В литературе и в Интернете, касательно зарядки аккумуляторов, как автомобильных, так и малогабаритных к всевозможным устройствам, полно предубеждений и неверных представлений. Одно из самых распространенных - что аккумулятор требует для зарядки источника с определенным напряжением.
Так, даже в неубиваемых статьях о восстановлении отработанных элементов питания, отчего-то пишется, что "заряжать" их необходимо непременно источником с трансформатором напряжением 2,4 В. Молчаливо предполагается, что и после моста (или даже одиночного диода, иногда с подключенным параллельно резистором или конденсатором) постоянное напряжение будет также 2,4 В.
По факту, сама идея заряда аккумулятора постоянным напряжением, постоянным по величине, неверна. В идеальном случае, при подобном подключении непременно что-то должно пойти не так - сгорит зарядное устройство от перегрузки, закипит электролит и покоробятся пластины от чрезмерного зарядного тока и пр. Рассмотрим вопрос подробнее. Что-то вразумительное и приближенное к практике получается только от того, что ни аккумулятор, ни зарядное устройство не являются идеальными.
Классическое зарядное устройство недавнего времени, представляющее собой понижающий трансформатор с подключенным на выходе однополупериодным или двухполупериодным выпрямителем, обладает двумя основными характеристиками - напряжением холостого хода и внутренним сопротивлением, а аккумулятор, кроме номинального напряжения, характеризуется еще и внутренним сопротивлением. Ко всему этому, в процессе зарядки меняется ЭДС аккумулятора, а питающая сеть характеризуется нестабильностью.
Вдобавок, зарядное устройство работает не на активную нагрузку, а на противоЭДС - это такой режим, когда нагрузкой выпрямителя является также источник напряжения - аккумулятор или элемент питания. Что касаемо формы выходного напряжения, то на выходе зарядного устройства наблюдаем не напряжение постоянной величины, а одну полуволну синусоидального сетевого напряжения для случая однополупериодного выпрямления, или две полуволны одной полярности для случая двухполупериодного выпрямления, при этом полуволны с отсечкой, поскольку диоды заперты при мгновенном напряжении переменного тока ниже ЭДС аккумулятора. Все это усложняет взаимодействие устройства с аккумулятором и в конечном счете оценку зарядного тока.
Ниже, в качестве примера, графики напряжения на вторичной обмотке трансформатора и тока заряда при некоторых "средних" параметрах ЗУ и аккумулятора.
Мы не будем рассматривать работу современных навороченных зарядных устройств, где стабилизируется ток заряда, по окончании зарядки происходит отключение аккумулятора, предусмотрена защита от неправильного (в противоположной полярности) подключения аккумулятора и даже автовыбор режима работы.
Для понимания основных принципов зарядки достаточно рассмотреть работу классической схемы зарядного устройства.
Если напряжение на выходе выпрямителя к усилителю НЧ или приемнику непременно нужно сгладить электрическим фильтром, состоящим из конденсаторов, дросселей или резисторов, то в зарядных устройствах в том нет необходимости. Усилитель или приемник при недостаточной сглаженности напряжения питания "зафонит", аккумулятору же достаточно, чтобы среднее за период значение тока заряда соответствовало требуемому.
Да и технически отфильтровать на выходе выпрямителя напряжение в десяток-другой вольт при токе в несколько ампер затруднительно - потребуются конденсаторы большой, в десятки тысяч микрофарад, емкости. Фильтр же с дросселем также нерационально использовать - затраты не окупят получаемой выгоды.
При мощном выпрямителе высокого качества, т.е. с возможно меньшим внутренним сопротивлением, и новом (не засульфатированном) аккумуляторе, прямое подключение ЗУ на аккумулятор невозможно - в цепи пойдет большой уравнительный ток, и неизбежна порча устройства, аккумулятора либо того и другого. Идея регулировать зарядный ток напряжением выпрямителя не работает - небольшое изменение напряжения может привести к резкому изменению зарядного тока.
В цепи заряда непременно должно стоять ограничивающее (балластное) сопротивление или реостат, им же можно регулировать ток заряда при неизменности напряжения выпрямителя. Сопротивлением можно ограничивать ток заряда при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлении, а при мостовой схеме выпрямителя возможно использование вместо резистора в цепи нагрузки конденсатора в цепи переменного тока, до моста. Данная схема безопасна в работе, но нереализуема на практике, поскольку при зарядном токе в несколько ампер требуется неполярный конденсатор нереализуемо большой емкости, в тысячи мкФ.
