В этой статье обсудим, как самому сделать зарядное имея в наличии импульсный блок питания (ИБП). Обычный понижающий трансформатор тоже подойдет. Но ИБП подойдет лучше так как легкий, компактный, мощный. В любом ИБП по умолчанию есть защита от замыкания, входное напряжение обладает широким питающим диапазоном. У трансформатора таких прелестей нету.
Прежде чем делать и думать о схеме, надо бы написать желаемые требования к зарядному устройству (ЗУ).
1. Плата должна работать и от ИБП и от обычного понижающего трансформатора. Но в случае выбора трансформатора еще придется устанавливать диодный мост, а он будет греться и сглаживающие конденсаторы и это все тоже займет не мало места.
2. Должна быть стабилизация напряжения, то есть зарядное должно знать сколько вольт на заряжаемом АКБ и до какого напряжения батарею надо заряжать. Ни больше ни меньше. Такой режим по умному называется CV или Сonstant Voltage
3. Должна быть стабилизация тока. Зачем это надо? Напряжение на батарее в процессе заряда будет расти, это приведет к тому что изначальный выставленный зарядный ток будет падать. Во-первых это растянет по времени сам процесс заряда, во-вторых ток все таки падать должен, но в нужный момент времени, а не сразу после начал заряда. Чтобы ток не падал когда не надо, наше зарядное должно быть в первую очередь источником тока, то есть уметь увеличивать или уменьшать напряжение на клеммах для поддержания нужного тока. Данная фишка и называется стабилизация тока CC или Сonstant Current.
4. Когда заряд закончен, должно произойти отключение АКБ от зарядника. Все зарядные процессы должны быть остановлены и батарея отключена. Все должно быть безопасно. Зарядное должно быть таким, чтоб его можно было оставить без присмотра.
5. Максимальный ток заряда до 10А. Для автомобильных АКБ достаточно и до 5А за глаза. Но если есть запас, ведь это не плохо.
6. Режим хранения батареи. Зачем? Лично я не езжу зимой на авто, ставлю в гараж на зиму. Но гараж находится на даче за 30 км. Пешком не прогуляешься. Если в таком режиме просто оставить АКБ в автомобиле, то за пару месяцев ей будет ахтунг. Глубокий разряд и как следствие сульфатация, потеря емкости. При наличии режима хранения, зарядник раз в неделю током в 1А будет подзаряжать АКБ.
7. Аварийный таймер. Зачем и что это ? В идеале во время заряда напряжение на АКБ должно подняться до определенной величины, далее ток падает до определенного минимума в целом до 0.3А и на этом заряд считается закончен. Но на практике батареи бывают с различными неисправностями и с разным поведением во время заряда, не всегда ток хочет падать , иногда останавливается на 1А или больше. Бывает напряжение не поднимается так как одна банка крякнутая, в общем хватает нюансов. В таком случае по истечении определенного времени заряд просто отключается так как дальше нет смысла заряжать батарею. Таймер рассчитан от 1 до 300 часов. Нужное время пользователь сам выбирает в меню зарядника.
8. Наличие дисплея, на котором будут отображаться все процессы, напряжение, ток, влитые ампер часы. Процент заряда. Все это подразумевает использование микроконтроллера в схеме. На двух трех транзисторах адекватный современный зарядник не сделать.
9. На данный момент в продаже есть АКБ старого типа обычные сурьмянистые, которые заряжаются по классике до 14.4 вольта. Есть СА/СА их заряжают до более высокого напряжения, кто то до 14.4, кто то до 15 вольт, есть кто до 16.2 вольта. Каждый решает сам. Существуют батареи и на 6 вольт. Неплохо чтоб наш зарядник мог заряжать все эти типы батарей, плюс и LiOn тоже. Напряжение до которого будет заряжаться батарея пользователь сам выбирает в меню. Все настройки зарядника должны сохраняться и не сбрасываться после отключения питания.
10. Должна быть защита от неправильной полярности при подключении АКБ и отсутствие напряжения на клеммах зарядника при отключенной батарее. Я считаю что этот пункт вообще должен быть в любом современным заряднике по умолчанию.
Данные требования к заряднику предполагают не самую простую схему, но мы этого не боимся, правда ? На самом деле использование в схеме микроконтроллера (МК) позволяет сильно упростить схему убрав оттуда кучу деталей. Вся логика и расчеты происходят в прошивке МК, один раз сел написал прошивку и все.
А сейчас настало время рассмотреть схему. По ссылке под статьей будет выложен пакет документации для данной схемы, плата, гербера для заказа схемы и пр.
