Автоматическое зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.
Рекомендации по сборке и наладке

Еще год назад хотел сделать этот девайс, вытравил печатку, но в процессе пайки остановили ошибки платы (это был первый вариант из статьи). Развел свою, потом запарка на работе, спаял только сейчас. По результатам сборки и наладки сделаны теоретические выкладки и предложены доработки. Чтение форума подтвердило мои догадки, поэтому и предлагаю сей трактат. (Под словом "автор" везде подразумевается разработчик схемы - Павел Нестеров.)

Итак, тезисно (подробно с теоретическими выкладками ниже):

1. У автора неправильно выбраны режимы работы стабилитронов. Сложилось впечатление, что автор подбирал стабилитроны эмпирически, т.к. у меня в процессе наладки на стабилитронах КС139 падало только от 2.7 до 3.1 Вольт, что мало и напряжение на аккумуляторе поднималось до 16В (та же проблема у многих на форуме).
2. По результатам заменены стабилитроны, задающие резисторы и делитель R34-R39 (практика подтвердила теорию).
3. Предлагается безопасная и простая методика наладки девайса.
4. Немного о переделке блоков питания АТ (для начинающих).

Обо всем этом подробно с теорией, схемами и доработками.

А в целом схема очень понравилась - просто, со вкусом, все понятно и прозрачно. Автору "твердая 5 с минусом" (за стабилитроны)!

P.S. Наверное, тему обсуждения "зарядки на микропроцессоре" следует перенести в другую ветку, а здесь оставить только исходный девайс.

Теперь об этом подробно с теорией

Вступление. Для упрощения расчеты приводятся некоторым приближением (пренебрегаем малыми величинами, которые отличаются на порядок), но это все укладывается в 10% допуски резисторов. Тем более, что мерил китайским тестером, да и девайс мы делаем не прецизионный (хотя даже в прецизионных девайсах погрешность - единица последнего разряда). Поэтому погрешность в пределах 0.1В игнорируем однозначно.

1. Я ставил импортные стабилитроны серии BZX55, но в процессе наладки часть менял на советские - результат тот же. Пришлось читать даташиты - все стало ясно.
Теория. Для импортных стабилитронов серии BZX55, как видно из ВАХ даташита (рис.1), номинальный ток стабилизации 5-10 мА. При большем токе растет напряжение, например для стабилитрона BZX55 3V3 при токе 25мА (VD1 как у автора) напряжение вырастает до 3.8В. Для советских стабилитронов в справочнике Терещука и Седова нарисована идеальная ВАХ, по которой сказать что-то тяжело.

Рис.1. Вольтамперная характеристика (ВАХ) стабилитронов BZX55.

В результате заменен резистор R1 на 1.1 К - ток через стабилитрон VD1 установлен 4-5 мА ( (15.7-3.9)/1100=0.01А, при номинале 470 Ом ток составлял 23мА - для импортных стабилитронов много). Конечно, ток через R1 равен сумме токов через стабилитрон и резисторы R2, R4, R5, R6, но суммарно через эти резисторы течет не более 1 мА.

По тем же причинам заменен резистор R27 на 680 Ом - ток через стабилитрон VD12 установлен 7 мА ( (15.7-9)/680 = 0,01А, минус ток потребления DA1 - 2 мА и ток через R14 - 1.7мА). При авторском номинале 200 Ом ток составлял (15,7-9)/200=0.033А - предельный ток стабилизации, стабилитрон сильно грелся.

2. Попутно стабилитрон VD1 заменен на КС139 (BZX55 3V9) - это позволило поднять максимальный ток заряда до 5.7А (для аккумуляторов 60-65 А/ч). В принципе, если поставить стабилитрон с еще большим напряжением (например, КС147, то максимальный ток поднимется до 6.9А, а для получения меньших токов придется пересчитать резисторы R34-R39 (о них читай ниже).

