Например TDA7294

РадиоКот > Схемы > Питание > Зарядные устройства

Эффективное мощное зарядно-десульфатирующее устройство для батарей 10-100 А/ч

Автор: Владислав
Опубликовано 31.01.2012.
Создано при помощи КотоРед.

Про зарядные устройста и устройства для десульфатации аккумуляторов написано уже столько, что даже опытные радиолюбители теряются в многообразии схемных решений. В итоге,  радиолюбитель-автолюбитель собирает/покупает первое попавшееся подходящее по мощности зарядное устройство и пользуется им, не подозревая, что аккумулятор на авто прослужит всего 2-3 года, вместо 5 (это не предел), а  затем приходит в полную негодность.

Давно известно и научно доказано (есть патенты на этот счет), что зарядка АКБ импульсным током значительно эффективнее, чем постоянным. В случае использования ассиметричного тока (тоже есть патент) эффективность процесса еще более возрастает, что позволяет использовать такое зарядное  устройство в качестве «реаниматора» старых батарей, значительно продляя их срок службы.

Причин собрать подобное устройство было две. Первая – отстуствие подобных приборов в продаже, вторая – желание освоить данную технологию.  Был проведен анализ различных схем их разных источников (старые журналы «Радио», «За рулем», Интернет) в результате которого, выяснилось, что устройств, удовлетворяющих заданным требованиям и доступных среднему протребителю не существует.

Устройство должно обеспечивать:

1.

 Зарядку любых 3-6-12 вольтовых кислотных стартерных или тяговых АКБ емкостью до 100 А/ч импульсным током, со средним значением от 1 до 10А с плавной регулировкой в заданном пределе.

2.

Формирование разрядного тока с соотношением токов заряда/разряда 1:10 с возможностью ступенчатой регулировки – подбором нагрузочного резистора.

3.

Стабилизацию зарядного тока в течение всего процесса заряда с отклонением не хуже 10% от заданного, зарядный ток не должен зависеть от уровня заряда батареи, напряжения питающей сети, температуры. Устройство должно иметь защиту от перегрузки, короткого замыкания нагрузки и переполюсовки.

4.

КПД устройства должен быть не хуже 70%, устройство должно иметь небольшую массу и невысокую стоимость.  Должна быть достигнута хорошая повторяемость схемы, упрощена отладка. Схема не должна содержать дорогостоящих компонентов.

5.

Возможность апгрейда схемы с целью повышения тока заряда путем замены только силовых элементов – трансформатора, тиристора, диодного моста, измерительного шунта без доработки маломощной управляющей электроники.

В итоге, все эти пожелания были достигнуты! Устройство собрано по схеме тиристорного широтно-импульсного регулятора мощности (ШИМ) в цепи первичной обмотки сетевого трансформатора с обратной связью по датчику тока в цепи заряда. Благодаря использованию в схеме ОУ достигнута высокая стабилизация тока заряда, не зависящая от степени заряда батареи, напряжения питания, температуры.  Для формирования импульсов разрядного тока используется «мертвое время» – момент прохода сетевого напряжения через «0» до открытия силового тиристора.Данное схемное решение – скорее не новое, а «хорошо забытое старое». Проверенное временем!
Перелопатив гору материала по эксплуатации свинцовых аккумуляторных батарей, были сделаны следующие простые выводы, которые не должны вызывать сомнения, относительно их правильности:

1.     Зарядный ток должен составлять 1/10 от емкости батареи, допускается его отклонение в обе стороны на 20% без вреда для батареи.

2.     Время заряда, при этом, должно быть примерно 10-12 ч, в зависимости от  состояния батареи. Допускается значительное увеличение времени заряда с целью доведения плотности электролита до нормы.

3.     Со временем, батарея теряет свою емкость по причине сульфатации электродов. В среднем, батарея работает 2-3 года, дальше ее емкость существенно падает (без принятия специальных мер).

4.     Зарядка постоянным током не способна устранить сульфатацию электродов. Батарея будет заряжена настолько, насколько сохранена ее химическая емкость (состояние пластин) с учетом «возраста» и условий эксплуатации.

5.     При зарядке постоянным током обильно выделяется газ и тепло, особенно  ближе к окончанию заряда, т.е. энергия зарядного устройства бесполезно тратится на эти процессы.

6.     Заряд батареи на автомобиле от штатного генератора постоянным напряжением 13.8 – 14.5 В вообще неспособен полностью зарядить батарею, она фактически, постоянно «недозаряжена», особенно зимой. В такой батарее значительно быстрее происходит разрушение электродов, образование сульфатов и пр. вредные процессы, снижающие ее срок службы. Как минимум, 1 раз в 3 месяца батарею надо ставить на «профилактику» для полной зарядки и доведения уровня и плотности электролита до нормы.

7.     Зарядка импульсным током с крутыми фронтами способствует десульфатации батареи. Посторонние химические образования на электродах под действием импульсов тока разрушаются, пластины «восстанавливаются». Если чередовать зарядные/разрядные импульсы с соотношением тока заряда/разряда 1:10 процесс десульфатации форсируется.