Схема состоит из двух частей. Цифровая и аналоговая. Цифровая это МК и все что его окружает (дисплей, энкодер) и аналоговая это операционный усилители (ОУ) и все что их окружает (резисторы, конденсаторы).
ОУ 2.1 измеряет напряжение на АКБ и следит за тем, подключена ли АКБ согласно нужной полярности. Измерение напряжения на АКБ происходит по дифференциальной схеме, соотношение 1:4. Если на батарее будет 14.4 вольта, то на выходе ОУ будет 14.4 / 4 = 3.6В. Данное напряжение с выхода ОУ 2.1 поступает на АЦП МК и далее уже в прошивке идет обработка данных. Если АКБ подключена с неправильной полярностью, то на выходе ОУ будет ноль вольт и МК будет думать, что батарея вообще не подключена и не даст включится реле, даже если крутить энкодер. Так работает защита от неправильной полярности. Подстроечником R11 можно настроить точность показания напряжения АКБ на дисплее.
ОУ 6.2 управляет полевым транзистором Q2 изменяя его сопротивление, таким образом регулируется ток в цепи заряда. На ОУ 6.2 вывод 5 подается напряжение с МК от 0 до 5 вольт. Данное напряжение задает какой будет ток в цепи заряда. При максимальном 5 вольт ток заряда будет 10А. При 2.5 В ток будет 5А и т.д. А как ОУ 6.2 знает какой ток установился в цепи заряда и что пора прекратить открывать транзистор? Информацию об этом он получает с выхода ОУ 6.1 на свой вход 6.
ОУ 6.1 измеряет напряжение с токоизмерительного шунта R24. Схема дифференциальная с усилением в 50 раз. При токе в 10А на шунте будет 0.1В. Итого 0.1 * 50 = 5В будет на выходе ОУ 6.1 при токе заряда в 10А. Данное напряжение с выхода ОУ 6.1 так же поступает и на АЦП МК.
В состоянии покоя схемы на выходе ОУ 6.1 должно быть 0В. Достигается это подбором резистора R20.
Компоненты С21, С23, BAT54S создают отрицательное напряжение примерно -3 вольта для питания всех ОУ. Это нужно чтоб на ОУ напряжение могло достигать размаха в минимуме до 0 вольт.
Подстроечником R27 можно регулировать усиление ОУ 6.1 и добиться точности показания тока на дисплее зарядника. При его вращении будет меняться зарядный ток, а не само показание на дисплее.
С помощью резисторов R30 и R31 МК знает какое напряжение блока питания. Зачем ? Затем чтоб можно было управлять величиной напряжения питания, платы если плата питается от импульсного источника питания. Для этого конечно надо немного переделать сам импульсный блок, поменяв всего три резистора в цепи обратной связи, поверьте это не страшно. При желании этого можно не делать, но тогда КПД платы будет ниже (сильнее будет греться силовой транзистор Q2). Если плату запитать от обычного понижающего трансформатора, то естественно ни о какой регулировке напряжения на входе платы речи быть не может.
Схема у нас линейная, и как известно линейные схемы простые и надежные, но их КПД не очень. Все лишнее уходит в нагрев атмосферы. Какое КПД нашей платы? Это зависит от входного напряжения питания платы. Пусть на батарее напряжение 12 вольт и мы влупили 10А. Питание платы 17 вольт. 17*10=170Ватт, 12*10=120Ватт, (120/170)*100=70.5%, если питание платы 20 вольт, то КПД уже будет 60% и 80Ватт тепла уйдет в нагрев транзистора Q2. Ну так себе... Поэтому напряжение питание желательно должно быть минимально допустимое. А теперь пусть напряжение питания платы будет 12.5 вольт, тогда КПД будет уже 96%, а это уже сопоставимо с неплохими импульсными DC/DC преобразователями. Вот поэтому у этой схемы есть возможность увеличить КПД с помощью регулировки напряжения на выходе импульсного блока питания через оптрон на схеме EL817. Этой фишкой можно пользоваться, а можно и нет. Если да, то схема будет компактная, легкая, нагрев минимальный. Как на фото ниже.
Q2 можно прикрутить прямо к самому импульсному блоку питания (через изоляционную прокладку), так как его нагрев минимален. При таком раскладе не нужен охлаждающий вентилятор и радиатор для охлаждения транзистора.
Вопросы по схеме и предложения в комментарии или пишите мне в Телеграмм. Подробности сборки в видео.
Ссылка на документацию и гербера
Связь с автором через Телеграмм
Заказать плату можно здесь
