Эта схема используется для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Она также может работать с аккумулятором в качестве буферного источника питания, обеспечивая бесперебойное питание устройств. Представленная конструкция обладает рядом ценных функций, которые редко встречаются в зарядных устройствах.
Прежде всего:
1. Не допускает перезарядки аккумулятора. Когда аккумулятор полностью заряжен, зарядный ток падает до значительного значения, поэтому даже многодневная зарядка ни чего плохого аккумулятору не будет.
2. Зарядный ток можно легко отрегулировать в соответствии с емкостью батареи.
3. Отключение сетевого напряжения во время зарядки не приведет к быстрой разрядке аккумулятора — ток разряда в этом случае составит около 2,5 мА.
4. Не боится короткого замыкания выходных клемм зарядного устройства. Примененное схемное решение означает, что с такими крайне неблагоприятными ошибками ничего страшного не происходит, а ток «короткого замыкания» имеет величину единиц миллиампер. Простой предохранитель, установленный на выходе, этого точно не обеспечит.
5. Двухцветный светодиод показывает рабочее состояние, а изменения цвета с красного на зеленый отражают процесс зарядки. Все эти функции реализованы в очень простой схеме, содержащей небольшое количество компонентов. Зарядное устройство оптимизировано для небольших аккумуляторов (гелевых) напряжением 12В и емкостью 1 ... 30Аh.
Схема представляет собой источник постоянного тока с регулируемым выходным напряжением и встроенным ограничителем тока. Когда напряжение батареи ниже, чем установленное напряжение блока питания, срабатывает ограничитель тока, и батарея заряжается до заданного значения. Когда напряжение аккумулятора повышается до установленного напряжения источника питания, зарядный ток постепенно уменьшается. Такой метод зарядки рекомендован производителями аккумуляторов.
Регулировка напряжения осуществляется с помощью TL431, популярной в течение многих лет вот на рисунке «а».
Как показано на рисунке «b», практически работает как обычный NPN-транзистор, только пороговое напряжение эмиттер-база составляет не около 0,6В, а 2,5В. Хотя на схемах условным обозначением стабилизатора TL431 по праву является стабилитрон, тем не менее, как и в транзисторе, если напряжение на входе ниже порогового напряжения (2,5В), «коллекторный» ток не протекает, и, если напряжение на этом выводе повышается до порогового значения, «коллекторный» ток будет течь через стабилизатор от вывода, помеченного K (катод), к A (анод).
«Коэффициент усиления по току» этого необычного транзистора очень велик — ток «базы» (Iref) в условиях эксплуатации составляет около 2 мкА, но в данном случае это не важно. Ненамного важнее тот факт, что «напряжение насыщения», то есть самое низкое напряжение между «коллектором» (K) и «эмиттером» (A), никогда не будет меньше примерно 2В. Фактически, стабилизатор TL431 содержит 12 транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов на рисунке выше «c» показана очень упрощенная внутренняя схема.
Часть схемы, приведенная на рисунке, поможет понять принцип работы схемы стабилизации напряжения. Если напряжение заряжаемой батареи низкое, меньше номинального напряжения, напряжение на резисторе RE меньше порогового напряжения U1 (2,495В ± 55 мВ). Ток через стабилизатор U1 не течет. С другой стороны, ток протекает через транзистор TA, который работает здесь в схеме с общей базой. Напряжение на нем фиксировано и составляет половину напряжения аккумулятора. Резисторы RD, RE подобраны таким образом, чтобы напряжение на RF было высоким, несколько вольт, что гарантирует открытие транзистора MOSFET T1. Зарядный ток протекая через батарею и транзистор T1, и напряжение на батарее постепенно увеличивается.
Если напряжение батареи увеличивается, напряжение на резисторе RE также увеличивается. Когда оно поднимется до порогового значения, через стабилитрон U1 будет протекать ток. Этот ток вызовет дополнительное падение напряжения на резисторе RC. Напряжение в точке А упадет, поэтому транзистор ТА будет закрыт (его ток уменьшится). Более низкий ток вызовет меньшее падение напряжения на резисторе RF, что приведет к закрытию транзистора T1 и уменьшению тока заряда, так что напряжение батареи не возрастет.
Такое решение не позволяет чрезмерно увеличивать напряжение аккумулятора, но не ограничивает зарядный ток. Однако достаточно добавить резистор RS небольшого номинала и один транзистор, как показано на рисунке.
Значение резисторов RS определяет ток зарядки. Когда ток увеличиться, напряжение на резисторе RS увеличивается до значения порогового напряжения транзистора (около 0,6В), транзистор TB открывается (также работает в схеме с общей базой), напряжение на резисторе RA и, следовательно, на RC снижается. В результате ток транзистора TA уменьшается, и транзистор T1 закрывается, чтобы поддерживать постоянным ток через резистор RS и батарею.
Следует отметить, что такая схема не является классическим блоком питания, потому что без аккумулятора она не запустится после включения блока питания. Без аккумулятора в первый момент после включения сетевого напряжения транзистор T1 закрывается и не откроется, потому что для этого нужен чтобы протекал ток через транзистор ТА.
И ток не будет течь через транзистор ТА, пока не откроется транзистор Т1. Это имеет важные практические последствия и является чрезвычайно ценным преимуществом зарядного устройства. Среди прочего, это означает, что, если выходные клеммы закорочены (без батареи), ток вообще не будет течь, несмотря на короткое замыкание. Даже когда клеммы разомкнуты, без аккумулятора.