8.     При зарядке импульсным током выделяется значительно меньше газа и тепла, меньше выкипает воды из электролита. В целях ускорения процесса заряда, зарядный ток, при этом, может быть значительно увеличен, вплоть до ½ емкости батареи, особенно в начале заряда.

9.     Батарею можно считать полностью заряженной, когда плотность электролита составит во всех банках составит не менее 1.28 – 1.30 и не растет в течении 3х последних часов заряда. Таким образом, невозможно точно определить фактический уровень заряда лишь по напряжению на клеммах батареи.

10.    И, наконец, батареи нельзя заряжать дома! Это очень вредно для здоровья людей и животных! Эти работы следует выполнять только в гараже или на открытом воздухе.

Распостранение импульсной схемотехники в блоках питания и зарядных устройствах (в радиолюбительских условиях – доработка блоков питания АТ и АТХ) не позволяет на их базе создать эффективное зарядно-восстановительное устройство. В подобных устройствах невозможно получить на выходе пульсирующий ток частотой 50-100 Гц, по той простой причине, что сетевое напряжение там сразу выпрямляется. Преобразователь работает на частоте около 100 кГц, пульсации на которой будут совершенно бесполезны для аккумулятора (а скорее – вредны). Попытка модулировать от внешнего генератора схему управления импульсного преобразователя приводит к выходу из строя ключевых транзисторов преобразователя, поскольку в таких схемах уже существует обратная связь для обеспечения стабилизации выходного напряжения или тока. При попытке подачи модулирующего сигнала частотой 25-50 Гц, схема управления не успевает стабилизироваться, блок питания работает на импульсах то максимальной ширины, то самой узкой, что рано или поздно приводит к пробою мощных транзисторов. Также, при этом, невозможно установить выходное напряжение и ток. При снижении частоты модуляции до нескольких Герц, значительно ухудшается эффективность десульфатации. Блок питания, при таком управлении, постоянно «свистит», схема постоянно находится в переходном состоянии, что рано или поздно выводит ее из строя.

 Другой вариант создания пульсирующего зарядного тока в импульсных высокочастотных преобразователях – установка мощного ключа на выходе блока питания. Данный вариант жизнеспособен, однако следует учитывать, что при зарядном токе 10A потребуется серьезный транзистор с хорошиим радиатором. Еще следует учитывать, что перед транзистором должен стоять конденсатор очень большой емкости, который будет «сглаживать» пульсации от такой коммутации нарузки. Без конденсатора получится то, о чем написано абзацем выше.

 На основании этого, можно сделать простой вывод – серийные импульсные блоки питания АТ и АТХ для создания мощных зарядных токов не пригодны, как минимум, без серьезной доработки их схемотехники.

 Еще один, не менее распостраненный у радиолюбителей вариант зарядных устройств – различные схемы параметрических стабилизаторов тока с мощным транзистором на выходе. В таких схемах легко получить импульсный зарядный ток, однако такие стабилизаторы имеют крайне низкий КПД по причине значительного выделения тепла выходным мощным транзистором, на котором рассеивается «лишняя» мощность. По такой схеме реально собрать аппарат с током заряда 3А, при токе заряда уже 5А потребуется огромный радиатор (на весь корпус устройства), а получить 10А почти нереально. Следует отметить, что зарядное устройство должно работать много часов непрерывно, что означает, что потребуется как минимум, 2х-кратный запас по мощности для всех его силовых элементов для исключения их перегрева и выхода из строя.

 Наконец, рассмотрим «правильные» схемные решения для зарядных устройств, которые применяются в промышленности по причине эффективности и высокого КПД. В таких устройствах для управления зарядным током используется мощный тиристор, включенный в разрыв зарядной цепи батареи. Управляя временем подачи импульса, тиристор открывается в определенный момент, что обеспечивает на выходе мощный импульс тока, равный по длительности от момента открытия тиристора до прохода сетевого напряжения (синусоиды) через «0». Нетрудно догадаться, что на выходе такого устройства будут присутствовать мощные импульсы зарядного того, а сила зарядного тока будет определяться только их длительностью. Включив параллельно аккумулятору нагрузку (например, небольшую лампу на 12V) получится зарядное устройство с ассиметричным током. Поскольку тиристор стоит после понижающего трансформатора, непосредственно перед нагрузкой – легко построить стабилизатор, позволяющий поддерживать зарадный ток на одном уровне в процессе заряда.

Однако, такая схема имеет один серьезный недостаток: падение напряжения на тиристоре достигает 2V, для снижения потерь (выделения тепла) при токах заряда более 10A потребуется параллельно соединять несколько тиристоров, потребуется городить мощную и сложную схему для их управления (в таких схемах тиристоры обычно управляются импульсами постоянного тока), а так-же, опять-же, использовать большой радиатор для охлаждения тиристоров…

Наконец, было найдено вот такое решение. Привожу схему в «первозданном» виде, в каком она была обнаружена в сети.

