Вимірювач заряду автомобільних акумуляторних батарей

А. Євсєєв г.Тула
Автомобільні акумуляторні батареї нерідко заряджають пристроями, що не мають стабілізатора струму. Пропоноване в цій статті пристрій дозволяє і в цьому випадку об'єктивно визначити момент закінчення зарядки батареї. Більш того, він виконає це при довільних формі та середньому значенні зарядного струму.

Закінчення зарядки акумулятора стабільним струмом зазвичай визначають по закінченню відомого тимчасового відрізка (так звана зарядка за часом). Проте в дійсності зарядний струм змінюється через дії різних дестабілізуючих факторів. Оскільки внутрішній опір акумуляторів дуже мало, навіть невелика зміна зарядної напруги здатне викликати значну зміну струму.

З іншого боку, введення в зарядний пристрій стабілізатора струму значно ускладнює конструкцію апарату і знижує коефіцієнт корисної дії. Так чи інакше, автомобільні зарядні пристрої промислового виготовлення, як правило, не забезпечують стабілізації зарядного струму.

Відомо, що для повної зарядки акумулятора йому необхідно повідомити певний електричний заряд (кількість електрики), рівний твору часу зарядки на середній струм. Іншими словами, момент закінчення зарядки можна визначати значенням повідомленого акумулятора заряду. При цьому зміни струму в процесі зарядки не вплинуть на заряд, а лише призведуть до збільшення або зменшення часу зарядки.

Необхідність вимірювання заряду виникає і в інших випадках. Наприклад, при проведенні тренувальної зарядки акумулятора завжди потрібно дізнатися ємність, яка буде їм віддана при розрядці до мінімально допустимої напруги. При виконанні різних електрохімічних процесів (наприклад, гальванопластики) також буває корисно виміряти кількість електрики, що пройшов через розчин.

Для вимірювання заряду, пропущеного через вимірювальну ланцюг, в умовах нестабільного струму було розроблено що описується нижче пристрій. Його принципова схема показана на мал.1. Основа пристрою – Перетворювач напруги в частоту, виконаний на мікросхемі DA1. Напруга на його вхід, пропорційне току зарядки, надходить з струмовимірювальні резисторів R1, R2 (або з одного, або з обох, в залежності від обраного тумблером SA1 межі вимірювання). Оскільки функція перетворення лінійна, частота на виході мікросхеми DA1 прямо пропорційна струму зарядки. Робота інтегрального перетворювача КР1008ПП1 докладно описана в літературі [1, 2], тому тут опущена.

Рис.1 - принципова схема вимірювача заряду

Вихідна імпульсна напруга перетворювача поступає на вхід дільника частоти DD1. Частоту вхідних імпульсів він зменшує в 32768 * 60 = 1966080 разів. Коефіцієнт перетворення та коефіцієнт ділення частоти обрані такими, що при напрузі на вході перетворювача 1 В імпульси на виході лічильника слідують з інтервалом в 0,1 год (або в 360 с). Інакше кажучи, один імпульс на виході лічильника відповідає який пройшов через вимірювальну ланцюг електричному заряду 0,1 А * год, коли контакти тумблера SA1 розімкнуті, або 1 А * год, коли замкнуті.

Нескладний розрахунок дозволяє визначити необхідний коефіцієнт перетворення: 1966080/360 = 5461 Гц / В. Оскільки ця частота значно (більш ніж у 50 разів) перевищує 100 Гц, похибка перетворення при вимірюванні заряду, переносимого пульсуючим (після двуполуперіодного випрямлення) струмом, повинна бути незначною, що й було підтверджено експериментально.

Двуразрядний двійково-десятковий лічильник імпульсів, виконаний на двох лічильниках по модулю 10 DD2, DD3 з цифровими індикаторами HG1, HG2, підраховує кількість ампер-годин або їх десятих часток. Децімальная точка індикатора HG1 включена в режимі "10 А * год", децімальная точка індикатора HG2 блимає при протіканні зарядного струму в ланцюзі навантаження і тим частіше, чим більше струм.

