Каталог радиолюбительских схем

Импульсное зарядное устройство

В. СОРОКОУМОВ, г. Сергиев Посад

Для зарядки стартерных аккумуляторных батарей автолюбители применяют самые разнообразные устройства, большинство которых построено с использованием понижающего сетевого трансформатора. Таким устройствам свойственны сравнительно низкий КПД, большие габариты и масса. И если КПД можно хоть как-то поднять, то улучшить остальные показатели подобных устройств практически не удается. Существенно повысить эксплуатационные качества зарядного устройства можно, если построить его по принципу импульсного инвертора напряжения.

Импульсные зарядные станции, выпускаемые за рубежом (фирмы Bosch, Telwin и др.), имеют превосходные технические показатели, но по стоимости недоступны большинству наших автомобилистов. Вместе с этим и самостоятельное изготовление подобных устройств под силу далеко не каждому радиолюбителю, особенно тем, кто не имеет необходимого опыта в области импульсной схемотехники и налаживания таких приборов.

Тем не менее не следует считать импульсные зарядные устройства непреодолимо сложными. Так, в [1] описано радиолюбительское устройство, построенное на основе обратноходового преобразователя.

Несомненное достоинство таких преобразователей — их относительная простота и малые габариты. Однако есть у них и недостатки. Один из наиболее серьезных из них — подмагничивание маг-нитопровода трансформатора, из-за чего приходится использовать магнитопровод сечением в 2...2,5 раза большим, чем для двухтактных преобразователей. Кроме того, выбросы напряжения на коммутирующем элементе обратнохо-довых преобразователей, как правило, значительно превышают напряжение питания, что требует введения дополнительных подавляющих и рекупераци-онных цепей. Энергетические потери в них наиболее ощутимо сказываются при большой выходной мощности, поэтому однотактные преобразователи

применяют в узлах питания мощностью, не превышающей сотни ватт.

Батарею свинцовокислотных аккумуляторов обычно заряжают одним из трех способов: при стабильном напряжении, при стабильном токе и по так называемому правилу ампер-часов. Зарядку стабильным напряжением реализовать довольно просто, но она не гарантирует стопроцентного использования емкости батареи. Зарядку по правилу ампер-часов (по Вудбриджу) можно считать идеальным способом, однако он не получил широкого распространения из-за схемной сложности.

Наиболее оптимальным признан способ зарядки стабильным зарядным током. Устройства, реализующие этот способ, легко оснастить узлами, которые позволяют автоматизировать процесс зарядки. К этой группе зарядных устройств относится и описываемое ниже.

В основу устройства (см. схему) положен двухтактный полумостовой импульсный преобразователь (инвертор) на мощных транзисторах VT4 и VT5, управляемый широтноимпульсным контроллером DA1 по низковольтной стороне. Такие преобразователи, устойчивые к повышению питающего напряжения и изменению сопротивления нагрузки, хорошо зарекомендовали себя в источниках питания современных компьютеров. Поскольку в ШИ контроллере К1114ЕУ4 [2] находятся два усилителя ошибки, для контроля зарядного тока и выходного напряжения не требуется дополнительных микросхем.

Быстродействующие диоды VD14, VD15 защищают коллекторный переход транзисторов VT4, VT5 от обратного напряжения на обмотке I трансформатора Т2 и отводят энергию выбросов обратно в источник питания. Диоды должны обладать минимальным временем включения.

Терморезистор R1 ограничивает ток зарядки конденсаторов С4, С5 при включении устройства в сеть. Для подавления помех со стороны преобразователя служит сетевой фильтр C1C2C3L1. Цепи R19R21C12VD8 и R20R22C13VD9 служат для форсирования процесса закрывания коммутирующих транзисторов путем подачи в их базовую цепь минусового напряжения. Это позволяет снизить коммутационные потери и увеличить КПД преобразователя.

Конденсатор С8 предотвращает подмагничивание магнитопровода трансформатора Т2 из-за неодинаковой емкости конденсаторов С4 и С5. Цепь R17C11 способствует уменьшению амплитуды выбросов напряжения на обмотке I трансформатора Т2.