Основная схема двумя экранами ниже, эта - лишь прототип.

Схема взята из древнего журнала «Радио» за 1988г и вполне работоспособна. Здесь семистор КУ208Г стоит в цепи первичной обмотки трансформатора и предельно упрощена низковольтная цепь. Семистор делает ровно то-же самое, что и тиристор, о чем писалось выше – за счет установки момента включения формируется импульс тока цепи первичной обмотки. Регулировка силы тока в первичной обмотке трансформатора позволяет регулировать ток в цепи нагрузки.  В этом случае, низковольтная цепь, предельно упрощена, что снижает в ней потери и значительно повышает КПД всего устройства!
 К сожалению, в данной схеме невозможно обеспечить стабилизацию зарядяного тока т.к. сигнал с датчика тока – аналоговый и сам датчик тока (шунт) должен размещаться в зарядной цепи, т.е. в цепи вторичной обмотки силового трансформатора. Передать сигнал с такого датчика в цепь регулирования тока, т.е. в цепь первичной обмотки трансформатора простыми средствами не представляется возможным.  По этой причине, невозможно также, стабилизировать и выходное напряжение зарядного устройства, что необходимо для заряда слабовольных батарей.
 Далее приводится общий вид и полная схема зарядного устройства, лишенная этих недостатков. В схеме используются «нестандартные» инженерные решения, что делает ее более интересной и привлекательной для повторения. Характерно, но в процессе отладки устройства не возникло никаких проблем – фактически, потребовалось только «вогнать» зарядный ток в нужные значения и настроить узел защаты от перегрузок и короткого замыкания выхода. Как отмечалось выше, схема не содержит дорогостоящих деталей – большинство компонентов можно добыть из неисправных блоков питания АТ и АТХ.  Схема может быть несколько упрощена:  может быть удалена автоматика защита от перегрузок,  удалены измерительные приборы в зарядной цепи. При этом качество работы схемы устройства не ухудшится.  Также, если планируется заряжать только аккумуляторы на 12V, канал контроля выходного напряжения может не использоваться.  Для увеличения мощности устройства потребуется установить только более мощный силовой трансформатор, выпрямительный мост и подобрать измерительный шунт. Все детали в первичной цепи легко могут выдержать мощность до 1 кВт, что вполне достаточно для любого зарядного устройства…
Общий вид зарядного устройства:

Принципиальная электрическая схема:

Описание работы схемы
В момент включения питания (нажатие кнопки S1) сетевое напряжение подается на трансформатор ТР2, выпрямляется диодным мостом и подается на все узлы маломощной электроники.  Микросхема К561ЛЕ5 содержит четыре логических элемента «Исключающее или (XOR)», из которых используется только один. Согласно таблице истинности для данной логики, на выходе элемента в этот момент присутствует лог. 1. Высокий логический уровень выхода элемента, через ограничительный резистор, подается на базу составного транзистора КТ315 – КТ815, что приводит к открыванию обоих транзисторов и срабатыванию реле К1. Данное реле, своими контактами шунтирует кнопку S1.1 и замыкает зарядную цепь.  При отпускании кнопки S1 (через 0.5 – 1 сек после нажатия) устройство остается включенным в сеть т.к. контакты реле K1 остаются замкнутыми. Лампа Л1 показывает подключение устройства к сети.  В этом состоянии, если хотя-бы на одном из входов элемента микросхемы К561ЛЕ5 появится лог. 1 , на выходе микросхемы немедленно появится 0, транзисторы ключа управления реле закроются, контакты реле размокнутся и устройство отключится от сети.  Это свойство данного типа логики используется для токовой защиты устройства и принудительного отключения. Действительно, если повторно нажать и удерживать кнопку S1, конденсатор на выводе 2 микросхемы К561ЛА7 начнет постепенно заряжаться и рано или поздно (в течение примерно 2 сек) на входе 2 установится лог.1 и устройство отключится.  Ровно тоже произойдет при появлении лог. 1 на входе 1 вышеназванной микросхемы, т.е. при превышении порога срабатывания токовой защиты.  Такая простейшая автоматика защитит схему от различных внештатных ситуаций – короткое замыкание выхода, отключение сети. В случае применения датчика температуры, таймера и т.д.  возможно отключение устройства по сигналам с этих датчиков.
Основным узлом схемы является ШИМ контроллер TL494. Данная «почтенная» микросхема имеет весьма развитые цепи управления и контроля, что позволяет ее использовать нестандартным образом – в качестве фазового регулятора, с сохранением всех функциональных возможностей! Задающий генератор микросхемы, в этом случае, вместо 80 – 100 кГц как в импульсных блоках питания АТ, работает на удвоенной частоте питающей сети. При этом по выводу CT генератор получает сигнал синхронизации (лог. 0) по проходу синусоиды сетевого напряжения через 0. Рассмотрим подробнее, как работает синхронизатор. Известно, что частота пульсаций двухполупериодного выпрямителя составляет 2f, где f частота сети. Таким образом, после выпрямления мостом, сигнал принимает следующий вид:

