Одними из самых популярных схем среди радиолюбителей до сих пор являются зарядные устройства для свинцово-кислотных аккумуляторов. В этой статье представлена на мой взгляд интересная схема. Зарядное устройство имеет средний зарядный ток до 10 А, поэтому его можно использовать для подзарядки аккумуляторов емкостью до 100Ач за приемлемый интервал времени. Принципиальная схема варианта зарядного устройства представлена на рисунке.
Для упрощения схемы не показан сетевой трансформатор, обмотки которого подключены к входным разъемам U6 и U7. Зарядное устройство работает в импульсном режиме. В результате этого, размер радиатора для управляющего транзистора можно установить меньшего размера. Зарядное устройство полностью автоматическое и дополнено индикацией уровней зарядки светодиодами разных цветов.
Зарядное устройство оснащено вентилятором для улучшения температурного режима внутри зарядного устройства. Средний зарядный ток можно установить от нуля до 10А, независимо от напряжения подключенного аккумулятора. По достижении полной зарядки, зарядка завершается, и аккумулятор отключается от зарядного устройства. Когда напряжение аккумулятора падает, зарядка возобновляется снова, но в режиме зарядки меньшим током. Этот цикл периодически повторяется, и аккумулятор остается полностью заряженным.
Сетевой трансформатор имеет одну первичную и две вторичные обмотки. Первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение 230 В / 50 Гц. Вторичная обмотка имеет напряжение холостого хода от 16 до 18В и должна обеспечивать ток не менее 10А. Вспомогательная обмотка имеет напряжение холостого хода от 12 до 14В и рассчитана на ток около 0,2А. В макете использовался трансформатор на тороидальном сердечнике.
Напряжение от силовой вторичной обмотки поступает на входной разъем U6 зарядного устройства. Это переменное напряжение затем выпрямляется диодным мостом U5. Мост прикручен к алюминиевому радиатору, и гальваническая развязка от силового транзистора T1 не требуется. Выпрямленное напряжение питания фильтруется электролитическими конденсаторами C2 и C2A, каждый из которых имеет емкость 10 000 мкФ. Также возможно использование четырех конденсаторов емкостью 4700 мкФ, для которых предусмотрено место на печатной плате.
Положительный вывод выходного разъема U4 подключен к положительному полюсу конденсатора C2. Предохранитель и амперметр устанавливается в разрыв соединения от положительной клеммы разъема U4 к положительной выходной клемме зарядного устройства, которая находится на передней панели, для измерения тока зарядки.
Напряжение питания для цепей управления снимается с конденсатора C2 через разделительный диод D1. Затем напряжение фильтруется конденсатором C3 и устанавливается требуемое значение +9В при помощи стабилизатора IO1. Опорное напряжение +6В получаем из напряжения +9В с помощью другого стабилизатора IO2.
Схема управления содержит четыре операционных усилителя (ОУ) микросхема LM324, содержащихся в одном корпусе IO3. Отдельные операционные усилители включены как монитор напряжения (103/2 с вывод 5 и 7), неинвертирующий суммирующий усилитель (IO3 / 3 выводы 8 и 10), компаратор (IO3 / 1 вывод 1 и 3) и регулируемый усилитель (IO3 / 4 выводы 12–14).
Затвор силового транзистора MOSFET T1 BUZ11 подключен к выходу компаратора IO3 / 1, которым коммутируется зарядный ток. На практике было выявлено, что без проблем можно использовать только один силовой транзистор BUZ11, который благодаря неплохим переключаемым свойствам и низкому сопротивлению даже больше подходит для этого применения, чем использование пары транзисторов IRF540. Основная цель применения этих типов транзисторов заключалась в разумном снижении затрат на создание импульсного зарядного устройства. Транзистор T1 снабжен радиатором, который обдувается вентилятором.
В исток транзистора Т1 включен шунт R35, который состоит из двух резисторов мощностью 5 Вт. Прохождение зарядного тока создает на шунте падение напряжения, которое усиливается и фильтруется управляемым регулируемым усилителем IO3. / 4 элементы R10, R11, C7, R13, R34 и C8. Сток транзистора T1 подключен к отрицательной клемме выходной клеммной колодки U4.
Транзистор T1 управляется через резистор R9 компаратором IO3 / 1, который одновременно заряжает и разряжает конденсатор C6 через резистор R8. Конденсатор C6 заряжается, когда на выходе IO3 / 1 присутствует положительное напряжение насыщения (т. е. напряжение примерно на 1,4В меньше положительного напряжения питания операционного усилителя I03), которое управляет транзистором T1 и током зарядки.
Полное напряжение с выхода IO3 / 3 подается на инвертирующий вход компаратора IO3 / 1. На неинвертирующий вход компаратора подается напряжение от 0 до 6В с потенциометра P1, который устанавливает необходимое среднее значение зарядного тока. Компаратор имеет гистерезис, создаваемый резисторами R2 и R3. Если напряжение на неинвертирующем входе компаратора превышает установленное напряжение с бегунка потенциометра P1, выход компаратора упадет до низкого уровня, транзистор T1 выключится и ток зарядки будет прерван.
Когда напряжение на конденсаторе C6 падает настолько, что напряжение на инвертирующем входе компаратора падает ниже установленного уровня напряжения с ползунка P1, выход компаратора переключается обратно в состояние положительного насыщения. Изменения состояния выхода компаратора периодически повторяются.
На выходе компаратора присутствует прямоугольный сигнал, скважность которого меняется в зависимости от величины зарядного тока. В процессе регулирования аккумулятор постоянно подключается и отключается от источника питания постоянного тока. При значениях, элементов R8 и C6 по схеме и сдвиге 1: 1 частота переключения составляет около 90 Гц. Это управление позволяет регулировать зарядный ток в широком диапазоне. Однако, если выходные клеммы закорочены, выходной ток примерно на 50% выше установленного зарядного тока.
