Каталог радиолюбительских схем

Автоматическое зарядное устройство для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

С. ГОЛОВ, г. Десногорск Смоленской обл.

Необходимость в зарядном устройстве для герметичной необслуживаемой аккумуляторной батареи SVEN SV7.5-12 заставила автора изучить публикации на эту тему и провести анализ существующих решений. Оптимальный, по мнению фирм-изготовителей, алгоритм зарядки должен состоять из нескольких этапов с определенным режимом на каждом из них [1,2]. Однако радиолюбительские издания не предлагают конструкции зарядных устройств, автоматически обеспечивающих эти режимы.

Так была поставлена задача: изготовить автоматическое устройство для зарядки 12-вольтной свинцово-кислотной необслуживаемой батареи с гелевым электролитом, не требующее контроля и вмешательства, простое, построенное на отечественных распространенных деталях и несложное в налаживании.

Алгоритм зарядки состоит из трех этапов. На первом этапе, когда батарея частично или полностью разряжена, допустимо проводить зарядку относительно большим током, достигающим 0,1...0,2С, где С — численное значение емкости аккумулятора в ампер-часах. Однако зарядный ток должен быть ограничен сверху указанным значением или стабилизирован. По мере накопления заряда возрастает напряжение на клеммах батареи. Это напряжение должно быть под контролем. В момент достижения уровня 14,4... 14,6 В первый этап завершен.

На втором этапе необходимо поддерживать постоянным достигнутое напряжение и контролировать зарядный ток, который будет снижаться. В момент, когда батарея наберет не менее 80 % заряда и зарядный ток упадет до 0,02С, необходимо перейти к третьему, заключительному этапу: уменьшить напряжение и поддерживать его на уровне не выше 13,8 В. Зарядный ток, снижаясь, достигает значения 0,002...0.001С и стабилизируется на этом уровне. Такой ток для батареи не опасен: считают, что он компенсирует саморазрядку, а поддерживаемый уровень напряжения не допустит перезарядки. В таком режиме батарея может находиться неограниченное время без вреда для себя и всегда готова к применению. Все указанные уровни напряжения соответствуют температуре батареи 20 °С. Во время зарядки батареи по этому алгоритму к ней не должна быть подключена нагрузка [2].

Схема ЗУ показана на рис. 1. По существу, устройство представляет собой комбинированный стабилизатор тока и напряжения. Батарею заряжает выходной ток микросхемы DA1 — стабилизатора напряжения. Для изменения выходного напряжения стабилизатора между выводом 2 DA1 и общим проводом устройства включена цепь диодов VD3—VD14 и подстроечный резистор R13. Резисторы R11, R6 и R2 — датчики тока для первого, второго и третьего этапов зарядки соответственно. На первом этапе большой зарядный ток, протекая по датчикам тока, вызывает падение напряжения на них, достаточное для открывания транзисторов VT1, VT2 и VT5. Транзисторы VT3 и VT6 также открыты. Только транзистор VT4 закрыт. Все светодиоды HL1— HL3 включены. Транзисторы VT5, VT6 и микросхема DA1 стабилизируют зарядный ток на уровне 0,6 B/R11. По мере зарядки батареи напряжение на ней возрастает, а ток через транзистор VT6 уменьшается. Когда транзистор VT6 будет закрыт, устройство выйдет из режима стабилизации тока. С этого момента зарядный ток начнет уменьшаться, транзистор VT5 закроется, светодиод HL3 погаснет, сигнализируя о завершении первого и начале второго этапов зарядки.

В начале второго этапа зарядки транзисторы VT1 —VT3 открыты, a VT4— VT6 закрыты. Зарядка батареи осуществляется при постоянном напряжении, равном сумме напряжения стабилизации микросхемы DA1, падения напряжения на диодной цепи VD3—VD14 и резисторе R13. Это суммарное напряжение должно быть в пределах 14,4...14,6 В. Ток зарядки плавно уменьшается. Когда его значение становится недостаточным для того, чтобы падение напряжения на датчике тока—резисторе R6 — поддерживало транзистор VT2 в открытом состоянии, этот транзистор закрывается, транзистор VT3 также закрывается, а транзистор VT4 открывается и входит в насыщение. Светодиод HL2 гаснет, сигнализируя о завершении второго этапа зарядки.

