Автоматичний зарядний пристрій для свинцево-кислотної акумуляторної батареї

С. ГОЛОВ, м. Десногорск Смоленської обл.

Пропоноване пристрій автоматично реалізує рекомендований фірмами-виробниками оптимальний алгоритм зарядки герметичній свинцево-кислотної акумуляторної батареї напругою 12 В, в процесі якої батарея отримує повний заряд і зберігається в цьому стані без перезарядки, що забезпечує тривалий термін її служби. Пристрій зібрано з широко доступних деталей і відрізняється простотою схеми. Воно може бути також використана і для зарядки негерметична, у тому числі автомобільних акумуляторних батарей.

Необхідність в зарядному пристрої для герметичного акумуляторною батареї SVEN SV7.5-12 змусила автора вивчити публікації на цю тему і провести аналіз існуючих рішень. Оптимальний, на думку фірм-виробників, алгоритм зарядки повинен складатися з кількох етапів з певним режимом на кожному з них [1,2]. Однак радіоаматорській видання не пропонують конструкції зарядних пристроїв, автоматично забезпечують ці режими.

Так було поставлено завдання: виготовити автоматичний пристрій для зарядки 12-вольтна свинцево-кислотної необслуговуваної батареї з гелевим електролітом, що не вимагає контролю і втручання, просте, побудоване на вітчизняних поширених деталях і нескладне у налагодженні.

Алгоритм зарядки складається з трьох етапів. На першому етапі, коли батарея частково або повністю розряджена, припустимо проводити зарядку відносно великим струмом, що досягає 0,1 … 0,2 С, де С – чисельне значення ємності акумулятора в ампер-годинах. Однак зарядний струм повинен бути обмежений зверху вказаним значенням або стабілізований. У міру накопичення заряду зростає напруга на клемах батареї. Це напруга повинна бути під контролем. У момент досягнення рівня 14,4 … 14,6 У перший етап завершено.

На другому етапі необхідно підтримувати постійним досягнуте напругу і контролювати зарядний струм, який буде знижуватися. У момент, коли батарея набере не менше 80% заряду і зарядний струм впаде до 0,02 С, необхідно перейти до третього, заключного етапу: зменшити напругу і підтримувати його на рівні не вище 13,8 В. Зарядний струм, знижуючись, досягає значення 0,002 … 0.001С і стабілізується на цьому рівні. Такий струм для батареї не небезпечний: вважають, що він компенсує саморазрядку, а підтримуваний рівень напруги не допустить перезарядки. У такому режимі батарея може знаходитися необмежена час без шкоди для себе і завжди готова до застосування. Усі зазначені рівні напруги відповідають температурі батареї 20 ° С. Під час зарядки батареї по цьому алгоритму до неї не повинна бути підключена навантаження [2].

Схема ЗУ показана на рис. 1. По суті, пристрій являє собою комбінований стабілізатор струму і напруги. Батарею заряджає вихідний струм мікросхеми DA1 – стабілізатора напруги. Для зміни вихідної напруги стабілізатора між виведенням 2 DA1 і загальним проводом пристрої включена ланцюг діодів VD3-VD14 і підлаштування резистор R13. Резистори R11, R6 і R2 – датчики струму для першого, другого і третього етапів зарядки відповідно. На першому етапі великий зарядний струм, протікаючи по датчиків струму, викликає падіння напруги на них, достатня для відкривання транзисторів VT1, VT2 і VT5. Транзистори VT3 і VT6 також відкриті. Тільки транзистор VT4 закритий. Всі світлодіоди HL1-HL3 включені. Транзистори VT5, VT6 і мікросхема DA1 стабілізують зарядний струм на рівні 0,6 B/R11. У міру зарядки батареї напруга на ній зростає, а струм через транзистор VT6 зменшується. Коли транзистор VT6 буде закрито, пристрій вийде з режиму стабілізації струму. З цього моменту зарядний струм почне зменшуватися, транзистор VT5 закриється, світлодіод HL3 згасне, сигналізуючи про завершення першого і початку другого етапів зарядки.