Для встановлення моменту відключення джерела струму зарядного після протікання заданого заряду в пристрої передбачений інсталяційний блок, що складається з двох десяткових лічильників-дешифраторів DD4, DD5, перемикачів SA3, SA4 і логічного вузла на елементах DD6.1, DD6.2.

Зміна стану лічильників DD2-DD5 відбувається по спаду вхідних імпульсів, а установка в початковий стан – подачею напруги високого рівня на вхід R.

У режимі вимірювання заряду перемикачами SA3 і SA4 встановлюють необхідне значення заряду, тумблером SA1 вибирають ємність лічильника "10 А * год" або "100 А * год" (ціна поділки молодшого розряду лічильника 0,1 або 1 А * год відповідно). Вхід приладу включають в розрив ланцюга навантаження у відповідності зі схемою, представленої на рис.2, а, подають на прилад напругу мережі і замикають контакти тумблера SA2 "Пуск".

Рис.2 - Підключення вимірювача заряду

На цьому малюнку показана функціональна схема установки для вимірювання кількості електрики, що повідомляється заряджати акумуляторні батареї GB1. За такою ж схемою збирають установку для проведення електрохімічного процесу.

Через деякий час на тих виходах лічильників DD4, DD5, які виявляться з'єднаними з рухомим контактом перемикачів SA3, SA4, з'явиться напруга високого рівня. Цей же рівень виникне на виході елемента DD6.2. В результаті, по-перше, почне працювати генератор, виконаний на елементах DD6.3, DD6.4, що виробляє імпульсну послідовність частотою близько 2 кГц, а звуковий випромінювач BF1 подасть сигнал, який вказує на те, що через заряджає батарею протекло задану кількість електрики.

По-друге, відкриється транзистор VT1 і спрацює електромагнітне реле K1, контакти K1.1 якого, разомкнувшісь, знеструмлять навантаження. У такому стані установка знаходитиметься до тих пір, поки її не відключать від мережі.

Вимірювач заряду живиться від двополярної стабілізатора напруги 2х9 В, виконаного на мікросхемах DA2, DA3. Знижуючий мережевий трансформатор T1 – уніфікований із серії ТПП. Конденсатори C6-C10, захищають мікросхеми пристрою від перешкод, встановлюють по одному біля кожної з мікросхем DD1-DD5.

При напрузі 1 В на вході перетворювача напруга-частота децімальная точка індикатора HG2 включається з періодом приблизно 3, з індіціруя протікання струму через ланцюг навантаження. Чим більше цей струм, тим частіше включення точки.

Нитки катода люмінесцентних індикаторів HG1 і HG2 живляться від мінусового плеча стабілізатора. Це зроблено для збільшення різниці напруги між анодами-елементами і катодом індикатора, що дає можливість збільшити яскравість світіння табло. Люмінесцентні індикатори в аналізаторі харчуються зниженою напругою (паспортне напругу 20 … 30 В), тому їх аноди-елементи підключені до виходів лічильників К176ІЕ4 безпосередньо, без додаткових транзисторів.

Замість ІВ-ЗА підійдуть індикатори ІВ-6, проте вони крупніше і споживають більший струм розжарення катода, тому буде потрібно підібрати резистори R7, R8. Транзистор VT1 – будь-який кремнієвий малопотужний структури NPN (наприклад, з серій КТ312, КТ315, КТ503, КТ3117). Діодні мости VD1, VD2 – будь-які з серій КЦ402 – КЦ405; діод VD3 – також будь-який із серій КД503, КД509, КД510, КД513, КД521, КД522.

Конденсатори C4, C11 – нікелева, К50-16 або К50-35; CЗ – керамічний (КМ-4, КМ-5, К10-7В, К10-47) або слюдяні, причому він повинен мати невеликий ТКЕ (МПО), оскільки від цього залежить стабільність коефіцієнта перетворення; решта – будь-яких типів, Резистор R1 складається з двох паралельно з'єднаних С5-16В номіналом 0,2 Ом і потужністю 5 Вт. Його можна виготовити самостійно з відрізка товстого проводи високого опору. Підлаштування резистор R4 – багатооборотні СП5-2; решта – МЛТ, С2-23, С2-33, причому R2 складено з двох резисторів, з'єднаних паралельно (наприклад, з номіналами 1 і 10 Ом).