На третьем этапе зарядки открытый транзистор VT4 шунтирует диод VD3, поэтому напряжение скачком уменьшается до суммы напряжений стабилизации микросхемы DA1, падения напряжения на диодах VD4—VD14 и резисторе R13, которая не должна превышать 13,8 В. Зарядный ток также скачком уменьшается и продолжает уменьшаться далее (без учета возможных непродолжительных переходных процессов после скачка). Когда ток зарядки становится недостаточным для того, чтобы падение напряжения на датчике тока— резисторе R2 — поддерживало транзистор VT1 в открытом состоянии, этот транзистор закрывается, светодиод HL1 гаснет, сигнализируя о завершении третьего этапа и процесса зарядки в целом. Батарея может и далее безопасно находиться во включенном зарядном устройстве неограниченное время.

Аккумулятор имеет отрицательный температурный коэффициент напряжения, равный -4 мВ/°С. ТКН прямосмещенного диода также отрицательный -2 мВ/°С. Поэтому цепь из 12 диодов автоматически обеспечивает температурную компенсацию батареи.

Диоды VD1 и VD2 ограничивают падение напряжения на датчиках R2 и R6 во время протекания большого тока. Продолжительность этапов и всего процесса зависит от уровней тока, которые определяются сопротивлениями датчиков.

Источник питания может быть любым, обеспечивающим при максимальном токе зарядки напряжение 22...25 В, которое может быть нестабилизированным. При интенсивной эксплуатации аккумуляторной батареи необходима ее частая зарядка, поэтому предпочтительнее использовать импульсные блоки питания с высокой частотой преобразования, поскольку они отличаются высоким КПД. Автором применен блок питания, описанный в статье С. Бирюкова [3], подвергнутый модификации с учетом специфики его использования в зарядном устройстве.

Схема блока питания показана на рис. 2. Элементы L1, L2, С1, С2 образуют сетевой помехоподавляющий фильтр, который предотвращает проникновение высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем, в питающую сеть. Резистор R2 ограничивает пусковой ток в момент включения. Диодный мост VD1 и сглаживающие конденсаторы С4, С5 выпрямляют сетевое напряжение. Конденсаторы С6 и С7 образуют делитель напряжения для полумостового преобразователя, который содержит высоковольтные транзисторы VT1 и VT2, согласующий разделительный трансформатор Т1, обеспечивающий подачу на базы транзисторов импульсов возбуждения, и высокочастотный выходной трансформатор Т2. Резисторы R5 и R6 выравнивают напряжение на конденсаторах С6 и С7 во время работы блока питания и разряжают конденсаторы С4— С7 после его выключения. Диоды VD4, VD5 и конденсаторы С9, СЮ — выходной выпрямитель и фильтр высокочастотного напряжения.

В генераторе импульсов возбуждения с разделительной паузой использованы JK-триггеры вместо D-триггеров, примененных в [3], но логика его работы осталась прежней. Разумеется, вместо приведенного варианта генератора можно применить исходную схему из [3]. Генератор получает напряжение питания со стабилитрона VD6 через резистор R7 от выхода блока питания, что позволило упростить блок питания по сравнению с прототипом [3]. Первоначально генератор включается заряжаемой батарей через диод VD7. Если батареи нет или она подключена в неправильной полярности, то генератор импульсов возбуждения и, следовательно, блок питания в целом не могут быть запущены. Если в процессе зарядки батареи произойдет ее короткое замыкание, то генерация импульсов возбуждения будет сорвана, напряжение на выходе блока питания станет равным нулю. Так обеспечена защита от некоторых аварийных ситуаций. Максимальный выходной ток описанного блока питания составляет 1 А. Этот блок пригоден для зарядки батарей емкостью не более 20 А-ч, для батарей большей емкости необходим более мощный блок питания.

