VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Преобразователь «напряжение-частота» для десульфататора свинцовых аккумуляторов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Косарева М.А. 1

---

1МБОУ "Гимназия №5", г. Королёв, мкр. Юбилейный, Московская обл.

Лебедев В.В. 1

---

1МБОУ "Гимназия №5", город Королёв, мкр. Юбилейный, Московская обл.

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Школьная научно-исследовательская работа по десульфатации кислотно-свинцовых аккумуляторов проводится второй год. Сульфатированный аккумулятор нельзя зарядить постоянным током, потому что пластины покрыты слоем диэлектрика – сульфата свинца 2. Но импульсами повышенной частоты и напряжения можно растворить пленку, так как их диэлектрик пропускает подобно конденсатору. В прошлом году было изготовлено электронное устройство и практически доказана возможность восстановления аккумуляторов. В процессе работы появилась задача настройки прибора на оптимальную частоту импульсов повышенного напряжения для разрушения плёнки сульфата свинца 2. У каждого аккумулятора эта частота своя, поэтому было предложено пополнить десульфататор генератором качающейся частоты. В этой работе изучается основной блок такого генератора – преобразователь «напряжение-частота», выполненный на микросхеме-таймере серии 555. Электронная схема собрана, испытана, исследована, построены характеристики предложенной схемы.

Как появилась техническая задача?

Почти год в школьном кружке я занимаюсь исследованием процесса десульфатации кислотно-свинцовых аккумуляторов. Полученные результаты приведены в моих авторских работах [5-13]. Практически удалось восстановить некоторые аккумуляторы. Но целью таких восстановлений был не экономический, а исследовательский эффект. Известная установка и электронная схема для десульфатации была дополнена авторскими уточнениями, а потом была высказана главная гипотеза научного исследования – необходимость дополнения электронной схемы генератором качающейся частоты. Оптимальная частота процесса десульфатации индивидуальна для каждого аккумулятора, поэтому мною было предложено изменять частоту устройства в процессе работы нового создаваемого прибора. На рис.1 показана электронная схема традиционного прибора-прототипа.

Рис.1. Традиционная схема десульфататора

Подстроечный резистор служит для однократной установки частоты. При постепенном усовершенствовании известной схемы вместо этого резистора было установлено переменное сопротивление с ручкой для регулировки частоты. Регулировка частоты выполняется вручную. Но процесс десульфатации может продолжаться десятки часов. Всё это время поворачивать ручку регулятора частоты невозможно. Нужно дополнить схему устройством, которое автоматически будет изменять частоту работы десульфататора. На рис.2 показано, как рабочая частота прибора изменяется вручную. Это фотографии экрана старого портативного и сравнительно небольшого осциллографа С1-94. От ручной регулировки и качания частоты импульсов надо перейти к автоматическому режиму.

Рис.2. Ручная регулировка частоты – повод для размышлений

Так появилась новая техническая задача – создать устройство с качающейся частотой следования импульсов, которое при таком изменении обязательно захватывает неизвестную оптимальную частоту процесса десульфатации. Продолжительность процесса десульфатации увеличится, но зато он гарантированно будет проходить.

Постановка и декомпозиция решаемой задачи

Для повышения эффективности работы десульфататора мною было предложено не фиксировать частоту работы устройства. Однако не известна оптимальная частота, при которой плёнка сульфата свинца растворяется быстрее всего. Все специалисты, которые изучали процесс десульфатации, единодушно пришли к выводу, что для каждого аккумулятора эта частота своя, но не превосходит 30кГц. Моя идея состоит в дополнении десульфататора генератором качающейся частоты. Например, новое устройство будет автоматически изменять частоту импульсов от 3 кГц до 30 кГц. При каком-то значении частоты из этого диапазона процесс десульфатации будет происходить наиболее эффективно, но эта частота не известна. Но нам её даже не нужно знать. Главное – её значение находится в указанном рабочем частотном диапазоне.

Достоинство предлагаемого метода десульфатации и устройства для его реализации – не нужно знать оптимальную частоту процесса, прибор пригоден для всех свинцовых аккумуляторов.

Недостаток – увеличение времени процесса восстановления аккумулятора.

Для создания десульфататора с генератором качающейся частоты была предложена следующая электронная блок-схема, показанная на рис.3.

Рис.3. Блок-схема нового десульфататора

Предложенная блок-схема потребовала разработать и состыковать в единый прибор три электронных устройства. Это три технические задачи из области электроники.

Задача 1. Изготовление генератора пилообразного напряжения.

