Назначение
Предлагаемое в публикации зарядное устройство (ЗУ) автоматически реализует рекомендуемый фирмами-производителями оптимальный алгоритм зарядки герметичной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи напряжением 12 В, в процессе которой батарея получает полный заряд и сохраняется в этом состоянии без перезарядки, что обеспечивает длительный срок её службы.
Схема построена на доступных деталях и отличается простотой. ЗУ может быть использовано и для зарядки негерметичных, в том числе автомобильных аккумуляторных батарей.
Этапы зарядки
Алгоритм зарядки состоит из трёх этапов. На первом этапе, когда батарея частично или полностью разряжена, допустимо проводить зарядку относительно большим током, достигающим 0,1…0,2С, где С – численное значение ёмкости аккумулятора в ампер-часах. Однако зарядный ток должен быть ограничен сверху указанным значением или стабилизирован.
По мере накопления заряда возрастает напряжение на клеммах батареи. Это напряжение должно быть под контролем. В момент достижения уровня 14,4...14,6 В первый этап завершён.
На втором этапе необходимо поддерживать постоянным достигнутое напряжение и контролировать зарядный ток, который будет снижаться.
В момент, когда батарея наберёт не менее 80 % заряда и зарядный ток упадёт до 0,02С необходимо перейти к третьему, заключительному этапу – уменьшить напряжение и поддерживать его на уровне не выше 13,8 В.
Зарядный ток, снижаясь достигает значения 0,002…0,01С и стабилизируется на этом уровне. Такой ток для батареи не опасен: считают, что он компенсирует саморазрядку, а поддерживаемый уровень напряжения не допустит перезарядки.
В таком режиме батарея может находиться неограниченное время без вреда для себя и всегда готова к применению.
Все указанные уровни напряжения соответствуют температуре батареи 20°С. Во время зарядки батареи по этому алгоритму к ней не должна быть подключена нагрузка.
Схема электрическая
Схема представляет собой комбинированный стабилизатор тока и напряжения. Батарею заряжает выходной ток микросхемы DA1 – стабилизатора напряжения.
Для изменения выходного напряжения стабилизатора между выводом 2 DA1 и общим проводом устройства включена цепь диодов VD7…VD18 и подстроечный резистор R13.
Резисторы R11, R6 и R2 – датчики тока для первого, второго и третьего этапов зарядки соответственно.
На первом этапе большой зарядный ток протекая по датчикам тока вызывает падение напряжения на них, достаточное для открывания транзисторов VT1, VT2 и VT5.
Транзисторы VT3 и VT6 также открыты. Только транзистор VT4 закрыт. Все светодиоды VD1, VD3 и VD5 включены.
Транзисторы VT5, VT6 и микросхема DA1 стабилизируют зарядный ток на уровне 0,6 B/R11. По мере зарядки батареи напряжение на ней возрастает, а ток через транзистор VT6 уменьшается.
Когда транзистор VT6 будет закрыт устройство выйдет из режима стабилизации тока. С этого момента зарядный ток начнет уменьшаться, транзистор VT5 закроется, светодиод VD5 погаснет, сигнализируя о завершении первого и начале второго этапов зарядки.
В начале второго этапа зарядки транзисторы VT1…VT3 открыты, a VT4…VT6 закрыты. Зарядка батареи осуществляется при постоянном напряжении, равном сумме напряжения стабилизации микросхемы DA1, падения напряжения на диодной цепи VD7…VD18 и резисторе R13.
Это суммарное напряжение должно быть в пределах 14,4...14,6 В. Ток зарядки плавно уменьшается. Когда его значение становится недостаточным для того, чтобы падение напряжения на датчике тока – резисторе R6 поддерживало транзистор VT2 в открытом состоянии, этот транзистор закрывается, транзистор VT3 также закрывается, а транзистор VT4 открывается и входит в насыщение. Светодиод VD3 гаснет, сигнализируя о завершении второго этапа зарядки.
На третьем этапе зарядки открытый транзистор VT4 шунтирует диод VD7, поэтому напряжение скачком уменьшается до суммы напряжении стабилизации микросхемы DA1, падения напряжения на диодах VD8…VD18 и резисторе R13, которая не должна превышать 13,8 В.
