Автоматическое зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.
Автор: Павел Нестеров
Опубликовано 24.08.2009
Необходимость зарядного устройства для свинцово -кислотных аккумуляторных батарей возникла давно. Первое зарядное было сделано еще для автомобильного аккумулятора на 55А.Ч. Со временем в хозяйстве появились необслуживаемые гелиевые батареи различных номиналов, тоже нуждающиеся в зарядке. Городить для каждой батареи отдельное зарядное устройство, по крайней мере, неразумно. Поэтому пришлось взять в руки карандаш, проштудировать доступную литературу, в основном журнал "Радио", и совместно с товарищами родить концепцию универсального автоматического зарядного устройства (УАЗУ) для 12-ти вольтовых аккумуляторов от 7АЧ до 60АЧ. Получившуюся конструкцию выношу на ваш суд. Сделано в железе более 10 шт. с различными вариациями. Все устройства работают без нареканий. Схема легко повторяется с минимальными настройками.
За основу сразу был взят блок питания от старого ПК формата АТ, поскольку обладает целым комплексом положительных качеств: малые размеры и вес, хорошая стабилизация, мощность с большим запасом, ну и самое главное уже готовая силовая часть, к которой осталось прикрутить блок управления. Идею БУ подсказал С. Голов в своей статье "Автоматическое зарядное устройство для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи", журнал "Радио" №12 2004г., спасибо ему отдельное.
Коротко повторю алгоритм зарядки батареи. 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. Такой ток для батареи не опасен, в этом режиме батарея может находиться долго, без вреда для себя и всегда готова к применению.
Теперь собственно поговорим о том как это все сделано. БП от компьютера был выбран из соображения наибольшего распространения схемного решения, т.е. узел управления выполнен на микросхеме TL494 и ее аналогах (MB3759, КА7500, КР1114ЕУ4) и слегка переделан:
Демонтированы схемы выходных напряжений 5в, -5в, -12в, отпаяны резисторы обратной связи по 5 и 12в, отключена схема защиты от перенапряжения. На фрагменте схемы отмечено крестиком места разрыва цепей. Оставлена только выходная часть 12в, можно еще заменить диодную сборку в цепи 12в на сборку снятую с 5-ти вольтовой цепи, она помощней, хотя не обязательно. Убраны все лишние провода, оставили только по 4 провода черного и желтого цвета длинной сантиметров по10, выход силовой части. К 1-й ноге микросхемы припаиваем проводок длинной 10 см это будет управление. На этом доработка закончена.
В блоке управления дополнительно, по просьбам многочисленных желающих иметь такую штуку, реализован режим тренировки и схема защиты от переполюсовки батареи для особо невнимательных. И так БУ:
Основные узлы: параметрический стабилизатор опорного напряжения 14,6в VD6-VD11, R21
Блок компараторов и индикаторов, реализующих три этапа зарядки батареи DA1.2, VD2 первый этап, DA1.3, VD5 второй, DA1.4, VD3 третий.
Стабилизатор VD1, R1, C1 и делители R4, R8, R5, R9, R6, R7 формирующие опорное напряжение компараторов. Переключатель SA1 и резисторы обеспечивают изменение режима зарядки для различных аккумуляторов.
Блок тренировки DD К561ЛЕ5, VT3, VT4, VT5, VT1, DA1.1.
Защита VS1, DA5, VD13.
Как это работает. Предположим что мы заряжаем автомобильный аккумулятор 55АЧ. Компараторы отслеживают падение напряжения на резисторе R31. На первом этапе схема работает как стабилизатор тока, при включении ток заряда будет около 5А, горят все 3 светодиода. DA1.2 будет держать ток заряда пока напряжение на батарее не достигнет 14,6в., DA1.2 закроется, погаснет VD2 красный. Начался второй этап.
На этом этапе напряжение 14,6в на батарее поддерживается стабилизаторомVD6-VD11, R21, т.е. ЗУ работает в режиме стабилизации напряжения. По мере увеличения заряда батареи, ток падает и как только он опустится до 0,02С, сработает DA1.3. Погаснет желтый VD5 и откроется транзистор VT2. Шунтируются VD6, VD7, напряжение стабилизации скачком снижается до 13,8 в. Перешли к третьему этапу.