Задача 2. Изготовление преобразователя «напряжение-частота».

Задача 3. Изготовление согласующего электронного ключа.

Главной задачей было изготовление и исследование характеристик преобразователя «напряжение-частота», потому что именно этот блок определяет цель научно-исследовательской работы. После изготовления этого блока можно говорить о требуемых характеристиках к генератору пилообразного напряжения и согласующему электронному ключу.

Анализ литературы по преобразователям «напряжение-частота

Перед изготовлением преобразователя «напряжение-частота» сразу же было выдвинуто требование простоты создаваемого устройства. В литературе по электронике есть много таких схем, большинство из которых очень сложные, потому что предназначены, например, для отладки высокочастотной телевизионной аппаратуры. После просмотра множества электронных схем за основу были выбраны три известных технических решения.

Рис.4. Схема на двух инверторах и её характеристика

На рис.4 показана схема преобразователя на двух инверторах, взятая без изменения из статьи [1]. Такая схема была собрана на макетной плате. Но даже первичное изучение зависимости частоты от напряжения показало сильную нелинейность этой характеристики. Входное напряжение изменяется от 0 В до 1,6 В. Частота импульсов при этом изменяется от 3 кГц до 9 кГц. Однако линейный участок наблюдается при изменении напряжения от 0 В до 1 В с соответствующим ростом частоты от 3кГц до 5 кГц. Диапазон изменения частоты небольшой, характеристика нелинейная, поэтому такая схема была отложена, вместо неё была собрана вторая схема.

Рис.5. Схема на трёх инверторах и триггере

Вторая схема преобразователя «напряжение-частота» собрана на трёх инверторах и триггере. Эта схема была взята без изменения из статьи [2], она показана на рис.5. Сборка такой схемы на макетной плате потребовала разместить две микросхемы. Для триггера была взята рекомендованная микросхема К155ТМ2, а три инвертора были задействованы из микросхемы 74LS04 или её отечественного аналога К155ЛН1, в которой есть шесть инверторов. Выбор инверторов широкий. Например, можно применить самую распространённую в этой серии микросхему К155ЛА3 с четырьмя элементами 2И-НЕ, задействовав только два элемента в режиме работы инверторов, то есть соединив попарно два входа 2И. Но во всех случаях требуется иметь две микросхемы, шесть резисторов, конденсатор и диод. Известно, что старые микросхемы серии 155 требуют, как правило, много дополнительных элементов. Устройство получилось сложным. Третий вариант оказался лучшим для решения поставленной задачи, то есть для создания блока преобразователя «напряжение-частота», поэтому был изучен более подробно. Это цель исследования данного раздела работы.

Выбор схемы преобразователя «напряжение-частота»

В книге [3] Роберта Вильгельмовича Майера из Глазовского государственного университета предложена схема простого преобразователя «напряжение-частота» на одной микросхеме-таймере серии 555, четырёх резисторах и одном конденсаторе. Принципиальная электронная схема устройства показана на рис.6. Фактически в этой схеме три резистора, потому что сопротивление R4 (4,1 кОм) служит для ограничения тока выходного сигнала, то есть для согласования преобразователя со следующим блоком. В указанной книге предлагается согласование и стыковка этого преобразователя с компьютером.

Рис.6. Схема преобразователя «напряжение-частота» на таймере 555

Предложенная схема была изучена несколькими радиолюбителями, было проведено обсуждение этой электронной схемы [4]. Общее мнение свелось к тому, что микросхема-таймер серии 555, действительно, применена не традиционно, оригинально, потому что вывод 5 обычно не используется. Вот пример выдержки из обсуждения такого необычного технического решения, в котором речь идёт сначала о выводе 5 микросхемы серии 555.

Обычно, этот вывод не используется. Однако его применение может значительно расширить функциональность таймера. При подаче напряжения на этот вывод можно управлять длительностью выходных импульсов таймера (за счет компаратора и внутреннего триггера), а значит отказаться от RC- времязадающей цепочки. Подаваемое напряжение на этот вход в режиме моностабильного мультивибратора может составлять от 45% до 90% напряжения питания. А в режиме мультивибратора от 1.7 В и до напряжения питания. Соответственно на выходе получится FM модулированный сигнал.

Преобразователь «напряжение-частота» на микросхеме-таймере серии 555 оказался самым простым из рассмотренных ранее вариантов. Микросхема-таймер серии 555 выпускается в корпусном исполнении DIP8, то есть имеет 8 выводов. Для справки, микросхемы серии 155 выпускаются в корпусном исполнении DIP14, то есть одна схема имеет 14 выводов. Если применить две микросхемы, то получится 28 выводов, то есть намного сложнее, чем в случае микросхемы-таймера серии 555.