Нас интересуют только спады напряжения – нижние участки сигнала. Именно они соответствуют проходу сетевого напряжения через «0».  Для исключения влияния сглаживающего конденсатора емкостью 2000 мкф, он «отвязан» от выпрямительного моста диодом. Пульсации сетевого напряжения, через ограничительный резистор 1 кОм подаются на светодиод оптрона 4N35. На выходе оптрона, в этом случае появляются импульсы, близкие к прямоугольным по форме, и совпадающие по времени с входным сигналом. Транзистор КТ 315 в цепи выхода оптрона включен так, что при спаде импульсов с оптрона (т.е. при проходе синусоды через 0) открывается и шунтирует вывод CT микросхемы. При этом сигнал на коллекторе этого транзистора имеет следующий вид:

Нижние горизонтальные участки сигнала – проход синусоиды питающего напряжения через 0. Наклонные – рабочая область ШИМ сигнала т.е. сигнал на выходе TL494 может быть шириной, не больше, чем ширина этого наклонного импульса т.е. не больше ширины половины периода сетевого напряжения. Характерно, но время начала импульса при его регулировании будет с самого верха, что позволит таким импульсам «рубить» синусоиду тиристором и осуществлять, в итоге, фазовое регулирование мощности.
 Еще один интересный момент – способ включения усилителей ошибки для обеспечения их совместной работы в линейном режиме. Сами по себе, усилители ошибки TL494 (при стандартном включении) работают как компараторы, а не дифференциальные усилители. Для импульсного блока питания, работающего на частоте несколько сотен кГц это нормально, а в нашем случае – совершенно недопустимо. В импульсных блоках питания стабилизация обратной связи в схеме достигается за счет конденсаторов на выходе БП, при этом, только один ОУ TL494 может работать в линейном режиме (канал напряжения или тока), а второй – только как компаратор (токовоя защита или превышение напряжения сверх нормы). В нашем случае оба канала ОУ работают линейно т.к. на оба их инвертирующих (опорных) входа подается опорное пилообразное напряжение, как на входе синхронизации генератора!  При этом, линейное изменение напряжения на неинвертирующих (измерительных) входах усилителей будет приводить в линейному, опять-же, изменению длительности выходного импульса ШИМ контроллера! При этом, стабильность будет определяться только стабильностью источника опорного напряжения (ИОН), встроенного в TL494. Таким образом, чем больше значение постоянного напряжения на неинвертирующих входах ОУ, тем уже импульс на выходе, что позволяет охватить всю схему отрицательной обратной связью для стабилизации напряжения и тока. Такое включение микросхемы TL494 позволяет организовать два симметричных канала управления выходным напряжением и током при минимуме навесных элементов. Внутренняя логика TL494 построена так, что она не различает приорита между каналами управления: в каком канале будет выше – тот и перехватывает управление ШИМ контроллером на себя, что соответствует условиям  поставленной задачи.
 Другие выводы TL494 включены стандартно, корпус на выводе 13 переключает микросхему из парафазного в синфазный режим, т.е. оба выходных ключа работают совместно. При этом, открытые  ключи означают наличие сигнала на выходе ШИМ контроллера, а закрытые – отсутствие. Следующая сигналограмма демонстрирует выходной сигнал. Ширина импульса определяется длительностью спадающего импульса, т.е. сигнал на выходе контроллера – инверсный.

Следующий узел – микросхема NE555 с помощью которой осуществляется управление тиристором.  Несколько слов об этой, не менее, (а скорее – более) «почтенной» микросхеме.  Разработанная аж в 1970 году микросхема до сих пор весьма привлекательна для многих приложений. В этой схеме она выполняет следующие функции:
1.     Генерацию прямоугольных импульсов частотой около 10 кГц с циклом соотношения времени 20-80 %.
2.     Манипуляцию генератором по внешнему сигналу управления.
3.     Усиление сигнала по мощности до 0.5 вт.
Обвязка микросхемы заставляет последнюю генерировать нужные импульсы, а подача лог. 1 на выводы 2 и 6 переводит выход в лог. 0 и прекращает генерацию выходных сигналов.  Сигналграмма 3 показывает то, что подается на управление этой микросхемой. При этом, на выходе микросхемы присутствует следующий сигнал (в увеличенном масштабе по оси X):