При мостовом выпрямителе конденсатор можно включить последовательно с первичной обмоткой трансформатора, что потребует меньших емкостей; это очень распространенная схема, но здесь существует опасность возникновения нежелательных электрических резонансов на холостом ходу с повышением напряжения на конденсаторе выше его рабочего и повышением напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Так каков же ответ на вынесенный в заголовок вопрос - возможна ли зарядка аккумулятора 12 В от трансформатора 10 В? Ответ парадоксален - возможна. Выпрямленное и неотфильтрованное переменное напряжение с действующим значением 10 В представляет собой ряд полусинусоид с изменением мгновенных значений напряжения от 0 до 14,1 В (до амплитудного). Тем самым, в части периода при изменении мгновенного напряжения от 0 до 12 В зарядного тока не будет (а аккумулятор не будет разряжаться, поскольку диоды выпрямителя заперты); ток будет протекать в части периода при росте мгновенного значения напряжения от 10 до 14,1 В и далее при его снижении от 14,1 В до 12 В.
Это т.н. режим работы выпрямителя с отсечкой, когда часть периода напряжения диоды заперты, и через нагрузку ток не идет. Работа на противоЭДС всегда связана с отсечкой, но для зарядки важен средний ток.
Нас в рассмотренном случае интересует другое. Мы рассмотрели работу выпрямителя с трансформатором 10 В при напряжении аккумулятора в точности 12 В. Но в процессе заряда напряжение аккумулятора возрастает, и именно возрастание его ЭДС до определенного значения является признаком конца заряда. Трансформатор на 10 В не способен зарядить аккумулятор до напряжения выше 14,1 В (по факту до еще меньшего, с учетом прямого падения напряжения на диодах, в особенности на кремниевых), оттого напряжение трансформатора всегда выбирается с запасом, с учетом полного заряда аккумулятора и нестабильности напряжения сети.
Алгоритмов зарядки аккумулятора существует огромное количество, ряд из них фирменные, но наиболее простой, "классический" режим - это зарядка постоянным током, численно равным 1/10 от емкости аккумулятора в ампер-часах (Ач). Так, аккумулятор емкостью 60 Ач принято заряжать током 6 А.
Этот режим характерен тем, что аккумулятор удается зарядить до 100% его емкости, но в простых ЗУ (без автоматического поддержания тока заряда) необходимо следить за зарядным током и регулировать его вручную, чтобы отключить аккумулятор при достижении напряжения (под зарядкой) в 2,7 В на одну банку свинцово-кислотного аккумулятора. Недостаток - значительное газовыделение в конце заряда.
Ниже график заряда в подобном режиме.
Напряжение на клеммах аккумулятора (что и есть напряжение зарядки) выше ЭДС аккумулятора на произведение тока зарядки на внутреннее сопротивление аккумулятора, составляющее десятые доли ома. Эта разница напряжений обычно не превышает 1 В. Напряжение при зарядке постоянным током в 0,1 емкости равномерно повышается до 2,4 В на банку, а затем, в конце зарядки, резко возрастает до предельного 2,7 В на банку, после чего более не повышается, и сопровождается усиленным газовыделением.
При идеальном аккумуляторе время заряда составляло бы 10 часов, но вследствие несовершенства аккумулятора (не равного 100% коэффициента полезного действия) заряжать его приходится порядка 12 часов, тщательно следя за напряжением на клеммах ближе к концу заряда, отключив ЗУ при достижении напряжения 2,7 В на банку.
Ввиду присущего данному режиму недостатка принято при достижении напряжения 14,4 В уменьшить зарядный ток наполовину (до 0,05 емкости), и тогда, при неизменности внутреннего сопротивления аккумулятора, признаком конца зарядки явится напряжение на клеммах порядка 2,6 В на банку. Существует и еще более осторожный алгоритм заряда - по достижению напряжения на клеммах 2,5 В на банку снизить ток еще вполовину (уже до 0,025 емкости), при этом напряжение на клеммах упадет, и признаком конца заряда явится вновь достижения напряжения 2,5 В на банку.
Описанный режим слишком идеален, поскольку при ухудшении состояния аккумулятора ввиду сульфатации, внутреннее сопротивление аккумулятора повысится (что будет заметно по трудности проворота стартера), и при нормальных токах заряда напряжение на клеммах будет чрезмерным.
Рисунок ниже поясняет, отчего при зарядке аккумулятора приходится говорить и различать 3 разных напряжения - напряжение холостого хода ЗУ, напряжение на клеммах аккумулятора и ЭДС аккумулятора.
На рисунке R - внутреннее сопротивление ЗУ, r - внутреннее сопротивление аккумулятора. Измерены никак быть не могут, но могут быть рассчитаны исходя из нагрузочных характеристик ЗУ и аккумулятора.
В частности, о внутреннем сопротивлении аккумулятора можно судить, оценив, на сколько падает напряжение на его клеммах при тестировании аккумулятора нагрузочной вилкой.
Напряжение холостого хода ЗУ присутствует в точке A (относительно общей точки O), а поскольку эта точка недоступна, измерить это напряжение можно в точке B в отсутствие нагрузки. ЭДС аккумулятора также присутствует в недоступной точке C, измеряется в точке B в отсутствие нагрузки.
