KomSoft (aka Владимир П. Комаров), 23.07.10
Итак, мы имееем: "Автоматическое зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей", Автор - Павел Нестеров, Лауреат Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2009", приз в номинации "Лучшая конструкция без МК", Опубликовано на сайте www.radiokot.ru 24.08.2009. Оригинальная схема:
Рис. 1. Оригинальная схема Павла Нестерова.
Имеем также переделаный блок питания, к которому подключается это устройство управления.
В соостветствии в моим предыдущим трактатом "Автоматическое зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Рекомендации по сборке и наладке" удален блок тренировки и изменены номиналы некоторых элементов. Получилось (только для 12-вольтового варианта):
Рис. 2. Она же без блока тренировки, режима 6В и с откорректироваными номиналами.
Что мы видим? Из 4-х элементов LM339 используется только три, один из которых - исключительно для индикации и не учавствует в управлении. Немного сложновата цепочка, подключеная к ноге 2 LM339, а также лишний параметрический стабилизатор на VD12, который не будет выполнять свои функции при 6В режиме. Возникает желание свести количество элементов к минимуму.
Поэтому проводим жесткий тюнинг / оптимизацию с уменьшением количества деталей и сохранением функциональности. Получилась следующая схема (рис. 3), позиционные обозначения по мере возможности оставлены, как в оригинальной схеме, для преемственности упрощения выкладок:
Рис. 3. Жесткий тюнинг АЗУ для SLA батарей.
Напомню работу схемы и заодно увидите отличия. Цитата: "Весь процесс состоит из трех этапов. На первом этапе, когда батарея полностью или частично разряжена, допустимо проводить зарядку большим током, достигающим 0,1:.0,2С, где С - емкость аккумулятора в ампер-часах. Зарядный ток должен быть ограничен сверху указанным значением или стабилизирован. По мере накопления заряда растет напряжение на клеммах батареи. Это напряжение контролируем. По достижению уровня 14,4 - 14,6 вольта первый этап завершен. На втором этапе необходимо поддерживать постоянным достигнутое напряжение и контролировать зарядный ток, который будет снижаться. Когда ток заряда упадет до 0,02С, батарея наберет заряд не менее 80%, переходим к третьему этапу заключительному. Уменьшаем напряжение заряда до 13,8 в. и поддерживаем его на этом уровне. Ток заряда постепенно снизится до 0,002:.0,001С и стабилизируется на этом значении"
На первом этапе схема работает как стабилизатор тока, светятся два светодиода (красный VD2 и желтый VD5). Ток стабилизируется на уровне 0.1С, задаваемом делителем (R34-R42)-R4-R8. Компаратор U1A будет держать ток заряд, пока напряжение на батарее не достигнет 14.6-14.8В. После этого напряжение повышаться не будет, начнет снижаться ток. В результате U1A перейдет в "0" состояние, погаснет VD2 красный, желтый светодиод VD5 будет светить ярко. Первый этап закончен.
На втором этапе напряжение 14.6-14.8В на батарее поддерживается стабилизатором VD6, VD7, VD14, VD15, R21, т.е. АЗУ работает в режиме стабилизации напряжения. Желтый светодиод VD5 светит ярко. (Примечание: на самом деле стабилизируется напряжение в точке PS+, на АБ напряжение продолжает немного повышаться за счет уменьшения падения напряжения на шунте R31). По мере увеличения заряда батареи, ток падает и как только он опустится до 0.02С, U1A перейдет в из состояния "1" в состояние "0". Второй этап закончен. Желтый светодиод VD5 будет светить слабо, зато начнет светиться зеленый VD3, откроется транзистор VT2. Шунтируются VD6, VD7, напряжение стабилизации скачком снижается до 13.8В.
Цитата: "Дальше идет дозаряд батареи очень маленьким током. Поскольку к этому моменту батарея набрала примерно 95-97% заряда, ток снижается постепенно до 0.002С и стабилизируется. На хороших батареях может снизится до 0.001С". Таким образом включение светодиода VD3 сигнализирует, что процесс зарядки можно считать завершенным и использовать аккумулятор по назначению.
Для зарядки 6В АБ переключателем SA2 коротят диод VD7 и стабилитрон VD14, что уменьшает максимальное напряжение на втором этапе до 7.4В, а на третьем - до 6.8В.
Детали. Амперметр нужно использовать наш, нормальный, с сопротивлением менее 0.1 Ом. У китайских мультиметров оно на 2 порядка больше. Ток, потребляемый самой схемой, очень мал и при использовании аналогового амперметра вы его не заметите.
Измерительный резистор R31 - керамический 5Вт, 0.1Ом - вполне устраивает. Резистор R1 - 0.25Вт, остальные ставил SMD. Стабилитроны - вперемежку советские и импортные.
Светодиоды - ультраяркие, начинают светить при 1.8В, 1мА. Как поведет себя с другими - не проверял (см. примечание ниже).
Возможные нюансы. Пока собрано 2 устройства, которые тестировались на одной АБ 6В-4.5А/ч и нескольких 12В-7А/ч, 12В-18А/ч от UPS. Летом автомобильные не несут, ждем зимы...
а) Резисторы верхнего плеча делителя R34-R42, задающие ток заряда, рассчитываются по формуле 2.1:
Rx = ( (Uc * R8 / Ia / R31) - R4 - R8) / ( 1 + (R4+R8)/(R5+R9) ), [формула 2.1]
где Uc - напряжение стабилизации стабилитрона VD1;
R4, R5, R8, R9 и R31 - резисторы из схемы;
Ia - требуемый ток зарядки аккумулятора (=0.1С, 1/10 от номинальной емкости).