Видно, как мелко «нарезан» верхний уровень сигнала импульсами частотой 10 кГц.  Зечем такое? Дело вот в чем. Тиристор, находящийся в цепи первичной обмотки силового трансформатора находится под высоким напряжением и гальваническая связь с ним невозможна. Мы ведь не хотим получить электротравму при работе с устройством? Остается 2 способа связи: индуктивный и емкостной. Последний прост, но для управления тиристором не подходит по причине крайней ненадежности. Через емкость мы сможем передать всего один импульс за цикл, а дальше емкость зарядится, и перестанет пропускать постоянный ток. А если тиристор не откроется? Такое бывает. Другой недостаток – высокая чувствительность к импульсным помехам. К тому-же, разделительный конденсатор надо как-то разряжать  во время отсутствия сигнала, опять проблема. В общем, способ не наш!  Другое дело – индуктивный способ связи с помощью разделительного трансформатора. Когда-то во времена дефицитов, кольца и др. ферриты было не достать, теперь раскурочив старый блок питания можно извлечь оттуда груду разных колец. Идеально подходит сетевой фильтр от блока питания АТ, там 2 обмотки по 25 витков. Вот и готовый трансформатор!
 Микросхема Ne555, накачивает первичную обмотку мощными импульсами, частотой 10 кГц,  которые практически без потерь передаются в тиристор и открывают его. Гальваническая развязка от маломощной электроники, защищенность от импульсных помех, надежность работы, низкое потребление тока.  И всего-то пяток деталей… Это наш путь ;)
 Следующий узел (микросхема) LM358, содержащая в корпусе 2 ОУ. Из даташита следует, что данная микросхема предназначена для звукотехники и узлов автоматики. Пусть будет так, но сдесь она используется как усилитель постоянного тока в качестве усилителя напряжения шунта и компаратора схемы защиты от короткого замыкания и переполюсовки нагрузки. Микросхема хороша тем, что правильно работает при однополярном питании и имеет высокую стабильность.
 Первый ОУ LM 358 включен как УПТ и усиливает падения напряжение на шунте (около 50 мВ) до операционного уровня в несколько вольт. Подстрочный резистор 50к регулирует усиление схемы на максимальном токе для исключения ограничений со стороны ОУ.  Диод и конденсатор на выходе является простейшим ФНЧ для перевода импульсного напряжения, снятого с шунта в постоянный ток для подачи последнего через делитель на измерительный вход TL494 и компаратор защиты от перегрузок.
 Второй ОУ является обычным компаратором. При превышении на входе 5 напряжения выше, чем на входе 6, на выходе появляется напряжение, близкое к напряжению питания, а во всех остальных случаях – ноль. Это напряжение, через диод, очень быстро заряжает конденсатор, но разряжаться конденсатор будет долго – 1-2 сек, что вполне достаточно, чтобы заблокировать схему и отключить питание всего устройства.
 Сигнал блокировки схемы подается на теже выводы мекросхемы Ne555, что и сигнал от ШИМ контроллера, через диод. Высокий лог. уровень  на выводах 2 и 6 заставляет микросхему прекратить генерацию импульсов, тиристор закрывается и на выходе устройства пропадает напряжение.
 Канал регулировки напряжения (вывод 1 TL 494) необходим в случае заряда слабовольтных батарей (3 – 6 V) или заряда 1 банки батареи (если есть такая возможность). Действительно, не имеет смысла подавать напряжение, большее в несколько раз напряжения заряжаемой батареи. Однако следует заметить, что без использования этого канала, канал ограничения тока вполне справится со своей задачей и не позволит «вкачать» в батарею больше тока, чем нужно. Фактически, канал управления напряжением сделал больше «для красоты», лишь как полезная опция, без него можно легко обойтись, посадив вывод 1 TL 494 на корпус.
 Несколько слов о зарядной цепи (на схеме она выделена жирным маркером). Тут все предельно просто. К вторичной обмотке силового трансформатора подключен мощный диодный мост. Параллельно ему – проволочный резистор на 24 Ом для создания импульсов асимитричного тока. Когда тиристор закрыт, ток идет от батареи через этот резистор, создавая небольшой разрядный ток. Конденсатор на 1000 Мкф необходим для правильной работы вольтметра в цепи заряда при отсутствии полезной нагрузки – заряжаемого аккумулятора. Без конденсатора на узких импульсах вольтмотр будет показывать неправильно. Цепочка резисторов на 27 Ком, 15 Ком и 1 Ком, а также конденсатор является интегрирующей для подачи сигнала напряжения на измерительный вывод TL 494. Как отмечалось выше, ее может не быть.
 Высоковольтная часть устройства не содержит ничего необычного, это классический тиристорный фазовый регулятор мощности, используемый в диммерах и пр. подобных устройствах.  Однако, в нашем случае, нагрузка регулятора носит реактивный характер (особенно на холостом ходу и слабом токе заряда).  Следует помнить об ЭДС самоиндукции обмотки трансформатора, которая может паразитно влиять на каскад регулирования.  Для снижения влияния этой ЭДС первичную обмотку трансформатора следует зашунтировать небольшим конденсатором 0.022 мкф, который будет гасить выбросы напряжения в момент открытия тиристора, особенно в начале кривой регулирования.  Конденсатор на 0.5 мкф устраняет помехи радиоприему, которые могут возникать при работе подобных фазовых регуляторов.  Импульсный трансформатор должен иметь достойную изоляцию между обмотками для снижения риска поражения током!
Несколько слов об измерении импульсных токов и стабильности устройства. Дело в том, что данное устройство выдает на выходе пульсирующий ток, причем, в зависимости от величины зарядного тока меняется не только ширина, но и амплитуда этих импульсов.  С приемлимой точностью такие токи можно измерить обычными магнитоэлектрическими приборами (рамка с током в магнитном поле), однако при применении электронных измерительных приборов (на основе микроконтроллеров из наборов «Мастер-Кит» и т.п.) возможна очень значительная погрешность измерения без приянятия специальных мер.  Аналогично, цепи стабилизации тока и напряжения используют простейшие ФНЧ (резистор, конденсатор) и вносят значительные погрешности измерения импульсного сигнала.   Детали в схеме подбраны так, чтобы обеспечить соответсвие фактического (стабилизированного) зарядного тока показаниям стрелочного амперметра в интервале 1 – 10А. Однако, при попытке питания от данной схемы других активных нагрузок (не аккумуляторов) возникнет несоответствие между стабилизируемым и измеряемым током (и напряжением тоже), причем, чем выше сопротивление нагрузки, тем выше погрешность измерений и стабилизации.  Выход из положения заключается в применении специализированных микросхем RMS – DC конвертеров, которые «расчитывают» точное значение ЭДС импульсного сигнала и выдают постоянное напряжение, эквивалентное измеряемому сигналу. При применении таких микросхем в каналах измерения тока и напряжения, зарядное устройство может быть использовано как лабораторный блок питания. Однако такие доработки  несколько усложнят схему. В данном случае, это не нужно т.к. со своей основной задачей – зарядкой аккумуляторов – устройство справляется и без этого.В дополнение приводится несколько сигналограмм, показывающих работу устройства.