На початку другого етапу зарядки транзистори VT1-VT3 відкриті, a VT4-VT6 закриті. Зарядка батареї здійснюється при постійній напрузі, що дорівнює сумі напруги стабілізації мікросхеми DA1, падіння напруги на діодним ланцюга VD3-VD14 і резистори R13. Це сумарне напруга повинна бути в межах 14,4 … 14,6 В. Струм заряджання плавно зменшується. Коли його значення стає недостатнім для того, щоб падіння напруги на датчику струму-резистори R6 – підтримувало транзистор VT2 у відкритому стані, цей транзистор закривається, транзистор VT3 також закривається, а транзистор VT4 відкривається і входить в насичення. Світлодіод HL2 гасне, сигналізуючи про завершення другого етапу зарядки.

На третьому етапі зарядки відкритий транзистор VT4 шунтується діод VD3, тому напруга стрибком зменшується до суми напруг стабілізації мікросхеми DA1, падіння напруги на діодах VD4-VD14 і резистори R13, яка не повинна перевищувати 13,8 В. Зарядний струм також стрибком зменшується і продовжує зменшуватися далі (без урахування можливих нетривалих перехідних процесів після стрибка). Коли струм зарядки стає недостатнім для того, щоб падіння напруги на датчику струму-резистори R2 – підтримувало транзистор VT1 у відкритому стані, цей транзистор закривається, світлодіод HL1 гасне, сигналізуючи про завершення третього етапу та процесу зарядки в цілому. Батарея може і далі безпечно перебувати у включеному зарядному пристрої необмежений час.

Акумулятор має негативний температурний коефіцієнт напруги, що дорівнює -4 мВ / ° С. ТКН прямосмещенного діода також негативний -2 мВ / ° С. Тому ланцюг з 12 діодів автоматично забезпечує температурну компенсацію батареї.

Діоди VD1 і VD2 обмежують падіння напруги на датчиках R2 і R6 під час протікання великого струму. Тривалість етапів і всього процесу залежить від рівнів струму, які визначаються опорами датчиків.

Джерело живлення може бути будь-яким, що забезпечує при максимальному струмі зарядки напругу 22 … 25 В, яке може бути нестабілізованим. При інтенсивній експлуатації акумуляторної батареї необхідна її часта зарядка, тому краще використовувати імпульсні блоки живлення з високою частотою перетворення, оскільки вони відрізняються високим ККД. Автором застосований блок живлення, описаний у статті С. Бірюкова [3], підданий модифікації з урахуванням специфіки його використання в зарядному пристрої.

Схема блоку харчування показана на рис. 2. Елементи L1, L2, С1, С2 утворюють мережевий протизавадний фільтр, який запобігає проникненню високочастотних пульсацій, створюваних перетворювачем, в живильну мережу. Резистор R2 обмежує пусковий струм у момент включення. Діодний міст VD1 і згладжуючі конденсатори С4, С5 випрямляють мережеве напруга. Конденсатори С6 і С7 утворюють дільник напруги для полумостового перетворювача, який містить високовольтні транзистори VT1 і VT2, узгоджувальний розділовий трансформатор Т1, що забезпечує подачу на бази транзисторів імпульсів збудження, і високочастотний вихідний трансформатор Т2. Резистори R5 і R6 вирівнюють напругу на конденсаторах С6 і С7 під час роботи блоку живлення і розряджають конденсатори С4-С7 після його вимкнення. Діоди VD4, VD5 і конденсатори С9, СЮ – вихідний випрямляч і фільтр високочастотного напруги.

У генераторі імпульсів збудження з розділювальною паузою використані JK-тригери замість D-тригерів, застосованих в [3], але логіка його роботи залишилася колишньою. Зрозуміло, замість наведеного варіанту генератора можна застосувати вихідну схему з [3]. Генератор отримує напруга живлення зі стабілітрон VD6 через резистор R7 від виходу блоку живлення, що дозволило спростити блок харчування порівняно з прототипом [3]. Спочатку генератор включається батарей для зарядки через діод VD7. Якщо батареї немає або вона підключена в неправильній полярності, то генератор імпульсів збудження і, отже, блок живлення в цілому не можуть бути запущені. Якщо в процесі зарядки батареї станеться її коротке замикання, то генерація імпульсів збудження буде зірвана, напруга на виході блоку живлення стане рівним нулю. Так забезпечено захист від деяких аварійних ситуацій. Максимальний вихідний струм описаного блоку живлення становить 1 А. Цей блок придатний для зарядки батарей місткістю не більш як 20 А-ч, для батарей більшої ємності необхідний більш потужний блок живлення.