В зарядном устройстве есть защита, которая запускает или прекращает зарядку, когда напряжение аккумулятора превышает установленный предел. Это также защищает зарядное устройство в случае короткого замыкания на выходе и в случае обратной полярности аккумулятора. Состояние схем защиты и, следовательно, общее состояние заряда аккумулятора отображается двухцветным светодиодом D5 (красный / зеленый) и оранжевым светодиодом D6.
Цепи защиты питаются от вспомогательной вторичной обмотки трансформатора, который подключен к входной клеммной колодке U7. Напряжение переменного тока с клеммной колодки U7 выпрямляется диодами D3 и D4, сглаживается конденсаторами C9 и C10 и стабилизируется стабилизаторами IO4 и IO5. На выходе стабилизаторов получаем симметричное напряжение питания ± 12В, общая клемма которого (виртуальная земля) подключена к положительной выходной клемме зарядного устройства. Включенное сетевое напряжение отображается синим светодиодом D7, который подключен к выходу стабилизатора IO5.
Зарядка обеспечивается в том случае, если аккумулятор правильно подключен к выходным клеммам зарядного устройства и имеет минимальное начальное напряжение (примерно от 6 до 8 В). Когда аккумулятор подключен без этого минимального начального напряжения, защита немедленно среагирует и не позволит зарядить. Следовательно, необходимо отключить эту защиту на один час работы зарядного устройства, например, выключателем, который отключает вспомогательную вторичную обмотку трансформатора от клеммной колодки U7.
После часа зарядки разряженного аккумулятора без защиты будет достаточное начальное напряжение. Затем отключите аккумулятор от зарядного устройства, включите питание схем защиты и снова подключите аккумулятор. Тогда зарядка работает с защитой.
Напряжение с отрицательного полюса аккумулятора через разделительные диоды D10 и D14 подается на компараторы IO7/1 (выводы 1–3) и IO7/2 (выводы 5–7), с помощью которых управляются схема защиты. Установленный гистерезис в компараторах резисторами R19 и R30, не приводит к срабатыванию защиты при небольших изменениях напряжения на их входах. Гистерезис вызывает более медленную реакцию на текущие события с задержкой по времени. Диоды D9 и D11 и конденсаторы фильтра C11 и C12 подключены к компараторам для защиты от скачков напряжения.
Компаратор IO7/1 сравнивает отрицательное напряжение от аккумулятора, уменьшенное делителем на резисторах R25 - R27, с опорным напряжением -5В, которое подается на неинвертирующий вход IO7/1 через R18 от стабилизатора IO6. Если аккумулятор имеет напряжение в диапазоне примерно от 8 до 16,5В, выход IO7/1 сбрасывается до отрицательного насыщения, и аккумулятор заряжается требуемым током. В этом состоянии загорается зеленый светодиод D5, что указывает на зарядку.
Когда батарея полностью заряжена примерно до 16,5В (можно установить требуемое) после полной зарядки батареи, напряжение на инвертирующем входе компаратора IO7/1 превышает опорное напряжение на неинвертирующем входе IO7/1, и выход IO7/1 переходит в положительное насыщение. Транзистор T2 замыкается через диод D2 и оптопару U1, которая заземляет неинвертирующий вход компаратора IO3/1 и, таким образом, прерывает зарядку. Об этом состоянии сигнализирует загорание красного светодиода D5, указывающее на окончание зарядки.
Если отрицательное напряжение от аккумулятора отсутствует, что может возникнуть при коротком замыкании выходных клемм зарядного устройства или после подключения полностью не заряженной аккумуляторной батареи, положительное напряжение питания от IO4 подается на инвертирующий вход IO7/1 через резисторы R29 и R18, который перекидывает выход IO7/1 на высокие логический уровень. В таком состоянии зарядка прерывается, и горит красный светодиод D5.
Двухступенчатая зарядка обеспечивается схемой на компараторе IO7/2. Пока напряжение батареи не достигает примерно 14,4В, напряжение на инвертирующем входе 6 IO7/2 меньше опорного напряжения -5В, подаваемого с IO6 на неинвертирующий вход 5 IO7/2, на выходе IO7/2имеем логический нуль и схема не применяется.
Когда напряжение батареи превышает 14,4В, выход IO7 / 2 переключается на логическую единицу (положительный уровень). Транзистор T3 соединен через разделительный диод D12 и оптопару U2, с помощью которой резистор R15 подключается к резистору R12. Это увеличивает коэффициент усиления управляемого регулируемого усилителя примерно в 2 раза и снижает ток зарядки примерно до половины установленной величины. Зарядка уменьшенным током сигнализирует включением желтого светодиода D6.
Охлаждение радиатора транзистора Т1 и компонентов в корпусе зарядного устройства решается просто. Управление скоростью вращения вентилятора основано на изменении температуры сопротивления термистора NTC R21 с номинальным сопротивлением 10 кОм. Также можно использовать термистор с более высоким сопротивлением, но тогда необходимо увеличить сопротивление регулирующего резистора P2.
При повышении температуры сопротивление термистора уменьшается, силовой полевой МОП-транзистор открывается, а скорость вращения вентилятора увеличивается. Когда температура падает, ситуация обратная. Стабильность регулирования скорости повышена за счет стабилизатора напряжения питания IO8.
Термистор может определять температуру внутри корпуса или может находиться на радиаторе, а затем определять температуру радиатора. Резистором P2 выставляем напряжение на управляющем электроде транзистора T4 при комнатной температуре так, чтобы T4 был слегка приоткрыт, а вентилятор VE1 вращался медленно. Но вот на этом все.