Например TDA7294

РадиоКот > Схемы > Цифровые устройства > Бытовая техника

Электростельки

Автор: Aheir, aheir@fromru.com
Опубликовано 26.12.2012.
Создано при помощи КотоРед.

Увлекшись горнолыжным спортом сам, пару лет назад я успешно подсадил на это дело и любимую супругу (правда, я катаюсь на доске, а супруга - лыжница, но сейчас не об этом). И все бы хорошо, но в силу ее изначальной мерзлявости, частенько возникала проблема замерзших лапок. На рынке достаточно широко представлены решения для борьбы с этим явлением в виде стелек с подогревом, как электрическим, так и на основе химических источников тепла (как правило – одноразовых). Диапазон цен на электростельки колеблется от 15-20$ до 200$ за старшие модели. Посмотрев по форумам, что представляет из себя начинка таких стелек и обнаружив несколько положительных результатов любительского повторения конструкции, решил, что изготовить такое устройство самостоятельно выйдет не дороже, а главное – значительно быстрее, чем месячное ожидание посылки с сомнительным товаром из Китая.

В качестве непосредственного нагревательного элемента выбор пал на SMD резисторы в силу их дешевизны, доступности и подходящих массо-габаритных параметров.

Расщепив двухсторонний стеклотекстолит до толщины примерно 0.3-0.4 мм, изготовил из него платы, по форме повторяющие стельку в зоне пальцев (греть другие области стопы смысла не имеет – они не мерзнут).

Выглядело это все примерно так (здесь не хватает одной линии, разделяющей платы на две изолированные шины):


 

На каждую плату установил 15 резисторов 1206 по 100 Ом. Суммарное сопротивление получается 6,7 Ома, с учетом соединительных проводов – 7 Ом. Такое сопротивление при диапазоне питающих напряжений от 3 до 4,2В (литиевый аккумулятор) позволяет развивать тепловую мощность от 1,3 до 2,5 Вт (на одну стельку). Рассудил, что этого вполне достаточно для создания комфортных условий в замкнутом, по сути, объеме горнолыжного ботинка (мне кажется, основная задача отсечь отвод тепла от стопы в сторону массивной пластиковой подошвы). Прототип выглядел так:


 

По сути – просто батарейка с выключателем, для испытаний этого было вполне достаточно. В качестве соединительного кабеля использовал медицинский гипоалергенный провод, предназначенный для изготовления отведений ЭКГ и допускающий прямой контакт с кожей. Представляет собой проводящую жилу в двойной изоляции, экран и внешнюю оболочку из силиконоподобного материала. Сечение примерно 0,25, существенного падения напряжения на нем не наблюдается. В качестве разъемов использовал 3,5мм аудио, на токах до 1А влияние переходного сопротивления в них не существенно, как показала практика, а форма очень удобно вписалась. Вообще-то, подобную систему можно строить по другой идеологии, когда используется не центральный источник питания, а своя батарея на каждую ногу, причем она, батарея, крепится непосредственно на ботинок. Это позволяет существенно снизить длину проводов по сравнению с поясным креплением батарейного блока. С другой стороны, это на горнолыжном ботинке полно места, чтобы закрепить коробочку с парой батареек, а иногда хочется попользоваться устройством и в иной обуви. Например, проведя полдня на склоне, сесть в машину, переобуться в зимние кроссовки с заранее установленным вторым комплектом стелек, перещелкнуть пару разъемов и спокойно добираться домой. Да и просто с дитем по морозу гулять с таким устройством гораздо приятнее.

Как бы там ни было, по согласованию с Главным Заказчиком я остановился на варианте с поясным креплением батарейного блока)

Поскольку по мере разряда батареи тепловая мощность будет меняться, захотелось сделать какой-нибудь простейший стабилизатор-регулятор мощности (кататься-то охота и в -20, и в +3, только вот в последнем случае сильный нагрев точно не требуется). Схема получилась такая:


 

Собственно стабилизацией мощности занимается МК Atmega8. Кроме того, имеется ключ для управления питанием схемы на полевике IRF7304 (U1 на схеме), ключ для управления нагревательными элементами Q3 IRLML2502, делитель для измерения напряжения батареи R10-R11, а к линиям D0-D7 подключается семисегментный индикатор (компонент не рисовал). Питание осуществляется от литиевой аккумуляторной батареи на 8 А*ч, подключаемой к клеммам X13, X14. Положительный полюс нагревательных элементов подключается напрямую к аккумулятору, отрицательный – к клемме X12.

Стабилизация мощности сделана на основе ШИМ. Предположим, мы хотим получить мощность 2Вт. Зная сопротивление нагрузки (3,5 Ом, две стельки), несложно посчитать, что для этого необходимо напряжение 2,6В. Что делать, если напряжение на аккумуляторе выше этого значения? Подавать его на нагреватель в течение части заранее определенного временного интервала. Период ШИМ выбран равным 1 с, тогда, например, при напряжении на аккумуляторе 4В для получения эквивалентного напряжения в 2,6В нужно подключать аккумулятор к нагрузке на 650мс. Таким образом, МК измеряет напряжение на батарее и меняет коэффициент заполнения ШИМ в зависимости от выбранного уровня мощности и текущего напряжения аккумулятора. В программе есть массив

ref_array[6]={0,1323000,1871000,2291000,2646000,2958000};

задающий напряжения в мВ * 1000, соответствующее мощностям (0, 0.5 .. 2.5) при Rн = 3.5 Ом. Примитивно, но работает).

Алгоритм работы следующий. Удержанием кнопки включаем устройство, на семисегментник выводится сообщение “Hi”, происходит индикация текущего уровня мощности, начинается нагрев. Через 3с индикация отключается, происходит только мигание десятичной точки индикатора синхронно с включением нагревателя. Коротковременное нажатие на кнопку приводит к включению индикации выбранного уровня мощности на 5с, если в течение этого времени повторно нажимать на кнопку, происходит переключение режимов по кольцу: 1..5,F, что соответствует мощностям от 0,5Вт до 2,5Вт или – в режиме “F” – максимальной возможной мощности (аккумулятор просто подключается к нагревателям). Удержание кнопки в течение 1с приводит к индикации текущего напряжения на аккумуляторе, измеренного при подключенной нагрузке, последовательно выводятся 3 цифры. Удержание кнопки в течение 2с приводит к выключению устройства с выводом сообщения “Bye”. МК работает на частоте 1 МГц, фьюзы следующие:


 

Конструктив определялся габаритами батарейки и имеющимся корпусом.

Плата выполнена односторонней (эх, давно не брал я утюг в руки)), имеется несколько проводных перемычек:


 

Основной объем корпуса занимает, естественно, аккумулятор:


 

На задней стенке корпуса установлена пара пластиковых зацепок для крепления устройства на поясе.

В верхней части корпуса установлена плата, на левой и правой сторонах имеется по 2 разъема для подключения нагревателей: куда в данный момент удобнее, туда и подключаем.


 

На нижнюю грань выведен разъем для зарядки аккумулятора, его же можно использовать для эксплуатации устройства в качестве внешней батарейки. Конструктивные особенности разъемов приводят к необходимости осуществления коммутации только при выключенном устройстве!

Сверху – кнопка и индикатор:

 

В облагороженном виде:


 

Еще полевые испытания прототипа показали эффективность устройства, естественно, в таком варианте оно работает не хуже. Так что теперь катание доставляет еще больше удовольствия и положительных эмоций – что и требуется)


Файлы:
Схема и плата P-CAD 2006
Исходники CVAVR


Все вопросы в Форум.


ID: 1454