Сигнал на выходе зарядного устройства - ток 5А:

Сигнал на выходе зарядного устройства - ток 10А:

Конструкция и детали
Возможная компоновка узлов прибора:

Большая часть деталей может быть добыта из неисправных блоков питания АТ и АТХ. Отклонения номиналов резисторов на 20% не повлияет на работу схемы. Электролитические конденсаторы в цепях измерения могут отличаться по емкости в 2 раза в большую сторону, равно как конденсаторы фильтров.
 Микросхемы NE555, TL494 можно заменить «советскими» аналогами, микросхему K561ЛЕ5 можно заменить, на аналогичную из 176 или 155 серии,  запитав последнюю +5V от выхода ИОН TL494. Также, можно найти и применить ее импортный аналог. Микросхему сдвоенного ОУ LM 358 можно заменить практически на любой ОУ, способный работать от однополярного питания. Также, можно применить «советские» ОУ, из серии К140, но тогда придется где-то брать напряжение –9V, что не совсем удобно.
 Транзисторы КТ315 любые маломощные кремниевые n-p-n, KT815 тоже любой кремниевый n-p-n транзистор средней мощности. При использовании оригинального реле РЭН-34 можно применить вместо КT815 - КТ315, однако последний будет греться.  В случае примения другого реле следует учитывать ток, потребляемый обмоткой реле.
 Диодные мосты выбираются исходя из тока и напряжения. Диодный мост в цепи тиристора KBU6M (1000V, 6A) выдран из сгоревшего блока питания АТХ. Диодный мост питания маломощной электроники КЦ405  (200В 4А) можно заменить отдельными диодами, диод (100В 1А) после моста перед конденсатором на 2000 мКф можно применить любой подходящий.  Диодный мост в зарядной цепи должен иметь двухкратный запас по току и пятикратный запас по напряжению. Можно применить «советские» диоды Д242Б, Д231А и т.п. в металлическом корпусе, но следует помнить, что без радиаторов эти диоды не выдержат ток более 8А. Все диоды, которые не обозначены на схеме, используются КД 522, 1N4148 и т.п. подойдут любые кремниевые диоды малой мощности.
 Тиристор КУ202Н можно заменить на Т122-25-5, можно применить и импортный BT138, BT151 накакой разницы нет, главное чтобы рабочее напряжение прибора было не менее 400В и ток не менее 5А. Внимание! Применение симистора (сдвоенного тиристора) в данной схеме не допускается!
 Электролитические конденсаторы любого типа, обычные – тоже, главное чтобы соответствовало рабочее напряжение и емкость, указанным на схеме.
 Реле РЭН 34 было выдрано из «советского» усилителя низкой частоты – там оно использовалось для защиты аккустики от перегрузок. Можно применить любое реле, главное чтобы его обмотка работала от 12V, а контакты выдерживали ток до 15А. Можно применить и два отдельных реле – никакой разницы нет. Напимер, подойдут стартерные реле от автомобилей ВАЗ. Обмотки реле в этом случае следует зашунтировать диодом для подавления токов самоиндукции при отпускании реле.
 Трансформатор ТР1 ТВК110 выдран из «советского» черно-белого телевизора (да-да, такие раритеты еще встречаются на просторах нашей страны), однако в последствии заменен на более компактный из китайского адаптера от древнего модема Zyxel. Требования к трансформатору: напряжение холостого хода 15…18V ток нагрузки 0.3А. Выбор очень широкий.
 Трансформатор ТР2 ОСМ-1-0.16 220-24 идеально подходит для данной схемы. Хорошее мощное железо, качественная обмотка, словом – то, что нужно. К сожалению, имеющийся у меня экземпляр на выходе давал 42V вместо 24V, что явно, много. Пришлось размотать вторичную обмотку, провод сложить вдвое и намотать обмотку меньшим числом витков. Получилось, вторичная обмотка содержит 44 витка двумя (не скрученными!) параллельными проводами диаметром 1 мм. Как показала практика, этого оказалось мало. Надо было мотать тремя проводами. При токе 10А трансформатор греется, однако, уже при 6А он чуть теплый. Резюме: транформатор должен быть не менее 180-200 Вт мощности, вторичная обмотка должна быть намотана проводом диаметром не менее 2 мм (лучше – 2.5 … 3 мм) и выдавать напряжение холостого хода 24 – 26V. Такое трансформатор при токе 10А вообще не будет греться. Учитая, что зарядное устройство может работать неперывно несколько часов, трансформатор должен гарантированно обеспечивать требуемую мощность и не перегреваться.
