Імпульсний зарядний пристрій

В. СОРОКОУМОВ, м. Сергієв Посад

Для зарядки стартерних акумуляторних батарей автолюбителі застосовують найрізноманітніші пристрої, більшість яких побудоване з використанням понижуючого мережевого трансформатора. Таким пристроям властиві порівняно низький ККД, великі габарити і маса. І якщо ККД можна хоч якось підняти, то поліпшити інші показники подібних пристроїв практично не вдається. Суттєво підвищити експлуатаційні якості зарядного пристрою можна, якщо побудувати його за принципом імпульсного інвертора напруги.

Імпульсні зарядні станції, що випускаються за кордоном (фірми Bosch, Telwin та ін), мають чудові технічні показники, але за вартістю недоступні більшості наших автомобілістів. Разом з цим і самостійне виготовлення подібних пристроїв під силу далеко не кожному радіоаматорові, особливо тим, хто не має необхідного досвіду в області імпульсної схемотехніки та налагодження таких приладів.

Проте не слід вважати імпульсні зарядні пристрої непереборно складними. Так, в [1] описано радіоаматорську пристрій, побудоване на основі обратноходовие перетворювача.

Безсумнівна перевага таких перетворювачів – їх відносна простота і малі габарити. Проте є у них і недоліки. Один з найбільш серйозних з них – підмагнічуванню маг-нітопровода трансформатора, через що доводиться використовувати магнітопровід перетином в 2 … 2,5 рази більшим, ніж для двотактних перетворювачів. Крім того, викиди напруги на комутуючих елементів обратнохо-дових перетворювачів, як правило, значно перевищують напруга живлення, що вимагає введення додаткових пригнічують і рекуперації-онних ланцюгів. Енергетичні втрати в них найбільш відчутно позначаються при великій вихідний потужності, тому однотактний перетворювачі

застосовують у вузлах живлення потужністю, що не перевищує сотні ват.

Батарею свінцовокіслотних акумуляторів зазвичай заряджають одним з трьох способів: при стабільному напрузі, при стабільному струмі і по так званому правилом ампер-годин. Зарядку стабільною напругою реалізувати досить просто, але вона не гарантує стовідсоткового використання ємності батареї. Зарядку за правилом ампер-годин (за Вудбрідж) можна вважати ідеальним способом, проте він не отримав широкого поширення через схемної складності.

Найбільш оптимальним визнано спосіб зарядки стабільним зарядним струмом. Пристрої, що реалізують цей спосіб, легко оснастити вузлами, які дозволяють автоматизувати процес зарядки. До цієї групи зарядних пристроїв відноситься і описується нижче.

У основу пристрою (див. схему) покладено двотактний полумостовой імпульсний перетворювач (інвертор) на потужних транзисторах VT4 і VT5, керований шіротноімпульсним контролером DA1 по низьковольтної стороні. Такі перетворювачі, стійкі до підвищення напруги живлення і зміни опору навантаження, добре зарекомендували себе в джерелах живлення сучасних комп'ютерів. Оскільки в ШИ контролері К1114ЕУ4 [2] знаходяться два підсилювача помилки, для контролю зарядного струму і вихідної напруги не потрібно додаткових мікросхем.

Швидкодіючі діоди VD14, VD15 захищають колекторний перехід транзисторів VT4, VT5 від зворотної напруги на обмотці I трансформатора Т2 і відводять енергію викидів назад у джерело живлення. Діоди повинні володіти мінімальним часом включення.

Терморезистор R1 обмежує струм зарядки конденсаторів С4, С5 при включенні пристрою в мережу. Для придушення перешкод з боку перетворювача служить мережевий фільтр C1C2C3L1. Ланцюги R19R21C12VD8 і R20R22C13VD9 служать для форсування процесу закривання комутуючих транзисторів шляхом подачі в їх базовий ланцюг мінусового напруги. Це дозволяє знизити комутаційні втрати і збільшити ККД перетворювача.

Конденсатор С8 запобігає підмагнічуванню магнітопровода трансформатора Т2 з-за неоднакової ємності конденсаторів С4 і С5. Ланцюг R17C11 сприяє зменшенню амплітуди викидів напруги на обмотці I трансформатора Т2.

