Электрифицированная масштабная модель автобуса Ikarus 280

1 Разработка схемы электрической структурной

Схема электрическая структурная электрифицированной масштабной модели автобуса Ikarus 280 (далее по тексту – устройство) состоит из следующих функциональных блоков:

• контроллер питания и заряда аккумулятора обеспечивает последнему заряд от USB-порта, защиту от чрезмерного переразряда и повышение напряжения до типового значения 5 В, не меняющегося в процессе разряда;
• USB-порт необходим для подключения зарядного устройства (внешнего источника питания) к устройству;
• аккумулятор обеспечивает схему напряжением от 3 до 4,2 В;
• блок индикации информирует пользователя о стадии заряда аккумулятора при подключении зарядного устройства;
• блок светотехники имитирует работу ближнего света фар, стоп-сигналов и освещения салона.

Схема электрическая структурная показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема электрическая структурная

2 Разработка схемы электрической принципиальной

2.1 Разработка схемы электрической принципиальной аккумулятора

Выбор аккумулятора производиться исходя из следующих требований:

• тип аккумулятора – литий-полимерный;
• диапазон напряжений на аккумуляторе – от 2,75 до 4,2 В;
• оптимальное соотношение размера и емкости;
• призматический корпус для возможности поместить аккумулятор в корпус с меньшей толщиной.

Исходя из данных требований выбран аккумулятор LP-150-401730, обладающий оптимальным соотношением размера и емкости. Внешний вид аккумулятора показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Аккумулятор LP-150-401730

Основные технические характеристики аккумулятора LP-150-401730 приведены в таблице 1. Данные для таблицы взяты из технической документации [1].

Таблица 1 - Технические характеристики аккумулятора LP-150-401730

Параметр	Данные
Номинальное напряжение (min-max), В	3,7 (2,75-4,2)
Номинальная емкость, мА/ч	150
Ток стандартного заряда, мА	30
Метод заряда	Стабильный ток-стабильное напряжение
Размеры, мм	31,0×17,5×4,3

С целью увеличения времени работы от одного заряда установлено три параллельно соединенных аккумулятора G1, G2 и G3, общая емкость которых составляет 450 мА/ч.
Для удобного подключения при сборке устройства применен контакт разъемного соединения XP1 – PLS-2.

 

2.2 Разработка схемы электрической принципиальной контроллера питания и заряда аккумулятора

Одним из недостатков литиевых аккумуляторов является их чувствительность к глубокому разряду и чрезмерному перезаряду [2]. Учитывая также требование в стабилизированном встроенном источнике питания необходимо предусмотреть контроллер питания и заряда аккумулятора, удовлетворяющий следующим требованиям:

• возможность осуществления заряда аккумулятора от USB-порта;
• наличие защиты от переразряда, совместимая по уровню срабатывания с выбранным аккумулятором;
• метод заряда CC/CV, совместимый с выбранным аккумулятором;
• возможность настройки тока заряда аккумулятора;
• индикация стадии заряда аккумулятора при подключении зарядного устройства;
• повышение напряжения аккумулятора до 5 В;
• высокий КПД преобразования.

Под данные требования подходят микросхемы серии TP54хх – контроллеры линейного зарядного устройства для односекционных литиевых аккумуляторов, совмещенные с повышающим стабилизатором напряжения до 5 В [3], [4]. Данные микросхемы обладают одинаковым внутренним устройством, однако TP5410 имеет уровень обнаружения напряжения переразряда 2,7 В [4], тогда как TP5400 – 3 В [3]. Для упрощения разработки применен готовый модуль, основанный на микросхемах серии ТР54хх. Внешний вид модуля показан на рисунке 3.

Рисунок 3 - Внешний вид модуля

Схема электрическая принципиальная модуля TP54хх, показанная на рисунке 4, взята из технической документации на микросхему TP5410 [4], так как в этой схеме предусмотрен диод для обеспечения питания нагрузки от зарядного устройства, а не от стабилизатора, встроенного в микросхему.

Рисунок 4 - Схема подключения микросхем серии TP54хх

Основные технические характеристики микросхем серии TP54хх приведены в таблице 2. Данные для таблицы взяты из технической документации [3], [4].