В конце концов, напряжение на выводах не появится. Условием начала работы является подключение «внешнего» напряжения аккумуляторной батареи. Напряжение батареи выше 6В позволит транзистору Т3 и Т1 работать. Это означает, что схему нельзя использовать для «реанимации» полностью разряженных аккумуляторов. Из-за разряженной батареи ток не течет, и для его «запуска» обычно используется источник напряжения намного выше 15В и резистор соответствующей мощности. Батарею необходимо подключить на несколько часов в надежде, что она восстановит хотя бы часть своей первоначальной емкости.
Схему, приведенную на рисунке выше можно использовать в качестве зарядного устройства, но стоит немного добавить дополнительные функции. Принципиальная схема окончательного варианта представлена на рисунке.
Для регулирования зарядного тока предусмотрено несколько резисторов RS. Дополнительный диод Шоттки D8 позволяет снизить необходимое падение напряжения на последовательном резисторе RS с 0,6В до примерно 0,3В, что снижает потери мощности в сопротивлении RS и позволяет использовать типовые резисторы с сопротивлением 0,47 Ом ... 1 Ом. Дополнительный резистор R1 немного увеличивает ток, протекающий через D8, и обеспечивает на нем падение напряжения около 0,3В.
Индикация состояния зарядки выполнена на двухцветном светодиоде D10. Во время зарядки оба диода светятся, поэтому цвет свечения похож на оранжевый. Если напряжение батареи достигает значения, установленного с помощью потенциометра PR1, напряжение на R5 увеличится, транзистор T5 откроется, а T6 закроется. Красный светодиод погаснет.
Зеленый цвет D10 означает только то, что схема больше не работает в режиме ограничения тока и поддерживает заданное напряжение на клеммах аккумулятора. Хотелось бы добавить, что ограничитель тока больше не работает, батарея еще не будет полностью заряжена, а заряд составит 75 ... 80% от номинальной мощности. Для полной зарядки аккумулятор необходимо оставить в зарядном устройстве не менее двух ... трех часов (можно оставлять его на любое время). Хотя зеленый свет не означает, что он полностью заряжен, его индикация очень полезна, поскольку позволяет оценить состояние аккумулятора.
Если зеленый индикатор загорелся после очень короткого времени зарядки или даже сразу после подключения аккумулятора, это означает, что аккумулятор находится в очень плохом состоянии у него высокое внутреннее сопротивление. В любом случае это указывает на необходимость более внимательного изучения проблемы. В любом случае, когда сетевое напряжение включено, а аккумулятор не подключен, то будет гореть только красный светодиод, указывающий на отсутствие аккумулятора. Схема зарядного устройства может быть собрана на печатной плате, представленной на рисунке.
Ток зарядки следует выбирать в соответствии с емкостью заряжаемого аккумулятора. Это очень просто. Чтобы получить необходимый ток, нужно установить необходимое количество резисторов сопротивлением 1 Ом. Один резистор RS номиналом 1 Ом обеспечивает ток зарядки около 0,15А. Например, для батареи 2Ач максимальный зарядный ток составляет 0,6А (0,3 * 2), поэтому необходимо добавить четыре резистора RS 1 Ом.
При зарядке разряженного аккумулятора напряжение на нем увеличится, но через некоторое время стабилизируется на значении, определяемом сопротивлением PR1. Используйте потенциометр PR1 для выбора конечного напряжения зарядки. Если зарядное устройство будет работать в режиме бесперебойного буферного питания (постоянно включено и подключено к аккумулятору), то конечное напряжение должно быть установлено при помощи PR1 примерно на 13,8В (13,5 ... 13,8В), что соответствует рекомендованному.
При циклической работе (чередование зарядки и разрядки) конечное напряжение на аккумуляторе должно составлять около 15В (14,4 ... 15В). Здесь значение напряжения не критично. Чем выше напряжение, тем быстрее будет заряжаться аккумулятор. Однако если оставить аккумулятор постоянно под напряжением более 15В, это может сократить срок его службы.
Устанавливать соответствующее количество резисторов RS 1 Ом и настраивать потенциометр PR1 - единственные необходимые настройки. Однако следует помнить, что установить напряжение без батареи невозможно. Настройка на нормальный рабочий режим после подключения и полной зарядки аккумулятора. Транзистор T1 необходимо установить на подходящий радиатор. Его размер будет зависеть от зарядного тока и напряжения трансформатора. При установке 12 резисторов сопротивлением 1 Ом дадут максимальный ток 2А.
При таком токе потери мощности могут достигать нескольких ватт, что потребует большего радиатора. При выборе зарядного тока следует помнить, что он не должен превышать числовое значение 0,3С (С - емкость аккумулятора в ампер-часах). При 0,3С время полной зарядки составит около 6 часов.
Величина зарядного тока определяет результирующее сопротивление резисторов RS1 ... RS4. На принципиальной схеме показано четыре резистора RS. На плате четыре группы, что позволяет паять всего до 12 резисторов. Этот метод был использован специально, потому что он позволяет очень просто выбрать зарядный ток. Благодаря использованию диода D7 удалось значительно снизить мощность, рассеиваемую на этих резисторах, и можно использовать популярные резисторы с мощностью 0,25 Вт.
Используемый силовой трансформатор должен иметь номинальное (переменное) напряжение в пределах 12 ... 15В. Его мощность будет зависеть от необходимого зарядного тока. Мощность трансформатора должна быть как минимум на 50% выше, чем мощность, полученная путем умножения зарядного тока на напряжение 15В. Вместо цепи резисторов RS можно использовать переключатель, позволяющих изменять ток в последовательности 1А 0,5А 0,25А-0,125А.