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. На этот порог и настроен DA1.4. Светодиод VD3 может погаснуть, хотя на практике он продолжает слабо светить. На этом процесс можно считать завершенным и использовать аккумулятор по назначению.
Режим тренировка. При длительном хранении аккумулятора, его периодически рекомендуется тренировать, так как это может продлить жизнь старых батарей. Поскольку аккумулятор штука весьма инерционная, заряд-разряд должны длиться по несколько секунд. В литературе встречаются устройства которые тренируют батареи с частотой 50ГЦ, что печально сказывается на ее здоровье. Ток разряда составляет примерно десятую часть тока заряда. На схеме переключатель SA2 показан в положении тренировка, SA2.1 разомкнут SA2.2 замкнут. Включена схема разряда VT3, VT4, VT5, R24, SA2.2, R31 и взведен триггер DA1.1, VT1. На элементах DD1.1 и DD1.2 микросхемы К561ЛЕ5 собран мультивибратор. Он выдает меандр с периодом 10-12 секунд. Триггер взведен, элемент DD1.3 открыт, импульсы с мультивибратора открывают и закрывают транзисторы VT4 и VT3. Транзистор VT3 в открытом состоянии шунтирует диоды VD6-VD8 блокируя зарядку. Ток разряда батареи идет через R24, VT4, SA2.2, R31. Батарея 5-6 секунд получает заряд и такое же время разряжается малым током. Этот процесс длится первый и второй этап зарядки, затем срабатывает триггер, закрывается DD1.3, закрываются VT4 и VT3. Третий этап проходит в обычном режиме. В дополнительной индикации режима тренировки нет необходимости, поскольку мигают светодиоды VD2, VD3 и VD5. После первого этапа мигают VD3 и VD5. На третьем этапе VD5 светит не мигая. В режиме тренировки заряд батареи длится почти в 2 раза дольше.
Защита. В первых конструкциях вместо тиристора стоял диод, который защищал ЗУ от обратного тока. Работает очень просто, при правильном включении оптрон открывает тиристор, можно включать зарядку. При неправильном, загорается светодиод VD13, меняй местами клеммы. Между анодом и катодом тиристора нужно припаять неполярный конденсатор 50 мкф 50 вольт или 2 встречно спаянных электролита 100мкф 50в.
Конструкция и детали. ЗУ собрано в корпусе БП от компьютера. БУ изготовлен по лазерно-утюжной технологии. Рисунок печатной платы прилагается в архивном файле, выполнен в SL4. Резисторы МЛТ-025, резистор R31 — кусок медного провода. Измерительную головку РА1 можно и не ставить. Просто валялась и ее приспособили. Поэтому значения R30 и R33 зависят от миллиамперметра. Тиристор КУ202 в пластмассовом исполнении. Собственно исполнение видно на прилагаемых фото. Разъем и кабель для подключения питания монитора использовали для включения батареи. Переключатель выбора тока зарядки малогабаритный на 11 положений, резисторы припаяны к нему. Если ЗУ будет заряжать только автомобильные аккумуляторы переключатель можно не ставить, впаяв просто перемычку. DA1 — LM339. Диоды КД521 или аналогичные. Оптрон PC817 можно поставить другой с транзисторной исполнительной частью. Платка БУ прикручена к алюминиевой пластине толщиной 4 мм. Она служит радиатором для тиристора и КТ829, на ней же в отверстия вставлены светодиоды. Получившийся блок прикручен к передней стенке БП. ЗУ не греется, поэтому вентилятор подключен к БП через стабилизатор КР140ен8б, напряжение ограничено до 9в. Вентилятор вращается помедленней и практически его не слышно.