3. О цепочка стабилизации VD6-VD11 и резисторах R21 и R15.
Сложилось впечатление, что автор подбирал стабилитроны эмпирически (чтение форума подтвердило это), т.к. у меня в процессе наладки на стабилитронах КС139 падало только от 2.7 до 3.1 Вольт, что мало (цепочка не выходила на режим стабилизации) и напряжение на аккумуляторе поднималось до 16В.

Подведем теорию. Опорное напряжение Vref микросхемы TL494/KA7500 составляет 5В, на 2 ногу оно подается через делитель R39R43 (по рис. 2). Обычно эти резисторы ставят одинаковые, следовательно на 2 ноге TL494 напряжение составляет 2.5 вольта (Vref/2).

Рис.2. Фрагмент блока питания АТ (управление ШИМ TL494).

Поэтому на 1 ногу с выхода Упр (точка соединения VD4, VD11 и R21) нужно так же подать напряжение 2.5В для стабилизации напряжения зарядки (2 этап).

Теперь считаем: напряжение на аккумуляторе 15В плюс падение на тиристоре VS1 - около 0.7В, на Упр должно быть 2.5В. Следовательно цепочка VD6-VD11 должна давать 15+0.7-2.5=13.2В. Без учета диодов VD6-VD7, на которых падает около 1.2В, цепочка VD8-VD11 должна давать 12В.

У автора получается VD8-VD11 = 3.9+6.2+3.9+0.6=14.6 В. Я считаю, что именно поэтому в исходной схеме стабилитроны VD8 и VD10 не выходят на режим и завышается напряжение на аккумуляторе.

По поводу резистора R21. На форуме его подбирали и увеличивали до 7-8 КОм. Но при этом следует учесть, что согласно статьи, параллельно ему включен резистор 4.7 КОм из блока питания (R41 по фрагменту Рис.2). Мне кажется, что эти подборы резисторов также связаны с неправильно подобранными стабилитронами.

В результате цепочка VD9-VD11 заменена одним стабилитроном КС182 (VD8 + КС182 = 3.9+8.2=12.1). Также резистор R21 поставлен 910 Ом, чтобы задать ток через цепочку 3мА. Как было сказано, напряжение в точке Упр составляет 2.5В, следовательно R21=2.5 / 0.003 = 833 Ом. При этом на всех элементах падение напряжение соответствует теории (на диодах 0.6В, на стабилитронах - 3.8В и 8.1В).

При замене R21 необходимо пересчитывать также и резистор R15, иначе не стабилизируються малые токи зарядки (хотя, если R21 ставить 910 Ом, то при R15=2К все будет работать).

Теория. Как было сказано, напряжение в точке Упр составляет 2.5В, ток через цепочку стабилитронов задан 3мА, R21=910 Ом.

Теперь, чтобы для уменьшения тока зарядки опустить напряжение блока питания, например до 10В (с запасом, т.к. минимально на аккумуляторах бывает 10.8В), пересчитываем R15. В точке Вход+ - 10В, на 14 ноге DA1 (открытый коллектор) будет сумма напряжений на R21 и VD4 - 2.5+0.6 = 3.1В. Получаем, что R15 должен быть не больше, чем (10-3.1) / 0.003 = 2300 Ом. Т.е можно оставить R15=2К.

(У меня в процессе экспериментов ток установлен 5мА, поэтому R21 = 510 Ом (2.5/0.005=500), R15 = 1.3К ( (10-2.5-0.6) / 0.005 = 1380).

4. Пересчитано верхнее плечо делителя - резисторы R34-R39, так как он давал заниженные значения токов зарядки. Поставлены резисторы: для аккумуляторов емкостью 30А/ч - 1.2К, 20 А/ч - 2.4К, 15 А/ч - 3.9К, 10 А/ч - 5.1К, 7 А/ч - 9.1К. Токи зарядки смотри в таблице 1.