Конструкція і деталі. У зарядному пристрої (мал. 1) діоди VD1 і VD2 – потужні кремнієві випрямні, розраховані на максимальний струм зарядки. Діоди VD3-VD14 – будь-які кремнієві, наприклад, Д220, Д223, КД102, КД103, КД522. Всі резистори-МЛТ. Датчики струму – резистори R6 і R11 – можуть бути саморобними з відрізка ніхромового дроту діаметром 1 мм, довжину якої підбирають в процесі налагодження. Діоди VD3-VD14 необхідно розмістити далі від джерел тепла. Мікросхема DA1 встановлена на тепловідвід площею 150 см2 (з розрахунку 20 см на ват розсіюваною потужності).

У блоці живлення (рис. 2) транзистори VT1 і VT2 – потужні кремнієві високовольтні, наприклад, задовільно працюють КТ809А. Транзистори в металевих корпусах тепловідводів не вимагають. Всі сильнострумовій з'єднання повинні бути виконані проводом відповідного перерізу (не менше 0,5 мм2 на ампер). Трансформатор Т1 намотаний на кільцевому магнітопроводі типорозміру К10х6х4 з фериту 2000НМ. Обмотка I виконана проводом ПЕЛШО 0,1 і містить 200 витків, обмотки II і III містять по 20 витків дроту ПЕЛШО 0,27. Трансформатор Т2 намотаний на кільцевому магнітопроводі типорозміру К28х20х6 з фериту 2000НМ. Обмотка I виконана проводом ПЕЛШО 0,27 і містить 200 витків, обмотки II і III намотані у два дроти і містять по 30 витків дроту ПЕВ-2 0,8. У кожному трансформаторі забезпечена надійна ізоляція між обмоткою I і іншими обмотками з допомогою двох шарів стрічки ФУМ. При відсутності кілець зазначених розмірів можна застосувати кільця більшого діаметра або Ш-подібний магнітопровода, у якого твір площі перерізу на площу вікна не менш, ніж у рекомендованих. Дроселі L1 і L2 – ДМ-2, 5. Застосовано плівкові конденсатори К73-17 на номінальну напругу 400 В (С1, С2), 250 В (С6, С7) і 63 В (С10). Оксидні конденсатори К50-32 (С4, С5) та К50-35 (С9). Решта конденсатори (СЗ і С8) керамічні КМ-5. Зарядний пристрій і блок живлення розміщені в одному корпусі розмірами 200x90x40 мм.

Налагодження. Спочатку налагоджують блок живлення. З'єднання анода діода VD7 з виходом ЗУ розривають. Акумуляторну батарею або інше джерело живлення напругою 10 … 12 В підключають плюсовим висновком до анода діода VD7, а мінусовим – до загального проводу. Має запрацювати генератор імпульсів збудження. Подальше налагодження блоку харчування виконують за описом в [3]. При струмі навантаження 1 А напруга на виході блоку харчування повинно бути в межах 20 … 25 В.

Далі налагоджують ЗУ. До його входу підключають блок живлення, описаний в цій статті, або інший, що володіє вказаними вище характеристиками. Замість акумуляторної батареї до виходу ЗУ через амперметр підключають реостат чи іншу навантаження, опір якої можна плавно регулювати. Спочатку потрібно підібрати опір датчиків струму. При плавному зменшенні опору навантаження повинні послідовно загорятися світлодіоди HL1, HL2, HL3. Коли включені всі світлодіоди, струм через навантаження повинен бути стабілізований. Опір резистора R11 підбирають так, щоб струм стабілізації дорівнював максимального струму зарядки (0,1 С). Підбору резистора R6 перешкоджає стрибок струму, що утрудняє точне вимірювання струму. Тому потрібно тимчасово усунути цей стрибок, встановивши замикаючу перемичку між базою і емітером транзистора VT4. Далі підбирають опір резистора R6 так, щоб світлодіод HL2 загорявся при струмі навантаження 0.02С. Після цього знімають перемичку між базою і емітером транзистора VT4. В останню чергу підбирають опір резистора R2 так, щоб світлодіод HL1 включався при струмі навантаження 0,004 С. Якщо її готують ЗУ призначене для використання з АБ ємністю 7,5 Ач і перевіркою встановлено відповідність опорів датчиків R2, R6, R11 межах, зазначених на схемі (див. рис. 1), цей етап налагодження можна опустити.