Регулировка. Первоначально устанавливаем вместо тиристора VS1 мощный диод , не впаивая VD4 и R20, подбираем стабилитроны VD8-VD10 так чтобы напряжение на выходе, без нагрузки, было 14,6вольта. Далее запаиваем VD4 и R20 и подбором R8, R9, R6 выставить пороги срабатывания компараторов. Вместо батареи подключаем проволочный переменный резистор 10 Ом, устанавливаем ток 5 ампер, впаиваем переменный резистор вместо R8, крутим его при напряжении 14,6в должен погаснуть светодиод VD2, мереям введенную часть переменного резистора и впаиваем постоянный. Впаиваем переменный резистор вместо R9, выставив примерно 150 Ом. Включаем ЗУ, увеличиваем ток нагрузки пока не сработает DA1.2, затем начинаем уменьшать ток до значения 0,1 ампера. Затем уменьшаем R9 пока не сработает компаратор DA1,3. Напряжение на нагрузке должно упасть до 13,8в и погаснет желтый светодиод VD5. Снижаем ток до 0,05 ампера, подбором R6 гасим VD3. Но лучше всего наладку проводить на хорошем разряженном аккумуляторе. Впаиваем переменные резисторы, выставляем их чуть больше указанных на схеме, подключаем амперметр и вольтметр к клеммам аккумулятора и делаем это за один раз. Батарею не сильно разряженную используем, тогда будет быстрее и точнее. Практика показала, что регулировка практически не требуется, если точно подобрать R31. Добавочные резисторы подбираются тоже легко: при соответствующем токе нагрузки, падение напряжения на R31 должно составлять 0,5в, 0,4в, 0,3в, 0,2в, 0,15в, 0,1в и 0,07в.
Вот, собственно и все. Да, еще, если дополнительным двухполюсным тумблером, одной половиной закоротить диод VD6, а другой стабилитрон VD9, то получится ЗУ для 6-ти вольтовых гелиевых батарей. Ток заряда надо выбрать наименьший переключателем SA1. На одном из собранных эта операция была успешно осуществлена.
Категорически приветствую всех читателей!
Написать данную статью меня побудили несколько факторов: борьба с потенциальным алкоголизмом, желание несколько упорядочить «кашу» из накопившейся информации и, конечно, большое желание помочь единомышленникам.
В конечном итоге мы получим зарядное устройство с линейной характеристикой выходного тока. Это означает, что зарядка будет происходить в два этапа — постоянным заданным вручную током до набора заданного напряжения, затем постоянным заданным напряжением. При этом выходной ток будет плавно снижаться вплоть до нуля, когда заряд будет полностью окончен. Это самый правильный способ зарядки.
Также мы добавим режим десульфатации аккумуляторной батареи. Такой функцией обладают некоторые заводские зарядные устройства, например, Кедр-Авто 10. Такой зарядник у меня так же имеется, и его режим работы мне не очень нравится: во-первых, он не производит должным образом зарядку постоянным напряжением, а просто падает в дозарядку малым током. Окончания зарядки придется ждать очень долго; во-вторых, в интересующем нас режиме "Цикл" максимальное напряжение целенаправленно увеличено до 15,5 вольт, чтобы устройство не отключалось. Это в конечном итоге приведёт к перезаряду аккумулятора. Использованная у меня реализация лишена этих недостатков.
Ключевые моменты статьи для удобства восприятия и навигации я выделил полужирным шрифтом.
Лирика: данный текст ориентирован на начинающих радиолюбителей, подобных мне самому. Собственно, я сам почти год назад не держал в руках паяльник, пока не набрёл на статью Андрея Голубева про изготовление лабораторного блока питания из компьютерного БП. Не имея четкого представления, зачем он мне впоследствии пригодится, я поставил себе задачу во что бы то не стало разобраться и сделать себе такое устройство. И это мне удалось. Выражаю огромную человеческую благодарность Андрею и Юрию Вячеславовичу за посильную помощь в моих начинаниях. Много крови я у них выпил. Я не повторяю статью Андрея, но постараюсь ключевые моменты переделки раскрыть более подробно, останавливаясь на моментах, которые вызывали у меня много вопросов. Прошу воспринимать данный материал как отчет о проделанной работе. Чтобы понимать, о чем я вообще говорю, вам необходимо изучить вышеупомянутые статьи.