Ещё один аргумент в пользу выбранного варианта преобразователя «напряжение6-частота» - малая стоимость. В табл.1 приведён полный перечень деталей, использованных для сборки преобразователя «напряжение-частота». Указаны оптовые цены, лучше заказывать эти детали в партии с другими покупками. Если покупать единичные товары в розницу, то стоимость может возрасти на треть, но не превзойдёт 70 руб. Некоторые детали могут отличаться по стоимости, например, 10 микросхем-таймеров другой модификации TLC555CP были куплены за 340 рублей в магазине «ЧИП и ДИП» в Москве на улице Гиляровского, д.29.

Таблица 1. Перечень и стоимость деталей (товаров)

Сборка и пробное испытание схемы на макетной плате

Взятая за прототип электронная схема была собрана на макетной плате. Единственным отличием от прототипа стало увеличение сопротивления резистора R4 от 4,1 кОм, как указано на схеме-прототипе, до 4,7 кОм. Такая замена не критична, потому что определяет согласование выхода преобразователя со следующим блоком, который в этом разделе не изучается. Схема простая, состоит из таймера серии 555 в корпусе DIP8, конденсатора и четырёх резисторов, фактически, трёх резисторов. Фотография собранного устройства показана на рис.7.

Рис.7. Собранная схема преобразователя на макетной плате

Напряжение питания схемы было выбрано 12 В. Это связано со стандартом электрического напряжения для автомобильных аккумуляторов. На практике схему можно запитать не только от специального источника, но и от другого автомобильного аккумулятора. В первом опыте питание схемы выполнялось напряжением 12 В от свинцового аккумулятора от электрического шуруповёрта: клемма «минус» подсоединялась к общему проводу (вывод 1 таймера 555), клемма «плюс» к питающему проводу устройства (вывод 8 таймера 555). Управляющее положительное напряжение подавалось на вывод 5 таймера 555 от лабораторного источника питания ИПС-1, позволяющего плавно регулировать напряжение от 0 до 15 В. Выходной сигнал регистрировался электронным запоминающим осциллографом АКИП-4115/1А. Первые опыты сразу же показали работоспособность устройства. На рис.8 показаны фотографии экрана осциллографа. Левая фотография сделана при управляющем напряжении 2 В. При таком напряжении частота прямоугольных импульсов выходного сигнала равна 13,33 кГц. Правая фотография сделана при напряжении питания 12 В, при котором частота прямоугольных импульсов выходного сигнала равна 1,92 кГц.

Рис.8. Управление частотой с помощью напряжения

После пробного включения была проведена приближённая оценка диапазона изменения частоты выходного сигнала от величины входного напряжения. На рис.9 показаны осциллограммы (цвета обращены) выходных сигналов при трёх управляющих напряжениях. Отличие этих осциллограмм от предыдущих заключается в том, что они не сфотографированы, а записаны в память электронного осциллографа АКИП-4115/1А, а потом перенесены на компьютер. Этот электронный осциллограф позволяет записывать результаты измерений и сохранять их в памяти в трёх форматах: в виде рисунка *.BMP, таблицы *.CSV и данных *.DAT. Рисунок удобен для иллюстрации выходного сигнала. Таблица с цифровыми данными в этой работе пока не используется, потому что электронный осциллограф на экране показывает частоту и амплитуду сигнала, а также ряд других характеристик. Данные в виде осциллограммы есть смысл сохранять постоянно, чтобы потом можно было к ним вернуться при необходимости.

Рис.9. Записанные пробные осциллограммы

Изучение параметров схемы-прототипа

Собранная на макетной плате схема-прототип преобразователя «напряжение-частота» была изучена более подробно. Была построена зависимость частоты прямоугольных импульсов на выходе из схемы от напряжения на входе. Напряжение питания схемы было равно 12 В, конденсатор, как и в прототипе, имел электроёмкость С=100 нФ. Напряжение на входе изменялось с шагом 0,1 В от 0 В до 8,4 В. Такое изменение напряжения проводилось переключением галетного регулятора на лабораторном источнике питания Б5-45. На рис.10 показан график построенной передаточной характеристики преобразователя «напряжение-частота».