Трансформатор Т1 гальванически развязывает вторичные цепи от сети и передает управляющие импульсы в базовую цепь коммутирующих транзисторов. Обмотка III обеспечивает пропорционально токовое управление. Использование трансформаторной развязки позволило сделать эксплуатацию устройства безопасной.

Выпрямитель зарядного тока выполнен на диодах КД2997А (VD10, VD11), способных работать на сравнительно высокой рабочей частоте преобразователя.

Резистор R25 — датчик тока. Напряжение с этого резистора, поданное на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки контроллера DA1, сравнивается с напряжением на его инвертирующем входе, устанавливаемом резистором R2 "Зарядный ток". При изменении сигнала ошибки изменяется скважность управляющих импульсов, время открытого состояния коммутирующих транзисторов инвертора и, значит, передаваемая в нагрузку мощность.

Напряжение с делителя R23R24, пропорциональное напряжению на заряжаемой батарее, поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки и сравнивается с напряжением на резисторе R5, приложенным к инвертирующему входу этого усилителя. Таким образом происходит регулирование выходного напряжения. Это позволяет избежать интенсивного кипения электролита в конце зарядки путем снижения зарядного тока.

ШИ контроллер имеет встроенный источник стабильного напряжения 5 В, который питает все делители напряжения, задающие требуемые значения напряжения на выходе устройства и зарядного тока.

Поскольку питание на микросхему DA1 поступает с выхода устройства, недопустимо снижение выходного напряжения устройства до 8 В — в этом случае прекращается стабилизация зарядного тока и он может превысить предельно допустимое значение. Подобные ситуации исключает узел, собранный на транзисторе VT3 и стабилитроне VD12, — он блокирует включение зарядного устройства, если его нагрузить неисправной либо сильно разряженной батареей (с ЭДС менее 9 В). Стабилитрон, а значит, и транзистор узла остаются закрытыми, а вход DTC (вывод 4) микросхемы DA1 — подключенным через резистор R7 к выходу Uref встроенного источника образцового напряжения (вывод 14). Напряжение на входе DTC при этом — не менее 3 В, и формирование импульсов запрещено.

При подключении к выходу устройства исправной батареи открывается стабилитрон VD12 и вслед за ним транзистор VT3, замыкая на общий провод вход DTC контроллера и тем самым разрешая формирование импульсов на выходах С1, С2 (открытый коллектор). Частота следования импульсов — около 60 кГц. После усиления по току транзисторами VT1, VT2 они через трансформатор Т1 передаются на базу коммутирующих транзисторов VT4 и VT5. Частоту повторения импульсов определяют элементы R10 и С9. Ее рассчитывают по формуле

F=1,1/R10C9.

Диоды КД257Б можно заменить на RL205, КД2997А — на другие, в том числе на диоды Шотки с обратным напряжением более 50 В и выпрямленным током более 20 A, FR155 — на быстродей-ствуюшие импульсные диоды FR205, FR305, а также UF4005. ШИ контроллер К1114ЕУ4 имеет множество зарубежных аналогов — TL494IN [3], DBL494, mPC494, IR2M02, КА7500. Вместо КТ886А-1 подойдут транзисторы КТ858А, КТ858Б или КТ886Б-1.

Трансформаторы — самые ответственные и трудоемкие элементы любого импульсного преобразователя. От качества их изготовления зависят не только характеристики устройства, но и вообще его работоспособность.

Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К20х12х6 из феррита М2000НМ. Обмотка I намотана проводом ПЭВ-2 0,4 равномерно по всему кольцу и содержит 2x28 витков; обмотки II и IV — по 9 витков провода ПЭВ-2 0,5. Обмотка III — два витка провода МГТФ-0,8. Обмотки изолированы одна от другой и от магнитопровода двумя слоями тонкой фторопластовой ленты.

Трансформатор Т2 намотан на броневом магнитопроводе Ш 10x10 из феррита М2000НМ (или, еще лучше, М2500НМС); годится и кольцевой маг-нитопровод аналогичного сечения. Обмотка I содержит 35 витков провода ПЭВ-2 0,8, а обмотка II — 2x4 витка жгута сечением не менее 4 мм2 из нескольких проводов ПЭВ-2 или ПЭЛ. Если принудительно охлаждать трансформатор, сечение жгута можно уменьшить.