Трансформатор Т1 гальванічно розв'язує вторинні кола від мережі і передає керуючі імпульси в базовий ланцюг комутуючих транзисторів. Обмотка III забезпечує пропорційно струмова управління. Використання трансформаторної розв'язки дозволило зробити експлуатацію пристрою безпечною.

Випрямляч зарядного струму виконаний на діодах КД2997А (VD10, VD11), здатних працювати на порівняно високою робочою частотою перетворювача.

Резистор R25 – датчик струму. Напруга з цього резистора, подану на неінвертуючий вхід першого підсилювача помилки контролера DA1, порівнюється з напругою на його інвертуючому вході, встановлюваному резистором R2 "Зарядний струм". При зміні сигналу помилки змінюється шпаруватість керуючих імпульсів, час відкритого стану комутуючих транзисторів інвертора і, значить, що передається в навантаження потужність.

Напруга з дільника R23R24, пропорційне напрузі на заряжаемой батареї, надходить на неінвертуючий вхід другого підсилювача помилки і порівнюється з напругою на резисторі R5, прикладеним до інвертує входу цього підсилювача. Таким чином відбувається регулювання вихідної напруги. Це дозволяє уникнути інтенсивного кипіння електроліту в кінці зарядки шляхом зниження зарядного струму.

ШИ контролер має вбудований джерело стабільного напруги 5 В, який живить всі дільники напруги, що задають необхідні значення напруги на виході пристрою і зарядного струму.

Оскільки харчування на мікросхему DA1 надходить з виходу пристрою, неприпустимо зниження вихідного напруги пристрою до 8 В – у цьому випадку припиняється стабілізація зарядного струму і він може перевищити гранично допустиме значення. Подібні ситуації виключає вузол, зібраний на транзисторі VT3 і стабілітроні VD12, – він блокує включення зарядного пристрою, якщо його навантажити несправної або сильно розрядженою батареєю (з ЕРС менше 9 В). Стабілітрон, а значить, і транзистор вузла залишаються закритими, а вхід DTC (висновок 4) мікросхеми DA1 – підключеним через резистор R7 до виходу Uref вбудованого джерела зразкового напруги (висновок 14). Напруга на вході DTC при цьому – не менше 3 В, і формування імпульсів заборонено.

При підключенні до виходу пристрою справної батареї відкривається стабілітрон VD12 і слідом за ним транзистор VT3, замикаючи на загальний дріт вхід DTC контролера і тим самим дозволяючи формування імпульсів на виходах С1, С2 (відкритий колектор). Частота проходження імпульсів – близько 60 кГц. Після посилення по струму транзисторами VT1, VT2 вони через трансформатор Т1 передаються на базу комутуючих транзисторів VT4 і VT5. Частоту повторення імпульсів визначають елементи R10 і С9. Її розраховують за формулою

F=1,1/R10C9.

Діоди КД257Б можна замінити на RL205, КД2997А – на інші, у тому числі на діоди Шотки з зворотною напругою понад 50 В і випрямленою струмом понад 20 A, FR155 – на бистродей-ствуюшіе імпульсні діоди FR205, FR305, а також UF4005. ШИ контролер К1114ЕУ4 має безліч зарубіжних аналогів – TL494IN [3], DBL494, mPC494, IR2M02, КА7500. Замість КТ886А-1 підійдуть транзистори КТ858А, КТ858Б або КТ886Б-1.

Трансформатори – найвідповідальніші і трудомісткі елементи будь-якого імпульсного перетворювача. Від якості їх виготовлення залежать не тільки характеристики пристрою, але і взагалі його працездатність.

Трансформатор Т1 намотаний на кільцевому муздрамтеатрі типорозміру К20х12х6 з фериту М2000НМ. Обмотка I намотана дротом ПЕВ-2 0,4 рівномірно по всьому кільцю і містить 2×28 витків; обмотки II і IV – По 9 витків дроту ПЕВ-2 0,5. Обмотка III – два витки дроту МГТФ-0, 8. Обмотки ізольовані одна від одної та від магнітопроводу двома шарами тонкої фторопластовою стрічки.

Трансформатор Т2 намотаний на броньовому муздрамтеатрі Ш 10×10 з фериту М2000НМ (або, ще краще, М2500НМС); годиться і кільцевої маг-нітопровод аналогічного перетину. Обмотка I містить 35 витків дроту ПЕВ-2 0,8, а обмотка II – 2×4 витка джгута перерізом не менше 4 мм2 з декількох проводів ПЕВ-2 або ПЕЛ. Якщо примусово охолоджувати трансформатор, перетин джгута можна зменшити.