Теория: через резисторы R34-R39 (по отдельности) течет ток примерно в 3 раза больший, чем через каждую из ветвей ветвей R4R8, R5R9, R7R6 (они почти одинаковые в первом приближении, возможно автор при расчетах не учел, что их три). Номинал резисторов R34-R39 можно рассчитать по формуле:

Rx = ( (Uc * R8 / Ia / R31) - R4 - R8) / 3,               [формула 1]

где Uc - напряжение стабилизации стабилитрона VD1;
R4, R8 и R31 - резисторы из схемы;
Ia - требуемый ток зарядки аккумулятора (1/10 от номинальной емкости).

При этом в качестве R31 поставлен керамический резистор 5Вт 0.1 Ом (на нем при максимальном токе 6А рассеивается 6*6*0.1=3.6Вт) - все токи соответствуют заданным без подбора R6, R8, R9.

5. Режим тренировки. Не буду его обсуждать, хотя вещь неоднозначная. Например, для аккумуляторов по технологии Са (кальций) режим десульфатации бесполезен. Тем более, что этот режим у автора реализован только для автомобильных аккумуляторов 50 А/ч. Для других с меньшей емкостью нужно ставить переключатель SA1 с двумя группами контактов и второй группой коммутировать нагрузочные резисторы, которые будут включаться вместо R24 для задания нужного тока разряда. Собственно, автор и собирал первую схему без этого режима.

Поэтому для сомневающихся в своих силах можно порекомендовать собрать девайс без режима тренировки. При этом схема упроститься раза в два (по деталям). Для этого убираем (или не впаиваем) R2, R3, R10, R11, R13, R14, R22-R24, R26, R28, R29, С2, С3, C6, VT3-VT5, SA2. Вместо цепочки VD8-VD11 ставим один стабилитрон на 12В типа КС212. (Или если для зарядки 6-ти вольтовых аккумуляторов, то два стабилитрона: КС162+КС156, первый из которых коротится тумблером - смотри в оригинале статьи).

Второй девайс буду собирать именно такой, без режима тренировки, поэтому если будут вопросы - обсудим позже.

Безопасная и простая методика наладки

Для этого используем обычный стабилизированый блок питания напряжением 15.7В (как максимальное для зарядки аккумулятора минус падение на тиристоре), ток 0.1-0.2А - хватит с головой. Если такого блока нет, то берем с большим напряжением и ставим КРЕН8В или 7815.

Блок питания АТ НЕ ПОДКЛЮЧАЕМ!! - отлаживаем только схему управления. Напряжение в точке Упр действительно только для этой схемы наладки и использовании стабилизированого блока питания!!! При подключении к реальному блоку АТ от компьютера в точке Упр всегда будет 2.5В (см. описание работы ШИМ и цепочки стабилизации), а изменяться будет напряжение на Вход+, так как наша схема будет им управлять.

Собираем простую схему (рис.3).

1. Подаем +15.7В на Вход+ (по схеме автора), землю на Вход-.
2. Выпаиваем резистор R31.
3. Подключаем верх резистора R100 к Вход+, низ R101 к Вход-, движок R101 к Вых-.
4. Переключатель SA1 ставим в верхнее положение (50 А/ч).

Делитель R34-R39 мой - пересчитанный. Стабилитрон VD1 тоже мой - КС139. Стабилитроны VD9, VD10 и диод VD11 заменены одним стабилитроном КС182 - назовем его VD**. Все измерения приводятся для такого режима. (Если стоит авторский КС133, то для получения таких значений напряжений на входах 8, 4, 6 DA1 нужно пересчитать делитель R34-R39 по приведенной выше формуле 1).

Рис.3. Схема для наладки и проверки девайса.

Схема обеспечивает имитацию изменения тока зарядки (падения напряжения на резисторе R31) на разных этапах зарядки. Короче изменяем напряжение на входах "-" компараторов DA1 от 0 до 0.6 В для токов от 0 до 6А.

Таблица 1. Величины напряжений для разных аккумуляторов (расчетные из Proteus).

Примечания.

