كنترل موتور دوم به كار مي رود كه عملكرد آن هيچ تأثيري بر موتور اول ندارد. مشاهده مي كنيد كه در هيچ حالتي امكان ندارد دو زوج ترانزيستور (۴و۲) و (۲و۳) به طور همزمان فعال شوند و در مدار اتصال كوتاه ايجاد شود.

شماتيك و نحوه عملكرد كليد كنترل موتور
-۳-PWM ] 3 [ و ] ۴ [
اكنون مداري داريم كه قادر به كنترل دو موتور و حركت آنها در هر دو جهت مي باشد. اما مطلوب آنست كه موتورها را با سرعتهاي مختلفي به كار بيندازيم. براي اينكار از روشي به نام PWM (Pulse Width Modulation) استفاده كرده ايم. در اين روش با اعمال يك پالس مربعي به كلكتور ترانزيستورهايي كه توسط كليدها راه مي افتد، و تغيير سيكل وظيفه(Duty Cycle) آن مي توانيم به سرعت هاي مختلفي دست يابيم.
ايجاد PWM كاري كلاسيك و داراي روال مشخص است كه در ادامه به شرح آن مي پردازيم:

• توليد پالس مربعي: براي اينكار از يك آي سي تايمر ۵۵۵ استفاده شده است. شماتيك اين مدار و طرز استفاده از اين آي سي را در شكل صفحه قبل مشاهده مي كنيد. فركانس توليد شده در اين بخش حدود KHz9 مي باشد كه با توجه به آزمايشات انجام شده روي موتور و بدست آوردن پاسخ فركانسي به صورت تجربي محاسبه شده است. چون موج PWM در نهايت داراي فركانسي خواهد بود كه در اين قسمت توسط آي سي تايمر ايجاد شده است.

• توليد لبه: در اين قسمت با اعمال موج مربعي توليد شده در قسمت قبل يك مونواستابل (۷۴۱۲۳) يك لبه با فركانس KHz9 مي سازيم.
• توليد شيب: در اين قسمت با استفاده از لبه توليد شده در قسمت قبل و مداري كه شماتيك آن را در شكل زير ملاحظه مي كنيد، يك تابع دندان اره اي مي سازيم. مدار زير ساده ترين مدار مولد شيب است كه پاسخگوي نياز ما مي باشد. به طور كلي اين مدار يك خازن است كه از طريق يك مقاومت سري پر مي شود. ترانزيستوري بايد مطابق شكل با خازن موازي شود تا مسيري براي تخليه خازن وجود داشته باشد. خازن C1 توسط V و از طريق R1 پر مي شود. R ترانزيستور Q1 را در حالت روشن باياس مي كند، پس خازن در حالت تخليه است. با اعمال پالس ورودي منفي به بيس Q1، از طريق C2، ترانزيستور خاموش مي شود. با خاموش شدن Q1، C1 شروع به پر شدن مي كند و يك خروجي نسبتاً شيب دار ايجاد مي شود. با اتمام پالس ورودي Q1 مجدداً شروع مي شود و به سرعت خازن را تخليه مي كند.

مدار مولد تابع شيب
خروجي مدار ساده RC نمايي است نه خطي. ولي اگر ولتاژ خروجي از ولتاژ منبع تغذيه خيلي كوچكتر باشد، خروجي تقريباً خطي خواهد بود.
• توليد خروجي: آخرين مرحله اعمال تابع شيب به يكي از وروديهاي يك تقويت كننده عملياتي است كه در اينجا به عنوان يك مقايسه كننده عمل مي كند. براي اينكار آي سي OP07 انتخاب شده است. ورودي ديگر OP07 يك ولتاژ dc است كه با استفاده از يك پتانسيومتر بين صفر و پنج ولت(ولتاژهاي تغذيه تقويت كننده) تغيير مي كند. با اينكار در خروجي OP07 يك موج مربعي توليد مي شود كه با چرخاندن پتانسيومتر مي توان سيكل وظيفه(Duty Cycle) آن را بين صفر و صددرصد تغيير داد.

خروجي نهايي PWM به مدار درايور موتور اعمال مي شود و با چرخاندن پتانسيومتر روي آن مي توان سرعت موتورها را كم و زياد كرد.