Классический выпрямитель имеет два основных недостатка. Прежде всего: нет защиты от перезаряда, и даже если мы наблюдаем за ним во время зарядки, после показаний самого амперметра не может быть четко указано, что пора прекращать зарядку.
Зарядка до выделения газа из электролита, с другой стороны, является сознательной перезарядкой.
Второй недостаток: нет регулирования зарядного тока. Зарядный ток не должен превышать допустимое значение для конкретного аккумулятора (АК) - зарядный ток зависит от его емкости. Зарядка с чрезмерным током может необратимо разрушить пластины (элементы), которые составляют АК.
Превышение допустимого напряжения или тока отрицательно влияет на производительность и срок службы АК.
Представленная схема позволяет устранить оба описанных дефекта, ее основными параметрами являются:
- зарядка 12В свинцовых аккумуляторов емкостью 10 ... 100Ач,
- регулирование зарядного тока в диапазоне примерно 1 ... 10А,
- защита от перезаряда,
- многоступенчатый процесс зарядки,
- источник питания: трансформатор и TEAC () или выпрямитель.
Стоит подчеркнуть, что это может быть автономное устройство, подобное модели, показанной на фотографиях. Но оно также может быть приставкой к простому классическому выпрямителю. В обоих случаях мы получаем автоматическое зарядное устройство. Дополнительным вариантом является использование в качестве адаптера для импульсного источника питания - подробности в конце статьи.
Описание схемы
Схема показана на рисунке 1, ее можно разбить на несколько блоков.
1. Блок измерения тока - построен с использованием схемы LM358 (IC3A, IC3B).
Положительный выходной сигнал выпрямителя подключается к клемме POW и подается на измерительный шунт R16, состоящий из двух силовых резисторов с низким сопротивлением.
Операционный усилитель IC3B вместе с транзистором T4 и соседними элементами образует преобразователь тока в напряжение. На его выходе присутствуют фильтр из элементов R20, C13 и усилитель IC3A. Выходной сигнал CV фиксируется с помощью прецизионного потенциометра R24 и поступает на микроконтроллер.
2. Силовой каскад - построен на транзисторах T3 и T5. T3 используется для контроля напряжения/тока, подаваемого на аккумулятор. Транзистор T5 с соседними компонентами позволяет напрямую управлять MOSFET транзистором от вывода микроконтроллера.
3. Блок преобразователя напряжения - элементы L1, T1, D4. Это классический повышающий преобразователь с напряжением на его выходе около 29 В (сигнал с маркировкой PVCC), которое необходимо для правильной работы блока измерения тока.
Соседние элементы используются для стабилизации и фильтрации выходного напряжения.
4 Блок питания - стабилизатор IC2 и соседние элементы. Задача блока - получить и отфильтровать напряжение от 10 В до 26 В, которое подается через диоды D1 и D2 от аккумулятора или выпрямителя.
Стабилизатор IC2 выдает напряжение 5 В необходимое для питания микроконтроллера. Прецизионный потенциометр R3 и резистор R2 образуют делитель для считывания напряжения АК. Потенциометр позволяет калибровать показания.
5. Блок датчика переменного напряжения - выполнен на транзисторе Т2 и соседних элементах. Его задача состоит в том, чтобы обнаружить синусоидальные составляющие, наложенные на батарею постоянного напряжения - это будет подробно обсуждаться позже.
6. Блок управления - потенциометр R12 используется для установки тока зарядки, светодиоды показывают состояние системы, а микроконтроллер контролирует весь процесс.
Однако самый важный элемент системы не виден на схеме, и это программа, содержащаяся в памяти микроконтроллера.
Задачи, которые он выполняет:
управление работой повышающего преобразователя - поддержание постоянного значения выходного напряжения, считывание всех аналоговых значений, регулировка значения зарядного тока и переключение ступеней процесса зарядки.
Регулирование зарядного тока осуществляется транзистором MOSFET с каналом P методом фазового регулирования, используемым для тиристоров и триаков.
Это решение упростило схему и уменьшило потери энергии на исполнительном элементе.
Выходные осцилограммы схемы показаны на рис.2.
Осцилограммы:
А - это выход выпрямителя;
B - это сумма выхода выпрямителя и постоянного напряжения аккумулятора (VTN на диаграмме);
C - это сигнал на выходе датчика переменного напряжения (VIP на диаграмме) - он точно определяет время, когда напряжения от зарядного устройства превышает напряжение батареи, и можно получить от зарядного тока спадающий фронт, указывающий начало периода регулирования фазы;
D - является сигналом управления уровнем мощности (MDR на диаграмме), чем выше уровень заполнения, тем большая часть сигнала B будет подаваться на аккумулятор - сигнал E (AKUP на диаграмме);
F - это выходной сигнал из блока преобразователя текущего напряжения (CV на диаграмме).