Многие здесь и сейчас присутствующие знают, что я человек расчетливый, и не ищущий легких путей. И недавно, промывая подкапотку любимого авто от месячной пыли, обнаружил недобро косящийся на меня красный глаз индикатора плотности в банке аккумуляторной батареи. В связи с никак не радующими глаз ценами на аккумуляторы, да и что угодно в наше время, в принципе, решил, что не стоит оставлять без внимания такой важный элемент автомобиля, как аккумуляторная батарея, пробуждающая 6 цилиндров в сибирские морозы. Готовь сани летом, как говорится. А с другой стороны, не кошерно таскать в гараж лабораторный блок питания, в который вложил душу.
А что нам стоит дом построить?
За период создания вышеупомянутого лабораторника у меня скопилось достаточной количество барахла, которое можно превратить в объект обсуждения – аккумуляторное зарядное устройство.
По сути, это тот же лабораторный блок питания, но с некоторыми ограничениями – минимальное напряжение на выходе равно 14,4В, максимальное 16В, блок питания не стартует без подключенного к выходным клеммам аккумулятора и имеет защиту от переполюсовки. В штатном режиме регулятор напряжения всегда в крайнем левом положении, и напряжение на выходе равно 14,4В. Повышенное напряжение используется для "пинка" запущенным аккумуляторам.
Суть зарядного устройства: обеспечить стабилизированное напряжение 14,4 вольта и заданный ограниченный ток. Проще говоря, в начале процесса зарядки ток будет максимальным, заданным реостатом. По мере заряда батареи, собственное напряжение аккумулятора будет расти. В конце концов, когда напряжение аккумулятора станет 14,4 вольта, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения и станет постепенно снижать ток до нуля. В таком состоянии аккумулятор может находиться сколь угодно долго, и ничего плохого с ним не произойдет.
Мне по вышеупомянутой причине сия поделка обошлась в 0 рублей и 0 копеек, если же все комплектующие покупать поштучно, бюджет может подрасти до 1000 рублей, где большую часть занимают вольтамперметры. От момента задумки до реализации прошла неделя. Делал в основном вечерами, но пару дней посвятил процессу полностью.
На этом описательно-вступительную часть предлагаю считать оконченной и перейти к самому интересному.
Достался в виде трупа блок питания ATX:
Видно следы отвратительного ремонта: силовые ключи и диодные сборки вообще не прикручены к радиаторам. Схема очень схожа с этой:
Эта история началась когда мы решили отправиться в лес в ночь с субботы на воскресение — у брата был день варенья, и мы его решили отметить на свежем воздухе под шашлычек и водочку. Стали собираться. Для освещения взяли пару фонарей, для наведения музыкального фона небольшую магнитолку-бумбокс. Разумеется, для всего этого купили батарейки, что обошлось нам в кругленькую сумму. С рожами счастливых идиотов мы вломились в лес и бойко приступили к сборке дров, трезво (пока еще) рассудив, что было бы неплохо наломать этих самых дров пока не стемнело. А дров надо было на два костра — для шашлыков и для обогрева — освещения места празднования. Ну что я вам хочу сказать. на следующий день мне с трудом удавалось разогнуться, поскольку для того, чтобы от костра света было достаточно туда надо постоянно подбрасывать дрова, которые надо рубить в лесу, в котором после захода солнца стало темно, как сами знаете где и батареи в фонарях приходилось экономить и освещать место пьянства костром, для которого надо рубить дрова. Я повторяюсь, да? Ну вот той ночью у меня таких повторений было очень много. В связи с чем на следующий день возникло два вопроса — "я отдыхал?" Или "где и как сделать, чтобы такого больше не случалось?"
Прежде всего батареи — ясно, что нужны аккумуляторы, но посмотрев на цены современных никель-кадмиевых аккумуляторов моя жаба категорически отказалась их покупать. Тут я вспомнил про УПС-ы — ну знаете, такие бандуры для того, чтобы ваш комп не вырубился в самый неподходящий момент, когда вы заканчиваете проходить сапера 100х100, а добрый сосед уже подключил самопальный сварочный агрегат в розетку и радостно ухмыльнувшись включил его, обесточивая, таким образом пол-дома.