1. Верхняя строка в таблице соответствует авторской схеме для емкости 50А/ч - авторская схема.
2. Как видно, токи зарядки кое-где отличаются от 0.1С - кому нужно точнее - подбираем делитель R34-R39.
3. Напряжения приведены с точностью 4 знака расчетные из Proteus. Понятно, что точно измерить напряжения на 4 и особенно 6 ногах непрецизионным (китайским) вольтметром тяжело, поэтому считаем действительными только два знака и налаживаем для типа "максимального тока" - 5.7А.

Начинаем проверку (наладку).

1. Включаем. В верхнем положении RA101 должны светиться все светодиоды VD2, VD3, VD5, при вращении RA101 должны по очереди гаснуть.

2. Меряем напряжение на стабилитронах VD1, VD12 - должно быть соответственно 3.9 и 8.8-9 вольт.

3. Меряем напряжение на 8, 4 и 6 ногах DA1 - должно соответствовать таблице. (При желании можно пощелкать SA1 и проверить весь делитель. Потом не забудьте вернуть в верхнее положение).

4. Ставим RA101 в верхнее положение, светятся все три светодиода - имитивуем 1 этап зарядки. Напряжение на 9, 5 и 7 ногах DA1 больше, чем на 8 ноге DA1. Напряжение на базе VT2 почти как на эмиттере, транзистор закрыт. Цепочка VD6-VD11 не в режиме (падения напряжения на диодах меньше нормы).

В точке Упр должно быть больше 2.5 вольт. В авторском варианте (при R21 = 4.7К) должно быть около 10В. У меня (при R21 = 910) - около 3.6В. В любом случае, напряжение должно быть больше, чем 15.7В минус суммарное_напряжение_цепочки_VD6-VD11. На диодах падает: на VD6, VD7 - около 0.3В, VD8 - около 2В, VD** - около 6В.

5. Плавно крутим RA101 вниз до гашения VD2 - имитируем второй этап зарядки. Напряжение на 9, 5 и 7 ногах DA1 должно быть ниже, чем на 8, но выше, чем на 4 ноге DA1. Напряжение на 14 ноге DA1 падает до нуля, цепочка VD6-VD11 входит в режим стабилизации, транзистор VT2 закрыт.

Меряем падение напряжения на диодах: VD6, VD7 - по 0.6В, VD8 - 3.9В, VD** - 8.2В. В точке Упр должно быть около 2.5В (15.7-0.6-0.6-3.9-8.2=2.4).

6. Плавно крутим RA101 вниз дальше до гашения VD5 - имитируем третий этап зарядки. Напряжение на 9, 5 и 7 ногах DA1 должно быть ниже, чем на 4, но выше, чем на 6 ноге DA1. Напряжение на 2 ноге DA1 падает до нуля, цепочка VD8-VD11 в режиме стабилизации. На базе транзистора VT2 напряжение на 0.6В ниже, чем на его эмиттере, транзистор открыт, диоды VD6, VD7 зашунтированы.

Меряем падение напряжения на диодах: VD6, VD7 - по 0, VD8 - 3.9В, VD** - 8.2В. В точке Упр должно быть около 3.6В (15.7-3.9-8.2=3.6).

7. Если крутить RA101 вниз еще, до погаснет VD3 - но для наладки нам это ничего полезного не даст.

Все! Схема проверена (кроме режима тренировки и защиты от переполюсовки). Отпаиваем лишние элементы, впаиваем резистор R31 и подсоединяем переделанный и проверенный блок питания АТ. Должно работать.

Немного про переделку блоков питания АТ (для начинающих)

Подробно о переделке писать не буду, поищите статьи "Переделка блока питания от ПК для получения одного выходного напряжения - 12В" (www.kkbweb.narod.ru), "Источник питания 13,5В/15А из АТ блока питания компьютера", "13,8 В/15 А от блока питания компьютера", "Источник питания для импортных трансиверов из компьютерного БП", "Переделка компьютерного блока питания мощностью 200Вт" (http://www.hamradio.cmw.ru/ua6hjq.htm) и аналогичные. Добавлю только, что процесс творческий, т.к. схемы типовые, но есть вариации.