 Трансформатор ТИ можно использовать готовый – подходит дроссель из сетевого фильтра блока питания АТ. Если такого дросселя не окажется – на подходящем ферритовом кольце с внешним  диаметром 18-25мм, монтажным проводом МГТФ или подобным наматывается две обмотки с числом витков 25. Скручивать провода обмоток «косичкой» не нужно. Концы обмоток фиксируются клеем. Трансформатор желательно обернуть лакотканью и проклеить клеем БФ или лаком. Перед установкой в схему трансформатор следует сфазировать – ипмульс положительной полярности, приходящий на первичную обмотку должен наводить во вторичной обмотки тоже импульс положительной полярности, который следует подавать на управляющий электрод тиристора.
 Переменные резисторы 10 – 15 кОм любой конструкции и мощности, главное, чтобы они были группы «А». Допускается группа «В», но никак не «Б»!  Дело в том, что характеристика фазового регулятора нелинейна, поэтому резистор группы «Б» сильно осложнит точную установку тока, близкого к максимальному значению.  В устройстве примены керамические проволочные переменные резисторы СП-Б на 15 Ком, но это не означает, что надо ставить именно такие
 Измерительные приборы – вольтметр и амперметр в зарядной цепи – щитовые магнитоэлектрические приборы постоянного тока, например из серии М42. Амперметр обязательно должен иметь шунт на 10А.
 Кнопка включения-выключения любой конструкции с двумя контакными группами, причем одна из групп нормально замкнутая. Лампа включения может быть совмещена с кнопкой – так наглядно и удобно.
 Клеммы зарядной цепи, держатели предохранителей и сами предохранители любой конструкции. Внимание! Установка плавких предохранителей в схему обязательна! Эксплуатация прибора без предохранителей может привести к пожару!
 Корпус любой конструкции. Обязательно наличие отверстий для охлаждения трансформатора. Также, жалательно утстановить кулер, выдрать который можно их того-же блока питания АТ или АТХ.  Диодный мост зарядной цепи жалательно установить на радиатор. Можно использовать радиатор от блока питания АТ или АТХ.
 Важное замечание. Измерительный шунт желательно применить заводской конструкции, применение самодельного шунта крайне нежелательно т.к.  его параметры будут нестабильны! Вместо шунта на 20А можно применить шунт на 50A, запаса усиления на ОУ вполне достаточно. Недопустимо применять шунт на 15А и ниже т.к. при максимальном зарядном токе он будет греться.
 Что касается монтажа, зарядная цепь должны быть выполнена толстым многожильным медным проводом диаметром не менее 2.5 мм для снижения потерь. При длине кабеля 2.5 м общая длина цепи составляет 5м. При применении провода диаметром 2 мм падение напряжения при токе 10А в этой цепи составило около 2V, что явно много! Поэтому, диаметр проводов был увеличен до 4 мм, падение напряжения при токе 10А составило всего 0.75V, что вполне допустимо.
 Монтаж высоковольтной части устройства должен быть выполнен согласно всем требованиям правил электробезопасности силовых элекроустановок, все соединения должны быть тщательно заизолированы, а высоковольтные провода не должны проходить в жгуте совместно с низковольтными. Высоковольтные провода должны быть одного цвета, например – красного.
 Трансформатор и блоки устройства должны быть крепко и надежно закреплены внутри корпуса устройства для исключения их касания друг друга, передавливания монтажных проводов и т.д.
 Монтаж блока низковольтной электроники должен быть выполнен аккуратно. Можно развести и изготовить печатную плату, однако вполне достаточно применить стандартную макетную плату размером 50x80 мм – в схеме не много деталей, такой платы будет более чем достаточно.