Так вот, в этих бандурах применяются герметичные свинцовые аккумуляторы — их еще называют гелевыми. По стоимости они не сравнимы с Ni-Cd аккумуляторами — первые стоят значительно меньше последних. Поехал я в магазинчик и прикупил себе вполне даже средненький аккумулятор с напряжением 12 вольт и ёмкостью 7,2 ампер-часа.
Рис.1 Фото аккумулятора.
Далее все было просто — берем 10-ти ваттную автомобильную лампочку, вешаем её на длинном проводе на дерево и подключаем к сабжу — свет готов. А для подключение магнитолы ваяем простенький стабилизатор на КРЕН8А или её буржуйском аналоге LM7809, прикручиваем провода к клемам в батарейном отсеке — e voila — имеем свет и музыку. Должен вам сказать, что подобная схема уже испытывалась — хватает на всю ночь непрерывной работы и аккумулятор до конца не разряжается.
Но вы же понимаете, что все хорошо до конца не бывает — должна быть где то капелька отходов чловеческого метаболизма, которая должна отравить всю идиллию. В данном случае засада в том, что эти аккумуляторы нельзя заряжать обычными зарядными устройствами для автомобильных аккумуляторов. Обычные кислотно-свинцовые аккумуляторы заряжаются постоянным по величине током, при этом напряжение на клеммах все время растет и когда оно достигает определенной величины — электролит в аккумуляторе закипает, что свидетельствуе об окончании заряда. Давайте себе представим, что будет, когда закипит герметичный аккумулятор. Я так полагаю, что жертв и разрушений вряд ли удасться избежать. Посему эти ящики заряжают по-другому: ток заряда устанавливают равным 0,1С, где С — это ёмкость аккумулятора, причем, зарядный ток ограничивают, поскольку этот товарищ "неудовлетворенный желудочно" и готов сожрать все, что ему дают, напряжение стабилизируют и устанавливают в пределах 14-15 вольт. В процессе заряда напряжение остается практически неизменным, а ток будет уменьшаться от установленного, до 20-30мА в самом конце заряда. То есть, нужно было собрать зарядное устройство.
Возиться ужасно не хотелось, но тут выручили буржуи — ST Microelectronics — у них, оказывается есть почти готовое решение — микросхема L200C. Эта микросхема представляет собой стабилизатор напряжения с программируемым ограничителем выходного тока. Документация на эту микросхему лежит тут: www.st.com/stonline/products/literature/ds/1318.pdf Схема зарядного устроства на рисунке 2 — это практически типовая схема включения
Рис.2
Особо описывать в общем то и нечего, остановлюсь только на паре моментов. Прежде всего — токозадающие резисторы R2-R6. Их мощность должна быть не меньше указанной на схеме, а лучше больше. Ну если вы, конечно, не фанат дымовых спецэффектов и не тащитесь от вида почерневших резисторов.
Рис 3.1 Устройство на макетной плате
Микросхему, разумеется, надо установить на радиатор, причем, тоже не жадничать — все это хозяйство расчитано на долговременную работу, поэтому, чем легче будет тепловой режим элементов, тем лучше для них, а значит и для вас. Резистором R7 подстраивается выходное напряжение в пределах 14-15 вольт. Диоды лучше брать наши, отечественные в металлических корпусах, тогда их не надо устанавливать на радиаторы. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора 15-16 вольт. Лично я никакой платы не делал, не так уж много тут деталей — собрал все на макетке. Что получилось видно на фотке.
Рис 3.2 Все в сборе, только без корпуса
Работает все, как и предсказано в теории — ток, по началу, большой, к концу заряда опустился до незначительного и в таком состоянии живет уже несколько дней. Кстати, фирма производитель рекомендует как раз такой, незначительный ток в течении длительного времени для сохранения ёмкости батареи.
Рис 4.1 Еще один вариант сборки
Рис 4.2 Собранное устройство на плате
Скачать печатную плату в форматах LAY и Corel для плоттерной резки на пленке вы можете ниже