Таблица 2 – Технические характеристики микросхем серии TP54хх

Параметр	Данные
Максимальный ток заряда, А	1
Напряжение заряда, В	4,2
Метод заряда	Стабильный ток-стабильное напряжение
Напряжение обнаружения переразряда ТР5400/ТР5410, В	3/2,7
Напряжение питания, В	5
Выходное напряжение, В	5
Максимальный выходной ток, А	1
Частота преобразования, кГц	400
КПД, %	90
Тип корпуса	ESOP-8

Назначение выводов микросхем серии TP54хх приведено в таблице 3. Данные для таблицы взяты из технической документации [4].

Таблица 3 – Назначение выводов микросхем серии TP54хх

Номер вывода	Название вывода	Назначение вывода
1	VOUT	Выход напряжения 5 В
2	CHRG	Индикация заряда аккумулятора
3	PROG	Установка тока заряда аккумулятора
4	STDBY	Индикация завершения заряда аккумулятора
5	VCC	Напряжение питания
6	BAT	Подключения аккумулятора
7	GND	Общий проводник
8	LX	Подключения накопительного дросселя

С целью уменьшения размера модуля разъемы USB type A и USB Micro удалены.
Два светодиода, сигнализирующие о стадии заряда аккумулятора при подключении зарядного устройства, (рисунок 4) удалены.
Для подключения к аккумулятору применен контакт разъемного соединения XS2 – PBS-2; к блоку светотехники XP2 – PLS-2.
Для организации трех режимов работы – заряд встроенного аккумулятора, питание от встроенного аккумулятора, питание от внешнего адаптера 5 В, применен переключатель SA1 с организацией 3П2Н – SS-23D07-G, показанный на рисунке 5.

Рисунок 5 – Переключатель SS-23D07-G

Нумерация выводов переключателя SS-23D07-G показана на рисунке 6. Данные для рисунка взяты из технической документации [5].

Рисунок 6 – Нумерация выводов SS-23D07-G

Расчет параметров резистора, задающего ток заряда аккумулятора (0,68 кОм на рисунке 4), с последующим выбором конкретных наименований электрорадиоэлементов (далее по тексту – ЭРЭ) произведен в пункте 4.1.

 

2.3 Разработка схемы электрической принципиальной USB-порта

USB-порты применяются для заряда аккумуляторов мобильных телефонов и других портативных устройств, которые окружают человека. Поэтому устройство должно иметь один из распространенных типов USB-портов. На сегодняшний день одним из распространенных является разъем USB Micro, согласно действующему международному стандарту IEC 62680-2-2 [6].
Исходя из этого в схеме устройства применен разъем USB Micro, установленный на печатную плату-переходник для удобства монтажа, внешний вид которого показан на рисунке 7.

Рисунок 7 – Плата-переходник

 

2.4 Разработка схемы электрической принципиальной блока индикации

Для упрощения конструкции устройства блок индикации состоит из одного светодиода, который информирует пользователя о заряде встроенного аккумулятора. Для этого выбран светодиод с красным цветом свечения FYL-3014HD, подключенный к второму выводу микросхемы ТР54хх (таблица 3).

 

2.5 Разработка схемы электрической принципиальной блока светотехники

Ввиду ограниченного пространства в местах установки светотехники внутри устройства решено применить светодиоды для поверхностного монтажа типоразмера 0603.
Так как в автобусах серии Ikarus применялись в лампы накаливания, блок светотехники, имитирующий работу ближнего света фар, стоп-сигналов и освещения салона, составлен из светодиодов с цветовой температурой 3000 К – SX-0603-WARM-WHITE.
Расчет параметров резисторов R6-R19, определяющих ток через светодиоды HL2-HL15, с последующим выбором конкретных наименований ЭРЭ произведен в пункте 4.2.