Учитывая, что при переключении с 12В в 6В режим ток через стабилитрон VD1 меняется (примерно) с 10 до 4 мА, немного меняется напряжение на нем. Кто хочет - может померять и совсем точно подобрать резисторы делителя.
б) Цепочка стабилизации VD6, VD7, VD14, VD15. Не удается задать нужный режим работы стабилитронов, поэтому со стабилитронами творятся чудеса. но в целом близко к теории. Как показали эксперименты, в этой цепочке стабилитроны дают напряжение стабилизации: КС147 - около 4.1В, BZX 5.1V - около 4.9В, КС170 - около 6.9В, КС175 - от 7 до 7.4В, КС182 около 8.1В. Если верить теории, то нужно ставить стабилитроны VD14, VD15 на 7В+4.7В. При этом получим 0.6+0.6+7+4.7+2.5=15.4В, минус падение на тиристоре - на АБ придет максимум 14.7В. На практике вместо КС147 пришлось поставить стабилитрон на 5.1В. В любом случае лучше померять в реальной схеме напряжение стабилизации и выходное напряжение всего девайса, а при необходимости подобрать стабилитроны.
в) Учитывая изменение входного напряжения в 2 раза при переходе от 12В к 6В режиму, сложно было подобрать цепочку R19-R20-R17-VD5, которая обеспечивает одновременно индикацию и управление транзистором VT2. При таких номиналах все работает, хотя возможны нюансы при других светодиодах (не было времени проверить - есть ультраяркие диоды, не хотел ставить другие).
г) на одном экземпляре вместо защиты на тиристоре поставлена защита на реле (подсмотреная в форуме) - Рис. 4.
Рис. 4. Вариант защиты на реле.
Использовалось реле с обмоткой на 12В, схема показала следующие недостатки:
Поэтому, кто захочет собрать защиту на реле - должен будет это учесть.
Проверка работоспособности
Принципиально ничем не отличается от описаной для взятого за основу устройства. Для этого используем обычный стабилизированый блок питания напряжением 15.7В (как максимальное для зарядки АБ 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 /Control 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 PS+/Вход+, так как наша схема будет им управлять.
Собираем простую схему (рис.3).
Рис.5. 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 U1 от 0 до 0.65 В для токов от 0 до 6.5А.
Начинаем проверку (наладку).
1. Включаем. В верхнем положении RA101 должны светиться светодиоды VD2 и VD5, при вращении RA101 должен вначале погаснуть VD2, затем почти погаснуть VD5 и включиться VD3.
2. Меряем напряжение на стабилитроне VD1 - должно быть около 3.3В.
3. Меряем напряжение на 2 и 6 ногах U1 - должно быть около 0.65 и 0.13В.
4. Ставим RA101 в верхнее положение, светятся VD2 и VD5 - имитируем 1 этап зарядки. Напряжение на 3 и 5 ногах U1 больше, чем на 2 ноге U1. Напряжение на базе VT2 почти как на эмиттере, транзистор закрыт. Цепочка VD6, VD7, VD14, VD15 не в режиме (падения напряжения на диодах меньше нормы).
В точке Упр/Control должно быть больше 2.5 вольт - около 3.4В. На диодах падает: на VD6, VD7 - около 0.3В, VD14, VD15 - меньше, чем напряжение стабилизации.
5. Плавно крутим RA101 вниз до гашения VD2 - имитируем второй этап зарядки. Напряжение на 3 и 5 ногах U1 ниже, чем на 2, но выше, чем на 6 ноге. Напряжение на 1 ноге U1 падает до нуля, цепочка VD6, VD7, VD14, VD15 входит в режим стабилизации, транзистор VT2 закрыт.
Меряем падение напряжения на диодах: VD6, VD7 - по 0.6В, VD14 - около 6.9В, VD15 - около 4.7-4.9В. В точке Упр/Control должно быть около 2.5В.
6. Плавно крутим RA101 вниз дальше до гашения VD5 и включения VD3- имитируем третий этап зарядки. Напряжение на 3 и 5 ногах U1 быть ниже, чем на 6. Напряжение на 7 ноге U1 падает до нуля. 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, VD14 - около 6.9В, VD15 - около 4.7-4.9В. В точке Упр/Control должно быть около 3.7В.
7. Для проверки работы в режиме 6В АБ вместо +15.7В на PS+ подаем +8В. Переключатель SA2 ставим в положение "6В". Проверка ничем не отличается, кроме того, что на диоде VD3 и стабилитроне VD14 всегда 0, остальные напряжения соответствуют указаным выше.
Все! Схема проверена (кроме режима тренировки и защиты от переполюсовки). Отпаиваем тестовые элементы, впаиваем резистор R31 и подсоединяем переделанный и проверенный блок питания АТ. Должно работать.
Если в каком-то из режимов не открывается (или всегда открыт) транзистор VT2 - можно поиграться в небольших пределах резисторами R19-R20-R17. Как я писал выше, сложно подобрать цепочку R19-R20-R17-VD5, которая четко работает в 12В и 6В режимах (для каждого из них в отдельности это делается очень просто). После замены резисторов проверьте срабатывание в 4 режимах (12/6В и 2-3 этапы).