Рис.10. Передаточная функция «напряжение-частота» при С=100 нФ

Анализ схемы-прототипа показал, что частота выходных прямоугольных импульсов не достаточна для применения устройства в десульфататоре кислотно-свинцовых аккумуляторов. При изменении напряжения на входе от 0 В до 8,4 В частота изменялась от 15 кГц до 2,3 кГц, тогда как десульфататор требует более высокой частоты до 30 кГц. В связи с этим было предложено заменить детали в исходной схеме-прототипе.

Изменение параметров электронной схемы

Десульфататор требует изменять частоту импульсов повышенного напряжения в пределах от 3 кГц до 30 кГц. В схеме преобразователя-прототипа эта частота изменялась от 2 кГц до 15 кГц. Нужно было увеличить верхний предел частоты в два раза. В микросхеме-таймере серии 555 частота и длительность прямоугольных импульсов определяются величиной сопротивления резисторов и электроёмкостью конденсатора в RC-цепочке. Фактически эта цепочка представляет собой колебательный RC-контур, в котором характерное время заряда конденсатора С равно Т=RC. Это период колебаний. Чтобы увеличить частоту, надо уменьшить период колебаний Т. Стало ясно, что для увеличения частоты колебаний в два раза надо период колебаний уменьшить в 2 раза. Было предложено заменить в схеме-прототипе конденсатор на другой конденсатор, с вдвое меньшей электроёмкостью. Для более точного подбора нового конденсатора к собранной на макетной плате схеме был подключён магазин электроёмкостей. Оказалось, что уменьшение электроёмкости конденсатора в два раза не приводит к увеличению частоты в два раза. Это связано с нелинейностью регулировочной характеристики. Но основная гипотеза о замене конденсатора оказалась верной. При электроёмкости конденсатора С=30 нФ, которая была установлена вместо 100 нФ, частота импульсов при регулировке входного напряжения стала изменяться от 2,5 кГц до 36,6 кГц, то есть вполне удовлетворяла требованиям процесса десульфатации аккумуляторов. После замены конденсатора была построена передаточная характеристика «напряжение-частота», график которой показан на рис.11.

Рис.11. Передаточная функция «напряжение-частота» при С=30 нФ

На рисунке по вертикальной оси отложена частота импульсов в кГц, а по горизонтальной оси – напряжение в дВ (дециВольт), потому что шаг изменения входного напряжения в эксперименте был равен 0,1В=1дВ. Подтвердился известный факт для схемы-прототипа о начале устойчивой работы преобразователя при входном напряжении более 0,5 В, но менее напряжения питания. Новая схема устойчиво работает при входном напряжении 0,5÷11,4 В, но наиболее стабильный режим, отмеченный на электронном осциллографе наблюдается при входном напряжении 5÷11,4 В. При этом частота выходного сигнала изменяется от 2,5 кГц до 36,6 кГц, а в наиболее стабильном режиме от 2,5 кГц до 13,7 кГц. Для десульфататора некоторые колебания частоты, связанные с нелинейностью передаточной функции, не важны, поэтому электронную схему блока преобразователя «напряжение-частота» можно считать отлаженной с конденсатором С=30 нФ.

Заключение (выводы)

1. Предложенная электронная схема-прототип преобразователя «напряжение-частота» взята за основу перспективного блока генератора качающейся частоты для десульфататора кислотно-свинцовых аккумуляторов.

2. Чтобы обеспечить диапазон изменения качающейся частоты от 3 кГц до 30 кГц в электронной схеме прототипе был заменён конденсатор, электроёмкость которого необходимо уменьшить от 100 нФ до 30 нФ.

3. Напряжение питания электронной схемы по сравнению с прототипом было увеличено от 5 В до 12 В, чтобы иметь возможность использовать стандартную величину напряжения на автомобилях 12 В.

4. Устойчивая работа электронной схемы преобразователя «напряжение-частота» возможна при управляющем напряжении не менее 0,5 В, поэтому минимальное управляющее напряжение предлагается сделать 1 В с помощью делителя напряжения.

5. Максимальное управляющее напряжение электронной схемы преобразователя «напряжение-частота» составляет приблизительно 80% от напряжения питания, поэтому предлагается установить эту величину 10В с помощью делителя напряжения.

6. Ближайшая перспектива работы – изготовление генератора пилообразного напряжения и его подключение к управляющему входу созданного преобразователя «напряжение-частота».

7. Дальнейшая перспектива работы – изготовление конечного силового устройства для подключения к свинцовому аккумулятору.

8. Организационная работа связана с подготовкой заявки на патент на предполагаемое изобретение по уже выполненным результатам индивидуальных исследований [5-13].