Конструкция и детали. В зарядном устройстве (рис. 1) диоды VD1 и VD2 — мощные кремниевые выпрямительные, рассчитанные на максимальный ток зарядки. Диоды VD3—VD14 — любые кремниевые, например, Д220, Д223, КД102, КД103, КД522. Все резисторы -МЛТ. Датчики тока — резисторы R6 и R11 — могут быть самодельными из отрезка нихромовой проволоки диаметром 1 мм, длину которой подбирают в процессе налаживания. Диоды VD3— VD14 необходимо разместить дальше от источников тепла. Микросхема DA1 установлена на теплоотводе площадью 150 см2 (из расчета 20 см на ватт рассеиваемой мощности).

В блоке питания (рис. 2) транзисторы VT1 и VT2 — мощные кремниевые высоковольтные, например, удовлетворительно работают КТ809А. Транзисторы в металлических корпусах теплоотводов не требуют. Все сильноточные соединения должны быть выполнены проводом соответствующего сечения (не менее 0,5 мм2 на ампер). Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К10х6х4 из феррита 2000НМ. Обмотка I выполнена проводом ПЭЛШО 0,1 и содержит 200 витков, обмотки II и III содержат по 20 витков провода ПЭЛШО 0,27. Трансформатор Т2 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К28х20х6 из феррита 2000НМ. Обмотка I выполнена проводом ПЭЛШО 0,27 и содержит 200 витков, обмотки II и III намотаны в два провода и содержат по 30 витков провода ПЭВ-2 0,8. В каждом трансформаторе обеспечена надежная изоляция между обмоткой I и остальными обмотками с помощью двух слоев ленты ФУМ. При отсутствии колец указанных размеров можно применить кольца большего диаметра или Ш-образный магнитопровод, у которого произведение площади сечения на площадь окна не менее, чем у рекомендуемых. Дроссели L1 и L2 — ДМ-2,5. Применены пленочные конденсаторы К73-17 на номинальное напряжение 400 В (С1, С2), 250 В (С6, С7) и 63 В (С10). Оксидные конденсаторы К50-32 (С4, С5) и К50-35 (С9). Остальные конденсаторы (СЗ и С8) керамические КМ-5. Зарядное устройство и блок питания размещены в одном корпусе размерами 200x90x40 мм.

Налаживание. Вначале налаживают блок питания. Соединение анода диода VD7 с выходом ЗУ разрывают. Аккумуляторную батарею или иной источник питания напряжением 10... 12 В подключают плюсовым выводом к аноду диода VD7, а минусовым — к общему проводу. Должен заработать генератор импульсов возбуждения. Дальнейшее налаживание блока питания выполняют по описанию в [3]. При токе нагрузки 1 А напряжение на выходе блока питания должно быть в пределах 20...25 В.

Далее налаживают ЗУ. К его входу подключают блок питания, описанный в этой статье, или иной, обладающий указанными выше характеристиками. Вместо аккумуляторной батареи к выходу ЗУ через амперметр подключают реостат или иную нагрузку, сопротивление которой можно плавно регулировать. Вначале нужно подобрать сопротивление датчиков тока. При плавном уменьшении сопротивления нагрузки должны последовательно загораться светодиоды HL1, HL2, HL3. Когда включены все светодиоды, ток через нагрузку должен быть стабилизирован. Сопротивление резистора R11 подбирают так, чтобы ток стабилизации был равен максимальному току зарядки (0,1С). Подбору резистора R6 препятствует скачок тока, затрудняющий точное измерение тока. Поэтому нужно временно устранить этот скачок, установив замыкающую перемычку между базой и эмиттером транзистора VT4. Далее подбирают сопротивление резистора R6 так, чтобы светодиод HL2 загорался при токе нагрузки 0.02С. После этого снимают перемычку между базой и эмиттером транзистора VT4. В последнюю очередь подбирают сопротивление резистора R2 так, чтобы светодиод HL1 включался при токе нагрузки 0,004С. Если изготовляемое ЗУ предназначено для использования с АБ емкостью 7,5 Ач и проверкой установлено соответствие сопротивлений датчиков R2, R6, R11 значениям, указанным на схеме (см. рис. 1), этот этап налаживания можно опустить.