Следует отметить, что от качества межобмоточной изоляции трансформаторов зависит не только надежность устройства, но и безопасность его эксплуатации, поскольку именно она изолирует вторичные цепи от напряжения сети. Поэтому не следует выполнять ее из подручных материалов — оберточной бумаги, канцелярского скотча и т. д. -и уж тем более пренебрегать ей, как иногда делают малоопытные радиолюбители. Лучше всего применять тонкую фторопластовую ленту или конденсаторную бумагу из высоковольтных конденсаторов, укладывая ее в 2—3 слоя.

Собирают устройство в металлической коробке подходящих размеров. Транзисторы VT4 и VT5 устанавливают на теплоотводы с площадью поверхности не менее 100 см2. Диоды VD10, VD11 также снабжают общим теплоотводом с площадью поверхности не менее 200 см2. Использовать в качестве тепло-отвода стенки коробки устройства, а также общий теплоотвод для диодов и транзисторов не следует из соображений безопасности эксплуатации зарядного устройства. Размеры теплоотводов можно существенно уменьшить, если принудительно охлаждать их вентилятором.

Для налаживания преобразователя потребуются ЛАТР, осциллограф, исправная аккумуляторная батарея и два измерителя — вольтметр и амперметр (до 20 А). Если в распоряжении радиолюбителя окажется развязывающий трансформатор 220 В х 220 В мощностью не менее 300 Вт, следует устройство включить через него — работать будет безопаснее.

Сначала через временный токоогра-ничительный резистор сопротивлением 1 Ом мощностью не менее 75 Вт (или автомобильную лампу мощностью 40—60 Вт) подключают к выходу устройства батарею и убеждаются в наличии плюсового напряжения 5 В на выходе Ц* (вывод 14) ШИ контроллера. Подключают осциллограф к выходам С1 и С2 (выводы 8 и 11) контроллера и наблюдают импульсы управления. Движок резистора R2 устанавливают в крайнее нижнее по схеме положение (минимальный зарядный ток) и подают от ЛАТРа на сетевой вход устройства напряжение 36...48 В. Транзисторы VT4 и VT5 не должны сильно нагреваться. Осциллографом контролируют напряжение между эмиттером и коллектором этих транзисторов. При наличии выбросов на фронте импульсов следует применить более быстродействующие диоды VD14, VD15 либо точнее подобрать элементы R17 и С11 демпфирующей цепи.

Необходимо иметь в виду, что далеко не все осциллографы допускают измерения в цепях, гальванически связанных с сетью. Кроме этого, помните, что часть элементов устройства находится под сетевым напряжением — это небезопасно!

Если все в порядке, напряжение на сетевом входе плавно повышают ЛАТРом до 220 В и контролируют работу транзисторов VT4, VT5 по осциллографу. Выходной ток при этом не должен превышать 3 А. Вращая движок резистора R2, убеждаются в плавном изменении тока на выходе устройства.

Далее из выходной цепи удаляют временный токоограничительный резистор (или лампу) и подключают батарею непосредственно к выходу устройства. Подбирают резисторы R4, R6 так, чтобы пределы изменения зарядного тока регулятором R2 были равны 0,5 и 25 А. Устанавливают максимальное выходное напряжение равным 15В подборкой резистора R5.

Ручку регулятора R2 снабжают шкалой, проградуированной в значениях зарядного тока. Можно оснастить устройство амперметром. Коробка и все металлические нетоковедущие части зарядного устройства на время его работы должны быть надежно заземлены. Не рекомендуется оставлять работающее зарядное устройство на длительное время без присмотра.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Косенко С. VIPER-100А и "карманное" зарядное устройство на его основе. — Радио, 2002, № 11, с. 30—32.

2.  Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник. — М.гДОДЭКА, 1997.

3.  TL493. TL494, TL495 Pulse-width-modu-lation control circuits. Data Sheets — Texas Instruments, 1988. http://www.ti.com.

РАДИО № 8, 2004 г., с. 46-47.