Слід зазначити, що від якості межобмоточной ізоляції трансформаторів залежить не тільки надійність пристрою, але і безпеку його експлуатації, оскільки саме вона ізолює вторинні кола від напруги мережі. Тому не слід виконувати її з підручних матеріалів – обгорткового паперу, канцелярського скотча і т. д.-і вже тим більше нехтувати їй, як іноді роблять малодосвідчені радіоаматори. Краще всього застосовувати тонку фторопластову стрічку або конденсаторний папір з високовольтних конденсаторів, укладаючи її у 2-3 шари.

Збирають пристрій в металевій коробці відповідних розмірів. Транзистори VT4 і VT5 встановлюють на тепловідводи з площею поверхні не менше 100 см2. Діоди VD10, VD11 також постачають загальним теплоотводом з площею поверхні не менше 200 см2. Використовувати як тепло-відводу стінки коробки пристрою, а також загальний тепловідвід для діодів і транзисторів не випливає з міркувань безпеки експлуатації зарядного пристрою. Розміри теплоотводов можна істотно зменшити, якщо примусово охолоджувати їх вентилятором.

Для налагодження перетворювача потрібні ЛАТР, осцилограф, справна акумуляторна батарея та два вимірювача – вольтметр і амперметр (до 20 А). Якщо в розпорядженні радіоаматора виявиться розв'язує трансформатор 220 В х 220 В потужністю не менше 300 Вт, слід пристрій включити через нього – працювати буде безпечніше.

Спочатку через тимчасовий токоогра-нічітельний резистор опором 1 Ом потужністю не менше 75 Вт (або автомобільну лампу потужністю 40-60 Вт) підключають до виходу пристрою батарею і переконуються в наявності плюсового напруги 5 В на виході Ц * (висновок 14) ШИ контролера. Підключають осцилограф до виходів С1 і С2 (висновки 8 і 11) контролера і спостерігають імпульси управління. Движок резистора R2 встановлюють в крайнє нижнє по схемі положення (мінімальний зарядний струм) і подають від ЛАТР на мережевий вхід пристрою напруга 36 … 48 В. Транзистори VT4 і VT5 не повинні сильно нагріватися. Осцилографом контролюють напруга між емітером і колектором цих транзисторів. При наявності викидів на фронті імпульсів слід застосувати більш швидкодіючі діоди VD14, VD15 або точніше підібрати елементи R17 і С11 демпфирующей ланцюга.

Необхідно мати на увазі, що далеко не всі осцилографи допускають вимірювання в ланцюгах, гальванічно пов'язаних з мережею. Крім цього, пам'ятайте, що частина елементів пристрою перебуває під мережевим напругою – Це небезпечно!

Якщо все гаразд, напруга на мережевому вході плавно підвищують ЛАТР до 220 В і контролюють роботу транзисторів VT4, VT5 по осцилографа. Вихідний струм при цьому не повинен перевищувати 3 А. Обертаючи движок резистора R2, переконуються в плавній зміні струму на виході пристрою.

Далі з вихідного ланцюга видаляють тимчасовий струмообмежувальні резистор (або лампу) і підключають батарею безпосередньо до виходу пристрою. Підбирають резистори R4, R6 так, щоб межі зміни зарядного струму регулятором R2 були рівні 0,5 і 25 А. Встановлюють максимальна вихідна напруга рівним 15В підбіркою резистора R5.

Ручку регулятора R2 постачають шкалою, проградуированного у значеннях зарядного струму. Можна оснастити пристрій амперметром. Коробка і всі металеві нетоковедущие частини зарядного пристрою на час його роботи повинні бути надійно заземлені. Не рекомендується залишати працююче зарядний пристрій на тривалий час без нагляду.

ЛІТЕРАТУРА

1. Косенко С. VIPER-100А і "кишенькове" зарядний пристрій на його основі. – Радіо, 2002, № 11, с. 30-32.

2. Мікросхеми для імпульсних джерел живлення та їх застосування. Довідник. – М.гДОДЕКА, 1997.

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

РАДІО № 8, 2004 р., с. 46-47.