Но перечитав форум, понял, что многие делают общую ошибку - включают переделанный блок без обратной связи, чего делать нельзя!!!

Итак, как делаю я:

1. Выпаиваем выходные провода, затем идем от отверстий проводов -12, -5, +5, PG к трансформатору, выпаивая дроссели, конденсаторы и диоды 1N4007.

2. Теперь выпаиваем элементы, продвигаясь от тех же отверстий (-12, -5, +5, PG) и от +12В в другую сторону - обратные связи и защита. Тут начинается творчество. Очень рекомендуется перед этим поискать схему в Интернете или иметь перед глазами типовую.

Рекомендую выпаивать только одну ножку и ставить элемент вертикально, чтобы при необходимости можно было впаять обратно. Выпаиваем ножку, противоположную от выхода. Например, по фрагменту на Рис.2. для резисторов R47 и R48 выпаиваем ножки, которыми они соединены с R41. R47 выпаиваем потому что у нас не будет напряжения +5В, верхняя ножка не подключена ни к чему, R48 выпаиваем, так как это обратная связь от +12В, которая будет переделываться. R41 не выпаиваем, т.к. у него обе ноги подсоединены (одна к земле, одна к ШИМ). И так движемся дальше.

3. Впаиваем нагрузочный резистор между +12В и землей. Например 270 Ом 1 Вт (ток около 50мА) - чтобы не оставлять блок питания без нагрузки. Вентилятор можно запитать через КРЕН8А/Б (или 7809/7812) - чтобы он не менял скорость вращения при изменении напряжения. Конечно, вентилятор тоже является нагрузкой, но я отлаживаю вынутую из корпуса плату без вентилятора и прочего. Удобно еще впаять светодиод, чтобы видеть, когда подано питание.

4. Смотрим напряжение конденсаторов в цепи +12В - если стоят по 16В, то заменяем на такой же емкостью, но на 25-35В.

5. Впаиваем тестовую обратную связь (для проверки)!! Используем простую схему (рис. 4), которая позволяет изменять выходное напряжение от 10 до 20 вольт. При этом считаем, что 1 нога ШИМ осталась подсоединена к земле через резистор 4.7К (обычно так и есть, если нет, то пересчитаем номиналы делителя рис.4 по формулам 2, 3).

Рис.4. Схема для проверки переделанного блока АТ (тестовая обратная связь).

Пересчет по формулам:

R103 = R41 * ( Umin / U1 - 1 ),             [формула 2],

RA104 = R41 * (Umax - Umin) / U1,           [формула 3],       где

R41 - резистор от 1 ноги ШИМ на землю (см. рис. 2), обычно 4.7К;
U1 - напряжение на 2 ноге ШИМ (обычно 2.5В, см. описание рядом с рис. 2);
Umax - максимальное напряжение, которое хотим получить;
Umin - минимальное напряжение, которое хотим получить.

Например Umin=10В, Umax=20В, R41=4.7К. Получаем R103=14.1КОм, RA104=18.1К

Выбираем ближайшие номиналы (15КОм 18КОм) и определяем напряжения по формулам:

расчетное Umin = U1 * ( 1 + R103 / R41 ),             [формула 4],

расчетное Umax = U1 * ( 1 + ( R103 + RA104 ) / R41 ),           [формула 5]

Получаем расчетное Umin=10.47, расчетное Umax =20.05

6. Включаем блок. Если все лишнее отпаяно правильно, то выходное напряжение будет регулироваться от рассчитанных Umin до Umax.

Если блок не включается или уходит в защиту, то ищем, что еще отпаять или что отпаяли лишнее.

7. Когда все заработало, выпаиваем неподсоединенные (вертикально торчащие) элементы и тестовую обратную связь. Все - блок питания готов к подсоединению схемы управления и использованию в новой реинкарнации.

Файлы: проект Proteus для расчетов.

Удачи!
Владимир Комаров (aka KomSoft), 01.06.10