Потім встановлюють необхідні рівні напруги стабілізації третього і другого етапів зарядки. До виходу ЗУ підключають вольтметр і витримку навантаження резистор опором 180-200 Ом і потужністю 2 Вт (що забезпечує струм близько 0,01 С). Повинен горіти один світлодіод HL1. Напруга на навантаженні (третього етапу) встановлюють движком підлаштування резистора R13 в межах 13,7 … 13,8 В.

Точність напруги другого етапу не така критична, вона зазвичай забезпечується автоматично включенням в роботу діода VD3. Треба лише переконатися, що напруга знаходиться в межах 14,4 … 14,6 В, підключивши до виходу ЗУ резистор опором 30-50 Ом і потужністю 10 Вт (струм – близько 0.05С, світяться HL1 і HL2) і перевіривши напруга на ньому. На цьому налагодження ЗУ закінчено. Якщо використаний блок живлення, описаний в цій статті, потрібно відновити з'єднання анода діода VD7 блоку живлення з виходом ЗУ.

Першу зарядку батареї здійснюють з підключеними вольтметром і амперметром, контролюючи їх свідчення. Процес зарядки повністю розрядженою батареї проілюстрований графіками на рис. 3. Графіки струму і напруги зняті експериментально, графік отриманого батареєю заряду отриманий розрахунковим шляхом.

Бажано один раз на рік перевіряти напругу другого етапу зарядки і, якщо воно вийде за зазначені вище межі, відрегулювати його підлаштування резистором R13.

Максимальний вихідний струм мікросхеми DA1 (2 А) дозволяє заряджати батареї ємністю до 20 Ач. Якщо необхідно заряджати батареї більшої ємності, слід "умощніть" мікросхему DA1 зовнішнім р-п-р транзистором, як показано в [4]. При використанні зовнішнього транзистора КТ818АМ вихідний струм може досягати 15 А, що дозволяє заряджати батареї ємністю до 150 Ач.

Оскільки електрохімічний процес у всіх свинцево-кислотних акумуляторів один і той же, що описаний пристрій можна використовувати і для зарядки негерметична акумуляторних батарей, у тому числі автомобільних. В останньому випадку простіше всього модернізувати наявне зарядний пристрій, що містить блок живлення і лінійний стабілізатор компенсаційного типу. Саме цей стабілізатор може бути використаний замість мікросхеми DA1.

Всю ланцюг VD3-VD14 слід оформити у вигляді виносного датчика, сполученого з ЗУ трижильним кабелем (можна телефонним). Зручно використовувати діодні збірки КДС523, КДС627А, які після з'єднань залити в монолітний датчик епоксидної смолою, також можна спробувати застосувати в цій ролі високовольтний випрямляючий стовп. Перед зарядкою датчик розташовують на корпусі акумуляторної батареї. З пониженням температури напруга другого і третього етапів довше.

ЛІТЕРАТУРА

1. Хоровіц П., Хілл У. Мистецтво схемотехніки: У 3-х томах, т. 3,-4-е изд., – М.: Мир, 1993, с. 191-194.

2. Інструкція з експлуатації герметизованих свинцево-кислотних акумуляторів з регулюючими клапанами UNIKOR серії VT. – Http://www.energon.ru/support/ doc / unikor / unikor-manual.pdf.

3. Бірюков С. Блок живлення для "РАДІО-86РК". – Радіо, 1990, № 7, с. 58-61.

4. Щербина А., Благий С, Іванов В. Застосування мікросхемних стабілізаторів серій 142, К142 і КР142. – Радіо, 1991, № 3, с. 47-51.

Радіо № 12, 2004 р.