Процесс зарядки делится на несколько этапов, выбранных в зависимости от степени заряда аккумулятора, то есть напряжения на его клеммах.
На рисунке 3 показан весь процесс.
Символы в точке А являются этапами загрузки,
график B - величина зарядного тока
График C - это кривая напряжения на батарее, а символы в точке D - способ сигнализации на светодиодах.
Этап 0 - без батареи. Если выпрямитель включен, система сигнализирует об этом этапе постоянным светом красного светодиода.
Ступень питания выключена, на выходных клеммах нет напряжения, поэтому нет риска случайного короткого замыкания, это состояние продолжается до тех пор, пока на выходе не появится напряжение не менее 8 В.
Этап I - предварительная загрузка. Если к выходным клеммам подключен АК с напряжением не более 11 В, это означает, что она находится в состоянии глубокого разряда.
Такой АК, подключеннЫЙ к обычному зарядному устройству, может вызывать очень большой ток из-за значительной разности напряжений. В этом случае представленная схема снижает зарядный ток до 1/3 установленного значения диапазона и ожидает частичной регенерации АК - напряжение превышает 11 В.
Стадия II - основная зарядка. На этой стадии ток зарядки достигает полной заданной величины, но в отличие от классического выпрямителя, не уменьшается с увеличением уровня заряда, а поддерживается на постоянном уровне, что сокращает время зарядки. Стадия продолжается по достижению 14 В. Здесь стоит обратить внимание на метод измерения напряжения, который отличается от других этапов - зарядка носит циклический характер, каждый цикл занимает около полминуты зарядки с последующей короткой паузой, прекращением зарядки - и напряжение АК измеряется в данный момент.
Благодаря этому измерение не обременено ошибкой, вызванной падением напряжения на соединительных кабелях.
Этап III - финальная часть зарядки. После превышения напряжения 14 В ток зарядки уменьшается до 1/3 от установленного значения.
Зарядка с более низким током позволяет АК «насыщаться» энергией и позволяет более точно определять время окончания.
Сначала АК отреагирует внезапным падением напряжения, как показано на рисунке 3, но затем медленно достигнет максимального значения 14,4 В.
Стадия IY - зарядка завершена.
Когда горит зеленый светодиод, процесс зарядки завершен, АК полностью заряжен и готов к использованию.
Напряжение на аккумуляторе быстро падает примерно до 13 В, а затем снижается примерно до 12,6 В, поэтому не следует ожидать, что после зарядки мы измерим на нем 14,4 В.
Если аккумулятор остается подключенной к зарядному устройству, напряжение будет постоянно отслеживаться,а когда оно падает до примерно 12,8 В, запускается дополнительная этап.
Стадия V - консервация зарядки.
Что касается окончательного заряда, то зарядный ток составляет 1/3 от установленного значения, а конечное напряжение составляет 14,4 В.Этот этап направлен на сохранение заряда АК, даже если он остается подключенным, даже после завершения зарядки.
Когда АК подключен к схеме, а зарядное устройство ЗУ выключено, тогда светодиоды будут отображать состояние аккумулятора так же, как и во время зарядки, с той разницей, что светодиоды будут мигать. ЗУ измеряет зарядный ток и, если он не достигает минимального значения, сигнализирует об этом таким образом.
То же самое произойдет, например, если при зарядке пропадет сетевое напряжение 230VAC, мигающие светодиоды будут сигнализировать об этом аварийном состоянии. Помните, что ЗУ потребляет энергию от аккумулятора и разряжает его небольшим током.
Изготовление ЗУ
Схема спроектирована и изготовлена на двухсторонней плате. Печатная плата в формате Eagle находится в архиве. Сборка осуществляется в соответствии с общими принципами, монтажная плата показана на рисунке 4.
Транзисторы T1 и T3 и стабилизатор сначала слегка прикручиваются к радиатору с помощью шайб и изолирующих гильз, а затем устанавливаются на плату (см.рис).
Изготовление ЗУ
Если устройство используется для сборки ЗУ, то вы можете прикрутить выпрямительный мост на стороне радиатора, как в вышеприведеной модели.
Если устройство будет работать как адаптер для выпрямителя, то мост не нужен.
Схема должна быть помещена в хорошо вентилируемый корпус.