Зарядный ток также скачком уменьшается и продолжает уменьшаться далее. Когда ток зарядки становится недостаточным для того, чтобы падение напряжения на датчике тока – резисторе R2 поддерживало транзистор VT1 в открытом состоянии, этот транзистор закрывается, светодиод VD1 гаснет, сигнализируя о завершении третьего этапа и процесса зарядки в целом.
Батарея может и далее безопасно находиться во включенном зарядном устройстве неограниченное время.
Аккумулятор имеет отрицательный температурный коэффициент напряжения, равный -4 мВ/°С. ТКН прямосмещенного диода также отрицательный -2 мВ/°С. Поэтому цепь из диодов автоматически обеспечивает температурную компенсацию батареи.
Диоды VD2 и VD4 ограничивают падение напряжения на датчиках R2 и R6 во время протекания большого тока. Продолжительность этапов и всего процесса зависит от уровней тока, которые определяются сопротивлениями датчиков.
Источник питания может быть любым, обеспечивающим при максимальном токе зарядки напряжение 22…25 В, которое может быть нестабилизированным.
Конструкция, детали и наладка
Чертёж печатной платы для схемы показан на рисунке выше.
В устройстве диоды VD1 и VD4 – мощные кремниевые выпрямительные рассчитанные на максимальный ток за рядки. Диоды VD7…VD18 – любые кремниевые, например, можно применить Д220, Д223, КД102, КД103 КД522.
Датчики тока – резисторы R6, R11, R2 могут быть самодельными из отрезка нихромовой проволоки диаметром 1 мм, длину которой подбирают в процессе налаживания.
Диоды VD7…VD18 необходимо разместить дальше от источников тепла. Микросхема DA1 установлена на теплоотводе площадью 150 см^2 (из расчёта 20 см^2 на ватт рассеиваемой мощности).
Для наладки ЗУ ко входу подключают блок питания, а вместо аккумуляторной батареи к выходу ЗУ через амперметр подключают реостат или иную нагрузку, сопротивление которой можно плавно регулировать.
Вначале нужно подобрать сопротивление датчиков тока. При плавном уменьшении сопротивления нагрузки должны последовательно загораться светодиоды VD1, VD3, VD5. Когда включены все светодиоды ток через нагрузку должен быть стабилизирован.
Сопротивление резистора R11 подбирают так, чтобы ток стабилизации был равен максимальному току зарядки (0,1C). Подбору резистора R6 препятствует скачок тока, затрудняющий точное измерение тока. Поэтому нужно временно устранить этот скачок установив замыкающую перемычку между базой и эмиттером транзистора VT4.
Далее подбирают сопротивление резистора R6 так, чтобы светодиод VD3 загорался при токе нагрузки 0,02С. После этого снимают перемычку между базой и эмиттером транзистора VT4. В последнюю очередь подбирают сопротивление резистора R2 так чтобы светодиод VD1 включался при токе нагрузки 0,004С.
Если изготовляемое ЗУ пред назначено для использования с АБ ёмкостью 7,5 Ач и проверкой установлено соответствие сопротивлении датчиков R2, R6, R11 значениям, указанным на схеме, этот этап налаживания можно опустить.
Затем устанавливают требуемые уровни напряжения стабилизации третьего и второго этапов зарядки. К выходу ЗУ подключают вольтметр и нагрузочный резистор сопротивлением 180…200 Ом и мощностью 2 Вт (обеспечивающий ток около 0,01 С). Должен гореть один светодиод VD1. Напряжение на нагрузке (третьего этапа) устанавливают движком подстроечного резистора R13 в пределах 13,7…13,8 В.
Точность напряжения второго этапа не так критична, она обычно обеспечивается автоматически включением в работу диода VD7. Надо лишь убедиться, что напряжение находится в пределах 14,4...14,6 В, подключив к выходу ЗУ резистор сопротивлением 30…50 Ом и мощностью 10 Вт (ток около 0,05С светятся VD1 и VD3) и проверив напряжение на нем.
Максимальный выходной ток микросхемы DA1 (2 А) позволяет заряжать батареи ёмкостью до 20 Ач. Если необходимо заряжать батареи большей емкости следует «умощнить» микросхему DA1 внешним рnр транзистором. При использовании внешнего транзистора КТ818АМ выходной ток может достигать 15 А, что позволяет заряжать батареи ёмкостью до 150 Ач.
Поскольку электрохимический процесс во всех свинцово кислотных аккумуляторах один и тот же, описанное устройство можно использовать и для зарядки негерметичных аккумуляторных батареи, в том числе автомобильных.