В гелевых батареях (SLA) электролит представляет гелевую основу. Как и с другими видами аккумуляторных батарей, чтобы получить максимально долгий срок службы SLA-батарей, требуется специальное обращение с ними.
Такие батареи должны регулярно подзаряжаться, естественно нежелательно допускать чрезмерного разряда или перезаряда. Если аккумулятор не используется длительное время, она саморазряжается.
Автоматическое зарядное устройство (ЗУ), рассматриваемое в данной статье, может использоваться с любым типом подобных батарей.
Трехрежимный метод заряда
Трехрежимное ЗУ (применяется в большинстве промышленных образцов) начинает процесс заряда аккумулятора подачей напряжения через ограничитель тока (500 мА).
Эта стадия заряда называется «объемной». По мере заряда аккумулятора напряжение на нём начинает возрастать. Когда напряжение на аккумуляторе достигнет 14,6 В, зарядное устройство будет поддерживать это значение напряжения на постоянном уровне и контролировать протекающий через аккумулятор зарядный ток.
Такой режим называется «поглощающий» или «режим сверхзаряда». К этому времени аккумулятор будет заряжен до 85%...90% его полной емкости.
Поскольку процесс заряда аккумулятора будет продолжаться, а напряжение оставаться постоянным (14,6 В), то заряжающий ток будет снижаться.
Когда протекающий через аккумулятор ток снизится до 30 мА, зарядка переключится в «холостой режим» – подаваемое на батарею напряжение снизится до 13,8 В.
При напряжении 13,8 В, батарея становится «самоограничителем», при этом будет поддерживаться зарядный ток, необходимый только для компенсации процесса саморазрядки аккумулятора.
Все вышесказанное справедливо при зарядке батареи без нагрузки. Как только вы подключите к заряжаемой батарее небольшую нагрузку (порядка 200 мА), ЗУ квалифицирует ток (более 30 мА) как ток потребляемый разряженной батареей, и перейдет в первый режим заряда, подав на аккумулятор напряжение 14,6 В. Оставленный в таком положении аккумулятор подвергается чрезмерному заряду, что сокращает срок ее службы.
Зарядное устройство на контроллере UC3906
ЗУ, использующие в качестве датчика контроля процесса заряда UC3906, работают аналогично трехрежимному зарядному устройству, за исключением того, что переключение из «холостого режима» в «режим сверхзаряда» основывается скорее на изменении напряжения, чем тока.
ЗУ не переключится из «холостого режима» в «режим сверхзаряда», пока не снизится на 10% (от напряжения «холостого режима») напряжение на аккумуляторе (приблизительно 12,4 В). Хотя такое ЗУ является, по сути, усовершенствованием трехрежимного зарядного устройства, однако имеет потенциальную опасность чрезмерного заряда батареи.
Почему надо беспокоиться о чрезмерной зарядке SLA-батарей? При напряжении 13,8 В аккумулятор становится самоограничителем и требуется небольшой ток подзаряда для компенсации внутреннего тока утечки (приблизительно 0,001 от номинальной емкости батареи, например 2,9 мА для аккумулятора емкостью 2,9 А/ч).
SLA-аккумулятор может оставаться в таком состоянии очень долгое время без опасений быть чрезмерно заряженным.
При напряжении 14,6 В аккумулятор потребляет больший ток, чем необходимо для компенсации тока утечки. При этом кислород и водород производится быстрее, чем они снова рекомбинируют, что приводит к возрастанию давления внутри корпуса батареи.
SLA-аккумулятор в пластмассовом корпусе, такой как PS-1229, имеет встроенный предохранительный клапан, который открывается при превышении давления и выпускает избыточные газы в атмосферу. В результате гелевый электролит высыхает, что приводит к сокращению срока службы батареи.
Как глубокий разряд, так и чрезмерный заряд следует избегать, если мы хотим обеспечить максимальный срок службы аккумулятора.
Принцип построения автоматического зарядного устройства
Чтобы избежать вероятности чрезмерного заряда батареи при использовании автоматического ЗУ оно выбирает необходимый режим заряда исходя из напряжения на клеммах аккумулятора. Ограничитель тока с порогом срабатывания 500 мА служит для ограничения максимального зарядного тока и защиты источника тока зарядного устройства (аналогично трехрежимному зарядному устройству, когда аккумулятор с низким напряжением ставят на заряд).
По мере зарядки аккумулятора напряжение на нём начинает возрастать. Когда напряжение на клеммах батареи достигнет 14,5 В, зарядное устройство выключится.
При отсутствии зарядного тока через батарею, напряжение на ней начинает снижаться. В течение четырех секунд (когда заряд аккумулятора отключен) схема мониторит напряжение на батарее. Если напряжение составляет 13,8 В или меньше, включается заряд. Если напряжение все еще больше 13,8 В, то ЗУ ждет, пока оно не понизится до 13,8 В, а затем включит заряд аккумулятора.
В результате для обеспечения достаточно высокого среднего зарядного тока, поддерживающего батарею в полностью заряженном состоянии, формируется серия импульсов тока с амплитудой 500 мА, изменяющихся по длительности и периоду следования.
Поскольку частота повторений импульсов очень мала (максимум один импульс тока каждые четыре секунды), то отсутствуют помехи устройству, в котором установлен аккумулятор (например, приемник или радиостанция).
Колебания напряжения между 13,8 В и 14,5 В также мало влияют на качество работы используемого устройства. Поскольку процесс заряда аккумулятора продолжается, импульсы тока становятся более короткими, и увеличивается период их следования.
Теперь если подключить к аккумулятору небольшую нагрузку, потребляющую ток порядка 200 мА, напряжение на батарее снизится быстрее, чем в отсутствии нагрузки, что приведет к увеличению длительности импульсов зарядного тока.