Реле K1 використано імпортне, Best BS902CS (його обмотка має опір 500 Ом, контакти розраховані на комутацію постійного і змінного струму до 10 А при напрузі 220 В). Воно має габарити 20х15х15 мм. Відповідне вітчизняне реле для вимірювача заряду можна підібрати з групи автомобільних [З].

Трансформатор ТПП232-127/220-50 може бути замінений на будь-який з ряду ТПП231-127/220-50 – ТПП235-127/220-50, при цьому слід з'єднати вторинні обмотки таким чином, щоб на діодні мости VD1 і VD2 надходило напругу 12 … 15 В. Мережевий трансформатор можна виготовити і самостійно. Його намотують на стрічковому магнітопроводі ШЛ16×20. Обмотка I містить 2400 витків дроту ПЕВ-1 0,08, обмотки II і III – по 140 витків дроту ПЕВ-1 0,25.

Звуковий п'єзоелектричний випромінювач BF1 – будь-який із серії ЗП. Тумблер SA1 – П2Т або інший, розрахований на струм не менше 5 А; SA2 – будь-який. Галетним перемикачі SA3 – мпн-1.

Вимірювач заряду зібраний в пластмасовому корпусі розмірами 200х180х65 мм. Деталі розміщені на двох платах з текстоліту, монтаж виконаний навісними провідниками. На одній з них розмірами 190х130 мм, прикріпленої до днища корпусу, встановлені елементи T1, VD1, VD2, DA2, DA3, C4, C5, C11, C12, R1, R2, K1, BF1. Інші деталі розпаяні на другий платі (165х45 мм), пригвинченій до передньої панелі. Стабілізатори напруги DA1, DA2 змонтовані на тепловідведення з охолоджуючої поверхнею З0 … 40см ? кожен.

Калібрують пристрій наступним чином. Вхідні контакти вимірювача включають в розрив ланцюга навантаження за схемою рис.2, а і задають робочий струм дорівнює 1 А. Контакти тумблера SA1 при цьому повинні знаходитися в розімкнутого положенні, а тумблера SA2 – замкнутому. Вимірюючи багаторазово період проходження імпульсів на виході перетворювача DA1 (висновок 7), підлаштування резистором R4 встановлюють їх шестісекундний період. Потім перевіряють точність шестихвилинного періоду імпульсів на виході M (висновок 10) лічильника DD1 і, якщо необхідно, коригують тим же резистором.

Слід зазначити, що об'єктивно встановити заряд, який має ухвалити акумулятор, можна, якщо відома його реальна ємність і він розряджений до нижньої допустимої межі.

Для визначення ємності батареї збирають розрядну установку за схемою на рис.2, б.

Максимальний постійний струм, який можна пропускати через вхідні ланцюг в положенні "100 А * год" перемикача SA1 – 10 А, а в положенні "10 А * год", – 1 А. Якщо вимірюваний струм має форму імпульсів (наприклад, при зарядці батареї акумуляторів), то середнє значення струму потрібно зменшити до 6 … 7 А, інакше резистор R1 перегріється. При розімкнутих контактах тумблера SA1 струм не повинен перевищувати 1 А.

Л І Т Е Р А Т У Р А
1. Гутников В.С. Інтегральна електроніка у вимірювальних пристроях (вид. 2, перероб. Та дод.) – Л.: Энергоатомиздат, Ленінградське відділення., 1988, с.269-273.
2. Якубовський С.В., Ніссельсон Л.І., Кулєшова В.І. та ін Цифрові та аналогові інтегральні мікросхеми. Довідник (за ред. Якубовського С. В.). – М.: Радіо і зв'язок, 1990, с.432-445.
3. Баннікова В. Малогабаритні автомобільні електромагнітні реле. Радіо, 1994, № 9, с.42; № 10, с.41.