Затем устанавливают требуемые уровни напряжения стабилизации третьего и второго этапов зарядки. К выходу ЗУ подключают вольтметр и нагрузочный резистор сопротивлением 180—200 Ом и мощностью 2 Вт (обеспечивающий ток около 0,01 С). Должен гореть один светодиод HL1. Напряжение на нагрузке (третьего этапа) устанавливают движком подстроечного резистора R13 в пределах 13,7...13,8 В.

Точность напряжения второго этапа не так критична, она обычно обеспечивается автоматически включением в работу диода VD3. Надо лишь убедиться, что напряжение находится в пределах 14,4... 14,6 В, подключив к выходу ЗУ резистор сопротивлением 30—50 Ом и мощностью 10 Вт (ток — около 0.05С, светятся HL1 и HL2) и проверив напряжение на нем. На этом налаживание ЗУ закончено. Если использован блок питания, описанный в этой статье, нужно восстановить соединение анода диода VD7 блока питания с выходом ЗУ.

Первую зарядку батареи осуществляют с подключенными вольтметром и амперметром, контролируя их показания. Процесс зарядки полностью разряженной батареи проиллюстрирован графиками на рис. 3. Графики тока и напряжения сняты экспериментально, график полученного батареей заряда получен расчетным путем.

Желательно один раз в год проверять напряжение второго этапа зарядки и, если оно выйдет за указанные выше пределы, отрегулировать его подстроечным резистором R13.

Максимальный выходной ток микросхемы DA1 (2 А) позволяет заряжать батареи емкостью до 20 Ач. Если необходимо заряжать батареи большей емкости, следует "умощнить" микросхему DA1 внешним р-п-р транзистором, как показано в [4]. При использовании внешнего транзистора КТ818АМ выходной ток может достигать 15 А, что позволяет заряжать батареи емкостью до 150 Ач.

Поскольку электрохимический процесс во всех свинцово-кислотных аккумуляторах один и тот же, описанное устройство можно использовать и для зарядки негерметичных аккумуляторных батарей, в том числе автомобильных. В последнем случае проще всего модернизировать имеющееся зарядное устройство, содержащее блок питания и линейный стабилизатор компенсационного типа. Именно этот стабилизатор может быть использован вместо микросхемы DA1.

Всю цепь VD3—VD14 следует оформить в виде выносного датчика, соединенного с ЗУ трехжильным кабелем (можно телефонным). Удобно использовать диодные сборки КДС523, КДС627А, которые после соединений залить в монолитный датчик эпоксидной смолой, также можно попробовать применить в этой роли высоковольтный выпрямительный столб. Перед зарядкой датчик располагают на корпусе аккумуляторной батареи. С понижением температуры напряжение второго и третьего этапов зарядки увеличивается.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах, т. 3, -4-е изд., — М.: Мир, 1993, с. 191-194.

2. Инструкция по эксплуатации герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов с регулирующими клапанами UNIKOR серии VT. — http://www.energon.ru/support/ doc/unikor/unikor-manual.pdf.

3. Бирюков С. Блок питания для "РАДИО-86РК". — Радио, 1990, № 7, с. 58—61.

4. Щербина А., Благий С, Иванов В. Применение микросхемных стабилизаторов серий 142, К142 и КР142. — Радио, 1991, № 3, с. 47—51.

Радио №12, 2004 г.