При подключении нагрузки, потребляющей ток порядка 2...3 А зарядное устройство уже не способно обеспечить нужную токоотдачу (из-за ограничения по току 500 мА). Напряжение на батарее постепенно будет снижаться из-за потребления нагрузкой тока (2...3 А).
Когда нагрузка будет отключена, напряжение на клеммах батареи снова начинает увеличиваться, поскольку ЗУ восполняет энергию аккумулятора, затраченную при подключении нагрузки.
По истечении небольшого отрезка времени (в зависимости от того, как долго была подключена нагрузка) напряжение на аккумуляторе достигнет значения 14,5 В и процесс импульсного заряда начинается снова.
Зарядное устройство теперь полностью автоматически поддерживает батарею в заряженном состоянии, приспосабливаясь к изменениям подключенной к аккумулятору нагрузки.
Главное достоинство описываемого ЗУ состоит в том, что при нагрузке, потребляющей ток свыше 500 мА, источником является аккумулятор. При нагрузке, потребляющей ток менее 200 мА, источником является ЗУ, обеспечивающее также заряд батареи. Такой режим работы особенно полезен владельцам портативных радиостанций.
Схема электрическая
Стабилизатор DA2 LM317 используется как ограничитель тока, регулятор напряжения и «зарядно-контрольный» ключ.
Стабилитрон VD2 (15 В) устанавливает на выходе DA2, при отсутствии нагрузки, напряжение 16,2 В. Резистор R3 ограничивает выходной ток DA2 на уровне 500 мА.
Когда транзистор VT1 открыт напряжением с выхода таймера DA3 LM555, напряжение на выходе DA2 снижается до 1,2 В. Диод VD5 обеспечивает эффективную развязку заряжаемой батареи от схемы ЗУ.
Применение в качестве VD5 диода Шоттки позволят получить малое падение напряжения (меньше 0,4 В) при протекании через него прямого тока.
Микросхема DA4.1 LM358 используется в качестве компаратора напряжения. DA5 LM336 – стабилизатор опорного напряжения +2,5 В, подаваемого на неинвертирующий вход (вывод 3) DA4. Резисторы R11, R12 и R13 образуют делитель напряжения заряжаемого аккумулятора, с выхода которого напряжение поступает на второй вход (вывод 2) компаратора DA4.1.
Подстроечный резистор R13 служит для установки порога срабатывания компаратора. Когда напряжение на клеммах аккумулятора достигнет значения +14,5 В, DA4.1 сработает, обеспечив на выходе перепад напряжения с +12 В на 0 В.
Резистор R7 1 МОм служит для обеспечения гистерезиса, понижая при переключении компаратора, опорное напряжение. Напряжение на клеммах аккумулятора теперь снизится, приблизительно, до 13,8 В, прежде чем компаратор снова переключится.
DA4.2 – повторитель напряжения. Напряжение с повторителя поступает на вход (вывод 2) триггера микросхемы DA3. Напряжение +12 В остается на выходе повторителя до тех пор, пока конденсатор С6 не разрядится через резистор R8 (приблизительно 4 секунды). Как только на выходе DA3 появится напряжение 12 В, транзистор VT1 откроется, тем самым соединив вывод ADJ DA2 с общим проводом. При этом заряд аккумулятора прекратится.
Выход DA2 также подключен к двум светодиодам. Делитель напряжения R6, R7 необходим для обеспечения напряжения смещения на светодиодах. При этом горит красный цвет, когда на выходе DA3 присутствует напряжение +12 В, и зеленый, когда напряжение 0 В.
Когда включено напряжение сети, но ключ DA2 выключен (заряд отсутствует), светится красный цвет. Когда микросхема DA2 включена и протекает зарядный ток, горит зеленый цвет. Как только аккумулятор полностью зарядится, начнет мигать зеленый светодиод каждые 4 секунды.
Трансформатор Т1, диодный мост VD1 и конденсатор С4 образуют нестабилизированный источник питания с выходным напряжением 24 В.
DA1 – стабилизатор напряжения +12 В для питания цепей управления устройства, DA5 – источник опорного напряжения (2,5 В).
Расчёт других значений зарядного тока
Максимальное значение зарядного тока устанавливается резистором R3. Для приблизительного расчета его значения можно воспользоваться формулой: R = 1200/I, где R – сопротивление резистора R3, Ом, а I – максимальный зарядный ток, мА.
При увеличении выходного тока ЗУ необходимо принимать во внимание мощность трансформатора Т1, и максимальный ток DA1, который равен 1,5 А. Если предполагается эксплуатировать DA2 при максимальном токе, необходимо применить эффективный отвод тепла.
Наладка
Для наладки потребуется регулируемый источник питания постоянного напряжения 12...15 В. Источник подключается к вместо аккумулятора. Диод VD5 временно отсоединяется от схемы.
После подключения зарядного устройства к сети подсоедините источник испытательного напряжения с напряжением на выходе 14,5 В. Медленным вращением движка резистора R13 (многооборотный) добиваются свечения красного светодиода.
Для проверки работы схемы выждите около 4 секунд. Затем постепенно уменьшите испытательное напряжение до значения, при котором начнет светиться светодиод зеленого цвета. В этом положении испытательное напряжение будет составлять приблизительно 13,8 В.
Медленно увеличивая испытательное напряжение, снова добиваются свечения красного светодиода. При этом испытательное напряжение должно составлять 14,5 В. Цель регулировки состоит в том, чтобы красный светодиод загорался при входном испытательном напряжении 14,5 В.
Односторонняя печатная плата для схемы приведена ниже.