Автоматическое зарядное устройство на ATtiny24

Зарядное устройство контролирует процесс зарядки аккумулятора и устанавливает его оптимальные параметры. Весь цикл делится на 4 этапа, автоматически переключаемых в зависимости от степени заряда аккумулятора. Когда аккумулятор достигнет нужного напряжения, зарядка автоматически прекратится. Три светодиода показывают состояние батареи и уровень зарядки. Зарядное устройство позволяет регулировать зарядный ток, поэтому оно защищает от повреждения аккумулятора (слишком большой ток) и экономит время (слишком низкий ток).

Характеристики устройства:

• зарядка 12-ти вольтовых свинцово-кислотных аккумуляторов емкостью 10 … 100 А/ч;
• регулировка зарядного тока в диапазоне около 1 … 10 А;
• защита аккумулятора от перезарядки;
• многоступенчатый процесс зарядки;
• источник питания: трансформатор 17 В.

Описание схемы

Диодный выпрямитель для зарядки аккумуляторов имеет два основных недостатка. Прежде всего: он не имеет защиты от перезарядки, и даже если мы наблюдаем за ним во время зарядки, по показаниям амперметра нельзя четко знать, когда надо прекращать зарядку. И только момент выделения газа электролита является показателем перезарядки. Второй недостаток: нет регулировки зарядного тока. Ток зарядки не должен превышать допустимое значение для данного аккумулятора, которое зависит от его емкости. Зарядка с помощью чрезмерного тока может необратимо повредить пластины (элементы), из которых состоит аккумулятор. Превышение допустимого напряжения или тока отрицательно влияет на производительность и срок службы аккумулятора. Представленная схема зарядного устройства позволяет устранить оба перечисленных дефекта.

На базе представленной схемы можно собрать отдельное зарядное устройство, как образец, показанный на фотографиях, или же как дополнительный модуль подключаемый к простому диодному выпрямителю. В обоих случаях получается автоматическое зарядное устройство. Схема зарядного устройства показана на рисунке ниже, ее можно разбить на несколько блоков:

Блок измерения тока — построен на базе микросхемы LM358 (IC3A, IC3B). Положительный выходной сигнал выпрямителя подключается к клемме POW и подается на измерительный шунт R16, состоящий из двух мощных резисторов с низким сопротивлением. Операционный усилитель IC3B вместе с транзистором T4 и соседними элементами образует преобразователь тока в напряжение. На его выходе присутствуют фильтр из компонентов R20, C13 и усилитель IC3A. Выходной сигнал калибруется с помощью прецизионного потенциометра R24 и поступает на микроконтроллер — сигнал помечается CV.

Силовой каскад — построен на транзисторах T3 и T5. Транзистор T3 используется для контроля напряжения/тока, подаваемого на аккумулятор. Транзистор Т5 с соседними элементами позволяет управлять МОП-транзистором непосредственно с выхода микроконтроллера.

Блок преобразователя напряжения — компоненты L1, T1, D4. Это классический повышающий преобразователь, выход (сигнал, помеченный PVCC) получает напряжение около 29 В, что необходимо для правильной работы блока измерения тока. Соседние элементы используются для стабилизации и фильтрации выходного напряжения.

Блок питания — стабилизатор IC2 и соседние элементы. Задача блока состоит в том, чтобы получить и отфильтровать напряжение от 10 В до максимального значения 26 В, которое подается через диоды D1 и D2 от аккумулятора или выпрямителя. Затем через стабилизатор IC2 для питания микроконтроллера необходимо 5 В. Прецизионный потенциометр R3 и резистор R2 образуют делитель для считывания напряжения батареи. Потенциометр позволяет калибровать показания.

Блок датчика переменного напряжения — выполнен с помощью транзистора Т2 и соседних элементов. Его задача состоит в том, чтобы обнаружить половину синусоидальных волн, налагаемых на постоянное напряжение аккумулятора — этот процесс будет описан более подробно ниже.

Блок управления — потенциометр R12 используется для установки тока зарядки, светодиоды показывают состояние системы, а микроконтроллер контролирует весь процесс.

Все основные режимы, которые задают и контролируют процесс заряда прописаны программно в памяти микроконтроллера ATtiny24 (IC1). Задачи, которые он выполняет: управление работой повышающего преобразователя — поддержание постоянного значения выходного напряжения, считывание всех аналоговых значений, регулировка значения тока зарядки и переключение ступеней процесса зарядки. Регулирование зарядного тока осуществляется методом фазового регулирования, используемым для тиристоров и симисторов, с той разницей, что вместо тиристора или симистора применен P-канальный MOSFET. Это решение упростило схему и уменьшило потери энергии. Сигналы образуемые в схеме при зарядке показаны на рисунке ниже:

Форма сигнала A — это выход выпрямителя,

Форма B — это наложенный выход выпрямителя и постоянное напряжение аккумулятора (VIN на диаграмме).

Форма волны C — это форма волны на выходе датчика переменного напряжения (VIP на диаграмме) — она точно определяет время, когда форма сигнала напряжения от выпрямителя превышает напряжение батареи, и можно получить ток зарядки, падающий фронт указывает начало периода регулирования фазы.

Форма D является сигналом управления уровнем мощности (MDR на диаграмме), чем выше уровень заполнения, тем большая часть сигнала B будет подаваться на аккумулятор — сигнал E (AKUP на диаграмме).