Схема электрическая принципиальная показана на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема электрическая принципиальная

 

3 Описание работы устройства

Устройство может работать в трех режимах – заряд встроенного аккумулятора, питание от встроенного аккумулятора, питание от адаптера. Для обеспечения устройства стабильным напряжением питания применен модуль повышающего стабилизатора напряжения D1. Внутренний ключ микросхемы DA1 осуществляет коммутацию цепи дросселя L1. Когда внутренний ключ открыт, через L1 протекает ток и происходит переход электрической энергии в магнитную; когда внутренний ключ закрыт, накопленная в L1 энергия, вследствие разрыва кротчайшей цепи прохождения тока, переходит обратно в электрическую и через диод VD2 заряжает конденсаторы C3, С4. При этом из-за всплеска ЭДС самоиндукции в дросселе L1 в момент закрытия внутреннего ключа микросхемы DA1, а также из-за того, что относительно нагрузки аккумуляторы G1-G3 и дроссель L1 (как источник ЭДС) соединены последовательно, напряжение на выходе модуля D1 больше входного. Микросхема DA1 отслеживает выходное напряжение посредством вывода VOUT и поддерживает его уровень стабильным на протяжении всего процесса разряда аккумуляторов G1-G3. Конденсатор C5 является фильтром по питанию микросхемы DA1 и необходим для ее стабильной работы. Когда напряжение на аккумуляторах G1-G3 достигнет минимального значения рабочего напряжения, DA1 отключит их во избежание чрезмерного разряда. Также микросхема DA1 отвечает за заряд аккумуляторов G1-G3. Заряд осуществляется через разъем XS1. Метод заряда – стабильный ток-стабильное напряжение. Суть данного метода заключается в том, что заряд аккумуляторов до максимального напряжения осуществляется стабильным током; после достижения напряжения на G1-G3 максимального уровня – стабильным напряжением при постепенном уменьшении тока заряда; окончание заряда происходит при уменьшении тока заряда ниже определенного уровня. Резистор R5 в составе модуля D1 задает максимальный ток заряда. Конденсатор C2 обеспечивает фильтрацию высокочастотных помех напряжения зарядного устройства, а резисторы R1, R2 облегчает тепловой режим работы микросхемы, так как при протекании тока от зарядного устройства через эти резисторы рассеивается часть энергии. Диод VD1 обеспечивает подачу напряжения с зарядного устройства на выход повышающего стабилизатора напряжения, тем самым позволяя одновременно питать нагрузку и осуществлять процесс заряда. Состояние степени заряда аккумуляторов G1-G3 отражается сигналами на выводах 4 и 2 микросхемы DA1. К выводу CHRG подключен ограничительный резистор R3 и светодиод HL1, свечение которого указывает на заряд аккумулятор при подключении адаптера.
Для заряда встроенного аккумулятора переключатель SA1 переводится в среднее положение. При этом аккумуляторы G1-G3 подключаются к модулю D1, а блок светотехники R6-R19, HL2-HL15 от него отключаются. При подключении адаптера к контакту разъемного соединения XS1 начнется процесс заряда, о чем будет свидетельствовать свечение светодиода HL1. При окончании процесса заряда HL1 погаснет.

Для питания от встроенного аккумулятора переключатель SA1 переводится в верхнее положение. При этом аккумуляторы G1-G3 и блок светотехники R6-R19, HL2-HL15 подключаются к модулю D1, который повышает напряжение от аккумуляторов до стабильных 5 В, не изменяющихся в процессе разряда. Тем самым достигается стабильная работа блока светотехники.
Для питания от адаптера переключатель SA1 переводится в нижнее положение. При этом аккумуляторы G1-G3 отключаются от модуля D1, а блок светотехники R6-R19, HL2-HL15 подключается к нему. При подключении адаптера к контакту разъемного соединения XS1 напряжение 5 В подастся на блок светотехники, обеспечивая его стабильную работу.
Контакты разъемного соединения XP1, XP2, XS2, XS3 необходимы для удобного соединения цепей при сборке устройства.

 

4 Расчетная часть

4.1 Расчет контроллера питания и заряда аккумулятора

4.1.1 Определение сопротивления резистора R5 по формуле (4.1) из технической документации [3]:

Исходя из результатов расчета и ряда Е24 сопротивление резистора R5 выбрано равным 12 кОм.
4.1.2 Определение мощности, выделяемой на резисторе R5, по формуле (4.2):

Исходя из результатов расчета выбран резистор в корпусе 0603 с сопротивлением 12 кОм и мощностью 0,1 Вт – RC0603JR-0712KL [7].