Список использованных источников и литературы

1. Радиоконструктору. – Преобразователь «напряжение-частота». – Электронный ресурс: http://radiopolyus.ru/radiolicbez/39-radiokonstruktoru/353-preobrazovatel-napryazhenie-chastota

2. Каталог радиолюбительских схем. – Преобразователь «напряжение-частота». - Электронный ресурс: http://www.irls.narod.ru/sncl/zx0012.htm

3. Майер Р.В. Практическая электроника: от транзистора до кибернетической системы. – Электронный ресурс: http://rmajer.narod.ru/electr2010/gl3-2.htm

4. Преобразователь напряжение-частота на 555 (обсуждение схемы). – 03.05.2012. - Электронный ресурс: http://www.cyberforum.ru/electronics/thread564290.html

5. Косарева М.А. Осциллограммы десульфатации аккумуляторов. – 16 марта 2019 г. - Электронный ресурс (видеоролик 3:20): https://youtu.be/Yb69aPGDpug

6. Косарева М.А. Десульфатация кислотно-свинцовых аккумуляторов / Материалы ХХХ Международной конференции "Современные информационные технологии в образовании 2019". Часть 2. Ред. группа: Алексеева О.С., Григоренко М.М., Киревнина Е.И., Новикова Т.С. - Фонд "Байтик". - Троицк-Москва, 25 июня 2019 г. - Москва-Троицк: Изд-во "Тровант", 2019. - 167 с. - Ил. - ISBN 978-5-89513-446-7. - Направление: Детская конференция "Умный дом руками детей". - С.115-117. - Эл. ресурс: https://ito2019.bytic.ru/uploads/files/compilation2019.pdf

7. Косарева М.А. Электронный блок для управления десульфатором свинцово-кислотных аккумуляторов / Механика и моделирование материалов и технологий. Сборник трудов. Секция Международной молодёжной научной конференции "XLV Гагаринские чтения", 16-19 апреля 2019 г. - М.: ИПМех РАН, 2019. - 198 с. - ISBN 978-5-91741-244-3.

8. Косарева М.А. Формирование требований к электронному блоку управления десульфатора свинцово-кислотных аккумуляторов / Материалы Международного молодёжного научного форума "Ломоносов 2019" 8-12 апреля 2019 г. - М.: МГУ им. М.В.Ломоносова. - ISBN 978-317-06100-5.

9. Косарева М.А. Электронный блок для управления десульфатором свинцово-кислотных аккумуляторов / Г12 Гагаринские чтения - 2019: XLV Международная молодёжная научная конференция: Сборник тезисов докладов: М.: Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 2019. - 1345 с. - С.962-963. - УДК 629.7.01. - ББК 39.6 Г12. - ISBN 978-5-4465-2247-7. - Эл. ресурс: https://gagarin.mai.ru/files/2019/Abstracts_2019.pdf

10. Косарева М.А. Десульфататор кислотно-свинцовых аккумуляторов - реальность и перспектива / Наука и инновации в технических университетах: Материалы Тринадцатого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых учёных 23-25 октября 2019 г. - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019. - 169 с. - ББК 30.1 Н34. - Секция "Физические науки". - С.110-112. - Электронный ресурс: http://www.semicond.ru/siforum2019/Forum2019.pdf

11. Косарева М.А. Десульфататор аккумуляторов - экономим энергию и деньги. Научный руководитель Лебедев В.В. / П99 V Музруковские Чтения: Материалы Международной научно-практической конференции, 3-4 октября 2019 г. - ГБПОУ СПТ им. Б.Г.Музрукова. - Отв. за выпуск И.В.Столяров. - Саров: Интерконтакт, 2019. - 271 с. - УДК 016. - ББК 22+3+5+36+63+66+74+80. - П99. - ISBN 978-5-6043096-4-3. - Секция 2: Транспорт. Приборостроение. - С.38-40.

12. Косарева М.А. Десульфатация свинцовых аккумуляторов / Международная инновационная конференция молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения МИКМУС-2019. – М: Институт Машиноведения Российской академии наук им. А.А.Благонравова (ИМаш РАН), 4-6 декабря 2019. – Почётный диплом. - Принята к публикации. – Электронный ресурс (программа конференции): ID31, стр.33: http://program.mikmus.ru/mobile/index.html

13. Косарева М.А. Десульфатация кислотно-свинцовых аккумуляторов импульсным током - первые опыты и предложения / VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке VII», май 2019 г. - Электронный ресурс: http://files.school-science.ru/pdf/7/5cb6e6818a64c.pdf

Приложение. Проверка в системе antiplagiat.ru