Из последней модификации режима (со ступенчатым зарядом 3 уровнями тока) рождается идея заряжать аккумулятор постоянным напряжением, выбираемым равным ЭДС аккумулятора в конце зарядки - 16,2 В (2,7 В на банку). При этом, поскольку по ходу зарядки ЭДС аккумулятора повышается с начальных 11,6 В (предполагаем, что он не разряжен "вхлам", ЭДС снижена до 1,93 В на банку, что соответствует остаточной емкости 20% от номинальной), по мере зарядки ток заряда снижается.
На рисунке ниже график зарядки подобного аккумулятора емкостью 60 Ач номинальным напряжением 12 В зарядным устройством с внутренним сопротивлением 0,75 Ом и с постоянством напряжения 16,2 В. Внутреннее сопротивление аккумулятора принято равным 0,1 Ом. В примере напряжение ЗУ всегда постоянно, т.е. не имеет пульсаций. Это может быть, например, автомобильный генератор или стабилизированный источник питания.
Из графика следует, что начальный ток заряда велик и составляет в примере 26 А. В вынужденных случаях аккумуляторы разрешается заряжать током в 0,3 от емкости, сознавая все риски, что для данного аккумулятора 18 А, но в примере начальный ток заряда еще выше. Номинального для данного аккумулятора тока 6 А ток заряда достигает примерно через 6 часов заряда, а затем снижается еще ниже. Но уже к этому моменту аккумулятор заряжается полностью, и заряжать далее его не имеет смысла.
Внутреннее сопротивление аккумулятора в примере выбрано равным 0,1 Ом. Обычно оно меньше, но может быть и больше, особенно в случае сульфатации. Увеличивается оно и с понижением температуры, оттого при зарядке постоянным напряжением никакой стандартный режим зарядки не может быть гарантирован.
Внутреннее сопротивление ЗУ выбрано равным 0,075 Ом, оно примерно соответствует мощности ЗУ для зарядки выбранного аккумулятора.
Основная же проблема в том, что при изменении напряжения сети в пределах ±10 начальный ток заряда в примере может может доходить до 36 А, что совершенно неприемлемо.
Тем самым, режим заряда постоянным напряжением мало пригоден на практике. В таком режиме работает аккумулятор на автомобиле, и напряжение генератора выставляется на определенном уровне (13,8-14,3 В), что не дает аккумулятору полной зарядки, особенно в зимнее время, при повысившемся его внутреннем сопротивлении.
Таким образом, режим заряда аккумулятора постоянным напряжением работоспособен при соблюдении ряда условий:
1. Внутреннее сопротивление аккумулятора равно или близко к положенному в основу расчета;
2. Зарядное устройство по мощности соответствует аккумулятору (менее мощное не выдержит, более мощное выдаст больший расчетного ток, даже при равенстве напряжений);
3. Напряжение сети должно быть стабильно (для поддержания тока с точностью 10% стабильность сети должна быть не хуже 2%); данное условие самое нереальное, т.е. ЗУ подобного типа необходимо питать от стабилизатора.
Итак, мы рассмотрели основы зарядки аккумулятора самыми примитивными ЗУ. Навороченные ЗУ заряжают аккумулятор по зашитому в них алгоритму, регулируя ток заряда в зависимости от ЭДС аккумулятора по заданной зависимости выпрямителем с тиристорным регулятором.
Простое же (самодельное) ЗУ непременно требует наличия в цепи зарядки (со стороны низкого напряжения) или в цепи сети (со стороны высокого напряжения) ограничивающего балластного резистора, в качестве которого может быть использована лампа накаливания, которая одновременно может служить индикатором тока заряда.
Чем ярче светит лампа, тем выше ток заряда, со временем можно приспособиться к оценке "на глаз". Первичная обмотка трансформатора должна быть по-прежнему рассчитана на напряжение 220 В, а вторичная - на вдвое более высокое напряжение. До нужного напряжение будет снижено балластной лампой 220 В 200 Вт в первичной обмотке, либо же 24 В аналогичной мощности во вторичной обмотке.
Мощность лампы потребует подбора под тип аккумулятора и желаемый ток заряда, желательно включение в цепь заряда амперметра и вольтметра.
Надеемся, что при всей "отстойности" изложенного материала (ведь сейчас все просто - купил ЗУ и подключил, все остальное сделает автоматика), материал поможет понять и расшить трудные вопросы совместной работы аккумулятора и ЗУ.
Во всяком случае, я эти вопросы постигал на практике, собрав в детстве ЗУ для семейного автомобиля на базе раскуроченного селенового выпрямителя, соединив его шайбы параллельно вместо существовавшего последовательного соединения, а трансформатор намотав на найденный в канаве сердечник от сварочного трансформатора. Жутко гудел, поскольку сердечник не удалось хорошо стянуть, но работал исправно.