 

4.2 Расчет блока светотехники

4.2.1 Определение падения напряжения на резисторах R6-R19 по формуле (4.3):

Сопротивление резисторов R6-R19 подобрано экспериментальным путем исходя из оптимальной яркости свечения светодиодов HL2-HL15 и ряда Е24:

• сопротивление резисторов R6, R7, R10-R19 выбрано равным 1,5 кОм;
• сопротивление резисторов R8, R9 выбрано равным 200 Ом.

4.2.2 Определение мощности, выделяемой на резисторах R6, R7, R10-R19, по формуле (4.4):

Исходя из результатов расчета выбран резистор в корпусе 0603 с сопротивлением 1,5 кОм и мощностью 0,1 Вт – RC0603JR-071K5L [7].

4.2.3 Определение мощности, выделяемой на резисторах R8, R9 по формуле (4.5):

Исходя из результатов расчета выбран резистор в корпусе 0603 с сопротивлением 200 Ом и мощностью 0,1 Вт – RC0603JR-07200RL [7].

 

5 Конструкторско-технологический раздел

5.1 Выбор и обоснование выбора конструкции устройства

Требования к конструкции устройства:

• масштабная модель (производитель – «Советский автобус»);

Специальные требования к конструкции устройства:

• фигурки пассажиров и водителя в салоне;
• пластмассовая лента на рулевом колесе;
• кожухи механизма открывания дверей;
• декали.

Конструкция устройства представляет собой масштабную модель с установленными светодиодами и электросхемой, фигурками пассажиров и водителя в салоне, пластмассовой лентой на рулевом колесе, кожухами механизма открывания дверей и нанесенными декалями.

 

5.2 Разработка конструкции устройства

5.2.1 Спайка резистора и светодиода в конструкции устройства является базовой светотехнической единицей, которая устанавливается в места, имитирующие светотехническое оборудование автобуса Ikarus 280. Общий вид спайки показан на рисунке 9.

Рисунок 9 – Спайка резистора и светодиода

5.2.2 Задняя светотехника устройства состоит из двух окрашенных прозрачных пластмассовых деталей с тремя зонами – сигнал поворота (окрашена оранжевым), заднего хода (прозрачная) и стоп-сигнал (окрашена красным). Перед установкой спайки 5.2.1 необходимо:

• детали задней светотехники отсоединить от корпуса;
• под зоной стоп-сигналов в корпусе просверлить отверстия диаметром 1,5…2 мм;
• убрать зеркальное покрытие под зоной стоп-сигналов;
• наклеить красную изоленту на место убранного зеркального покрытия;
• присоединить с помощью клея детали задней светотехники обратно к корпусу.

Общий вид деталей задней светотехники с просверленными отверстиями показан на рисунке 10.

Рисунок 10 – Общий вид задней светотехники

Соединения спаек 5.2.1 осуществлять очищенными от изоляции залуженными жилами провода МГТФ 0.03. Для подключения к схеме оставлять 200 мм провода МГТФ 0.03. Общий вид соединения показан на рисунке 11.

Рисунок 11 – Общий вид соединения

Установку спаек 5.2.1 осуществлять с помощью клея с внутренней стороны корпуса напротив отверстий, как показано на рисунке 11. После затвердевания клея покрыть спайки 5.2.1 черным нетокопроводящим непрозрачным лаком.
5.2.3 Передняя светотехника представляет собой детали имитации решетки радиатора с установленными на нее плафонами ближнего света фар, состоящими из кожуха фары и прозрачной пластмассовой линзы. Общий вид передней светотехники показан на рисунке 12.

Рисунок 12 – Общий вид передней светотехники

Перед установкой спайки 5.2.1 необходимо:

• отсоединить плафоны фар от детали имитации решетки радиатора;
• отсоединить кожухи от прозрачных пластмассовых линз;
• увеличить отверстия на дне кожухов до 2 мм;
• соединить кожухи и прозрачные пластмассовые линзы при помощи клея;
• установить плафоны фар на деталь имитации решетки с помощью клея;
• с внутренней стороны корпуса на места крепления деталей имитации сигналов поворота установить с помощью клея алюминиевую фольгу.