Налаживание устройства
 Собранное устройство, при отсутствии ошибок в монтаже и исправности деталей начинает работать сразу. Требуется «вогнать» зарядный ток в нужные значения, настроить узел токовой защиты, возможно, настроить делитель в канале установки выходного напряжения.
 Перед первым включением устройства необходимо еще раз проверить правильность монтажа, отсутствие коротких замыканий, проверить правильность подключения трансформаторов, тиристора, измерительных приборов. Движки всех переменных и подстроечных резисторов следует установить в среднее по схеме положение. Подключать нагрузку (аккумулятор) пока не нужно.
 При нажатии кнопки включения питания должно щелкнуть реле и включиться сигнальная лампа. Необходимо сразу проверить напряжения в контрольных точках схемы, посмотреть осциллографом сигналы в точках «А» – «Г», они должны быть похожи на приведенные сигналограммы. Если на выходе появится напряжение - следует посмотреть сигнал также и на выходе.
 Если схема запустилась и все нормально работает (детали не греются), можно приступать к начальной установке зарядного тока. Временно отпаивает верхний вывод переменного резистора регулировки тока заряда от схемы, и припаиваем его к шине питания +9V. Вращая движок переменного резистора убеждаемся, что ширина управляющих импульсов на выходе ШИМ контроллера плавно меняется от минимальной до максимальной. Сигнал на выходе прибора также, будет изменяться. Можно подключить к выходу прибора нагрузку– лампу на 12V 21W чтобы убедиться, что яркость свечения лампы при регулировке ширины импульса меняется.
 Следующий этап - калибровка максимального тока прибора. Устанавливаем переменный резистор регулировки тока в такое положение, при котором удается получить самый узкий импульс (минимальную мощность). Выводы устройства закорачиваем накоротко. Измеряем ток - он должен быть около 1А. Затем, подключаем к выходу LM358.1 осциллограф и постепенно увеличивает ток до 10А. Смотрим на сигналограмму. На максимальном токе не должно быть ограничений со стороны ОУ - импульсы должны быть примерно такие, как они изображены на сигналограммах 6 и 7. Амплитуда этих импульсов должны быть около 5V. Установкой подстроечного резистора на 50 кОм устанавливаем нужную амплитиду импульсов или добиваемся отвсутствия ограничений. Ток на выходе 10А будет максимальный, который должен выдавать прибор.
 Возвращаем вывод переменного резистора на место, Устанавливаем движок резистора регулировки тока заряда в верхнее по схеме положение, выходные клеммы оставляем закороченным, включаем питание. Ток должен резко возрасти до 10А а затем  - сразу упасть до 0.7 - 1А. Если этого не происходит, ток остается большим необходимо проверить правильность монтаже схемы, особенно LM358, проверить шунт, еще раз проверить работу ШИМ контроллера. Добившись стабилизации тока, устройство уже можно использовать для зарядки аккумулятоов. При наличии ЛАТР, желательно проверить качество работы стабилизатора. Включаем прибор через ЛАТР,  устанавливаем ток 1 - 4 А и меняем напряжение от 180 до 270V, выходной ток при этом будет меняться на 5 - 10%.
 Проверка и отладка канала напряжения аналогична, каналу тока. Канал установки напряжения проще - там нет ОУ, сигнал с выхода устройства через RC цепочку и делитель сразу подается на TL494. Такая простейшая схема не требует какой-либо отладки.
 Отладка схемы защиты сводится к установке переменного резистора на заданном максимальном токе нагрузки (в данном случае - около 10А) при котором зарядное устройство отключается. Можно установить как меньший, так и больший ток - это зависит от мощности силового трансформатора, диодного моста, максимального тока амперметра в зарядной цепи. Для большинства аккумуляторов достаточно 8А. Внимание! Установка тока защиты должна производиться при закороченных клеммах  зарядного устройства или при подключенном аккумуляторе, соответствующей емкости. Не допускается использовать активную нагрузку (мощные лампы, проволочные резисторы и тп). При токе защиты 10А аккумулятор должен иметь емкость не менее 80 - 100А/ч. При отсутствии подходящего аккумулятора клеммы устройства можно временно закоротить и установить максимальный зарядный ток, а затем - ток защиты. Данная схема защиты, автоматически, обеспечивает и защиту от переполюсовки нагрузки - никаких отладок для этой защиты не требуется. 

Нас интересуют только спады напряжения – нижние участки сигнала. Именно они соответствуют проходу сетевого напряжения через «0».  Для исключения влияния сглаживающего конденсатора емкостью 2000 мкф, он «отвязан» от выпрямительного моста диодом. Пульсации сетевого напряжения, через ограничительный резистор 1 кОм подаются на светодиод оптрона 4N35. На выходе оптрона, в этом случае появляются импульсы, близкие к прямоугольным по форме, и совпадающие по времени с входным сигналом. Транзистор КТ 315 в цепи выхода оптрона включен так, что при спаде импульсов с оптрона (т.е. при проходе синусоды через 0) открывается и шунтирует вывод CT микросхемы. При этом сигнал на коллекторе этого транзистора имеет следующий вид:


Все вопросы в Форум.


ID: 1170

Как вам эта статья?

 Нравится
 Так себе
 Не нравится

Заработало ли это устройство у вас?

 Заработало сразу
 Заработало после плясок с бубном
 Не заработало совсем

118 3 20
7 1 5
Подробно