Радиатор во время работы не должен быть слишком теплым, благодаря использованию исполнительного транзистора с хорошими параметрами, но измерительный резистор R16 и мостовой выпрямитель могут быть горячими. На рис.5 изображена наклейка на передную панель. Ручка управления масштабирована от 0 до 100, это можно рассматривать как % мощности или как емкость заряжаемого аккумулятора.
Распаяную печатную плату желательно промыть от остатков флюса.
После промывки платы и визуальной проверки монтажа можно приступать к запуску. Вам понадобятся: регулируемый источник питания, мультиметр и аккумулятор (АК).
Вынимаем интегральные схемы из панелек и подключаем приблизительно 10В источника питания к клеммам AKUP и GND.
Мультиметром смотрим есть ли 5В на ножках 1 и 14 панельки для микроконтролера(МК). Отсоединяем источник питания, устанавливаем МК в панельку и снова подключаем источник питания. Теперь проверяем напряжение на контактах 4 и 8 панельки IC3 (LM358) около 29 ... 30 В. Если напряжения есть,переходим к следующему этапу.
Устанавливаем IC в панельку и подключаем источник питания с установленным напряжением около 7 В, красный диод должен мигать. затем увеличиваем напряжение до 8 В и настраиваем потенциометром R3, пока не загорятся красный и желтый светодиоды.
Теперь стоит проверить, происходит ли переключение последующих ступеней при 11 В, 14 В, 14,4 В, и при необходимости скорректировать настройку R3 (наиболее важным является 14,4 В).
Важное примечание - напряжение следует увеличивать медленно, потому что измерение напряжения является циклическим, а не непрерывным, а пороги напряжения переключения ступеней имеют большой гистерезис в направлении напряжения - переключение со ступени I на II происходит при превышении 11 В, а со ступени II на I происходит при 10,8V.
Точные значения напряжения сохраняются в программе в файле analog.h.
Следующим шагом является подключение целевого трансформатора (через мост выпрямителя) или выпрямителя к клеммам POW и GND. Однако, прежде чем мы это сделаем, вы должны убедиться, что вторичное напряжение трансформатор/выпрямитель не превышает I8VAC/26VDC. Подача более высокого напряжения повредит резистор R1. Напряжение также не должно быть слишком низким, поскольку оно не позволяет получить полный диапазон регулирования. Оптимальное значение составляет 17 В переменного тока и мощность около 150 ... 200 Вт. Если вы не собираетесь использовать полный диапазон 10 А, трансформатор может быть меньшей мощности.
На выходе не должно быть фильтрующего конденсатора, поскольку схема не будет формировать синхронизирующие импульсы (сигнал VIP - рис. 2, сигнал С).
Наконец,калибруем блок измерения тока.
Устанавливаем ручку регулировки на минимум, подключаем минус АК к клемме GND, а плюс через амперметр к клемме AKUP и подключаем трансформатор/выпрямитель.
Теперь отрегулируйте ручку и, следуя указаниям амперметра, установите небольшой ток, например, 2А (схема должна находиться на стадии основной зарядки). Отрегулируйте потенциометр R24 так, чтобы риска (черточка) шкалы ручки соответствовало амперметру (при условии, что, например, 20% составляет 2А).
Здесь могут быть расхождения - ток зарядки имеет сильно искаженную форму сигнала, и амперметр может показывать погрешность. Блок измерения тока также вносит небольшие искажения.
Лучше всего установить ток в среднем положении регулятора (ток около 5 А), что позволит крайним положениям ручки настройки иметь допустимую погрешность.
Как безопасно подключить схему?
Зарядное устройство несколько устойчиво к обратному подключению аккумулятора и короткому замыканию выходных клемм, но следует соблюдать следующий порядок.
Прежде всего, блок питания - зарядное устройство должно быть отключен от сети 230VAC.
Затем подключите аккумулятор и наблюдайте за светодиодами - если индикатор не горит, аккумулятор неправильно подключен или сильно разряжен/поврежден.
Если мигает красный и/или желтый светодиоды, аккумулятор подключен правильно, вы можете установить зарядный ток и подключить источник питания (трансформатор или выпрямитель) к сети 230 В переменного тока.
P.S.: Современные выпрямители - импульсные выпрямители - это просто импульсные источники питания с соответствующими параметрами. Выход такого источника питания постоянного тока, поэтому может показаться, что мы не будем подключать нашу схему к такому выпрямителю. И все же! Схема и плата имеют перемычку JPI. Если она установлена, то сигнал VIP (рис. 2, сигнал C) будет замкнут на землю. Программа была написана таким образом, что в этом случае схема переключается с фазового регулирования на ШИМ и работает правильно
с постоянным напряжением.
Материал взят из журнала Elektronika dla Wszystkich за 2015.2