Соединения спаек 5.2.1 осуществлять очищенными от изоляции залуженными жилами провода МГТФ 0.03. Для подключения к схеме оставлять 300 мм провода МГТФ 0.03.
Установку спаек 5.2.1 осуществлять с помощью клея с внутренней стороны корпуса напротив отверстий плафонов фар. После затвердевания клея покрыть спайки 5.2.1 черным нетокопроводящим непрозрачным лаком.
5.2.4 Остекление прицепа представляет собой пластмассовую прозрачную деталь с имитацией плафонов освещения салона и поручнями. Перед установкой спайки 5.2.1 деталь остекления прицепа извлечь из корпуса. Спайки 5.2.1 устанавливать согласно рисунку 13.

Рисунок 13 – Остекление прицепа

Соединения спаек 5.2.1 осуществлять очищенными от изоляции залуженными жилами провода МГТФ 0.03. Для подключения к схеме оставлять 200 мм провода МГТФ 0.03.
5.2.5 Остекление тягача представляет собой пластмассовую прозрачную деталь с имитацией плафонов освещения салона и поручнями. Перед установкой спайки 5.2.1 деталь остекления тягача извлечь из корпуса. Спайки 5.2.1 устанавливать согласно рисунку 14.

Рисунок 14 – Остекление тягача

Соединения спаек 5.2.1 осуществлять очищенными от изоляции залуженными жилами провода МГТФ 0.03. Для подключения к схеме оставлять 200 мм провода МГТФ 0.03.
5.2.6 Кожухи механизма открывания дверей 002ЗП-АЗС установить с помощью клея на детали остекления тягача и прицепа в местах примыкания к имитации дверей в корпусе согласно рисунку 15.

Рисунок 15 – Места установки кожухов

5.2.7 Имитацию пластиковой ленты на рулевом колесе осуществить путем намотки провода МГТФ 0.03 длиной не менее 450 мм.
5.2.8 Установку декалей, фигурок пассажиров, водителя на детали салона тягача и прицепа осуществлять из соображений копийности.
5.2.9 Установку элементов D1, HL1, XS1, XP2, SA1 в детали днища прицепа производить согласно рисунку 16.

Рисунок 16 – Деталь днища прицепа

Контакт разъемного соединения XS2 подключить к модулю D1 проводом МГТФ 0.03 длиной 120 мм.
5.2.10 Установку элементов G1-G3, XP1 в детали днища тягача производить согласно рисунку 17.

Рисунок 17 – Деталь днища тягача

 

6 Экспериментальная работа

В ходе экспериментальной части проекта собран опытный образец, показанный на рисунках 18-29.

Рисунок 18 – Органы управления устройством

Рисунок 19 – Пластмассовая лента на рулевом колесе

Рисунок 20 – Тягач и прицеп в сборе

Рисунок 21 – Передняя светотехника

Рисунок 22 – Задняя светотехника

Рисунок 23 – Кожух механизма открывания дверей

Рисунок 24 – Электронная часть устройства в сборе

Рисунок 25 – Корпус и детали салона в сборе

Рисунок 26 – Общий вид устройства спереди

Рисунок 27 – Общий вид устройства сзади

Рисунок 28 – Общий вид устройства сбоку

Рисунок 29 – Общий вид на деталь салона устройства

 

Список используемых источников

1 Справочник по аккумулятору LP-150-401730 [электронный ресурс] https://www.robiton.ru/sites/default/files/P00147542N15734.pdf (дата обращения: 27.06.2023).
2 Мельничук О. В. Фетисов В. С. Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами / Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2016. – №2. – С. 41-48.
3 Справочник по микросхеме TP5400 [электронный ресурс] https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1140419/ASIC/TP5400.html (дата обращения: 27.06.2023).
4 Справочник по микросхеме TP5410 [электронный ресурс] https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1140419/ASIC/TP5400.html (дата обращения: 27.06.2023).
5 Справочник по переключателям серии SS [электронный ресурс] https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/879192/CK-COMPONENTS/SS-23D07-GPA.html (дата обращения: 27.06.2023).
6 Universal serial bus interfaces for data and power – Part 2: Universal serial bus – Micro-USB cables and connectors specification, revision 1.01 [электронный ресурс] https://webstore.iec.ch/preview/info_iec62680-2-2%7Bed1.0%7Db.pdf (дата обращения: 27.06.2023).
7 Справочник по резисторам серии RC0603 [электронный ресурс] https://pdf1.alldatasheetru.com/datasheet-pdf/view/556359/YAGEO/RC0603.html (дата обращения: 27.06.2023).