Форма волны F — это выходной сигнал из блока преобразователя тока в напряжение (CV на диаграмме).

Процесс зарядки делится на несколько этапов, выбранных в зависимости от степени заряда аккумулятора, то есть значения напряжения на его клеммах. На рисунке ниже показан весь процесс:

Значения в точке A представляют собой стадии зарядки, график B представляет собой значения зарядного тока, график C демонстрирует кривую напряжения на батарее, а символы в точке D представляют собой способ сигнализации на светодиодах. Уровень 0 — без батареи. Если выпрямитель включен, схема сигнализирует об этом этапе постоянным свечением красного светодиода. Цепь питания выключена, на выходных клеммах нет напряжения, поэтому нет риска случайного короткого замыкания, это состояние сохраняется до тех пор, пока на выходе не появится напряжение не менее 8 В.

I этап — предварительная зарядка. Если к выходным клеммам подключена батарея с напряжением не более 11 В, это означает, что она находится в состоянии глубокого разряда. Такая батарея, подключенная к обычному зарядному устройству, может вызывать очень большой ток из-за значительной разности напряжений. В этом случае представленная схема уменьшает зарядный ток до 1/3 установленного значения диапазона и ожидает частичной регенерации батареи — напряжение превышает 11 В.

II этап — основная зарядка. На этом этапе ток зарядки достигает полного установленного значения, но, в отличие от классического выпрямителя, он не уменьшается с увеличением заряда, а поддерживается постоянным, что сокращает время зарядки. Этап длится до достижения 14V. Здесь стоит обратить внимание на способ измерения напряжения, который отличается от других этапов — зарядка происходит циклически, каждый цикл занимает около полминуты зарядки, затем следует короткий перерыв, прекращение зарядки — и в этот момент измеряется напряжение аккумулятора. Благодаря этому измерение не обременено ошибкой, вызванной падением

III этап — финальная зарядка. После превышения напряжения 14 В ток зарядки уменьшается до 1/3 от установленного значения. Зарядка с более низким током позволяет батарее «насыщаться» зарядом и позволяет более точно определять время окончания. Сначала аккумулятор реагирует внезапным падением напряжения, как показано на рисунке 3, но затем медленно достигает максимального значения 14,4 В.

IV этап — зарядка завершена. Зеленый светодиод указывает на завершение процесса зарядки, аккумулятор полностью заряжен и готов к работе. Напряжение на батарее быстро падает примерно до 13 В, а затем снижается примерно до 12,6 В, поэтому не следует ожидать, что после зарядки батареи мы измерим 14,4 В. Если аккумулятор остается подключенным к представленному зарядному устройству, его напряжение будет постоянно контролироваться, а когда оно падает до примерно 12,8 В., запускается следующий этап зарядки.

V этап — сохранение заряда. Что касается окончательного заряда, то зарядный ток составляет 1/3 от установленного значения, а конечное напряжение составляет 14,4 В. Этот этап работы зарядного устройства направлен на поддержание заряда батареи, если она остается подключенной, даже после того, как зарядка завершена в течение длительного времени. Когда батарея подключена к схеме и источник питания отключен (зарядное устройство выключено), светодиоды будут отображать состояние батареи так же, как и во время зарядки, только светодиоды будут мигать. Схема измеряет зарядный ток и, если он не достигает минимального значения, сигнализирует об этом таким образом. То же самое произойдет, если, например, во время зарядки напряжение сети 220 В упадет, мигающие светодиоды будут сигнализировать об этом аварийном состоянии. Обратите внимание, что устройство затем потребляет энергию от батареи и разряжает ее небольшим током.

Сборка и настройка

Схема была спроектирована и изготовлена на двухсторонней печатной плате показанной на рисунке ниже:

Транзисторы T1 и T3 крепятся к радиатору с помощью шайб и изолирующих втулок и припаиваются к плате. Если устройство будет работать как адаптер для выпрямителя, то диодный мост не нужен. Схема должна быть помещена в хорошо проветриваемый корпус. Радиатор не должен быть слишком теплым во время работы, в то время как резистор R16 и диодный мост могут быть даже горячими.

Для устройства была разработана наклейка на переднюю панель корпуса:

Для первого запуска и настройки устройства понадобятся: регулируемый блок питания, мультиметр и аккумулятор. Сначала не вставляйте интегральные микросхемы в панельки и подключите приблизительно 10 В источника питания к клеммам AKUP и GND. Теперь необходимо измерить, есть ли напряжение 5 В на контактах 1 и 14 посадочной базы микроконтроллера. Затем отсоедините источник питания, установите микроконтроллер в подставку и снова подключите источник питания. Теперь необходимо измерить, есть ли напряжение около 29 … 30 В на контактах 4 и 8 разъема IC3. Если напряжения верны, можно переходить к следующему этапу.

Вставляем интегральные микросхемы в разъемы и подключаем источник питания с установленным напряжением около 7 В, красный светодиод должен гореть, затем увеличиваем напряжение до 8 В и регулируем потенциометр R3, пока не загорятся красный и желтый светодиоды. Теперь стоит проверить, происходит ли переключение последующих ступеней при 11 В, 14 В, 14,4 В, и при необходимости скорректировать настройку R3 (наиболее важным является 14,4 В). Важное примечание — напряжение следует увеличивать медленно, потому что измерение напряжения является дискретным, а не непрерывным, а пороги напряжения переключения ступеней имеют большой гистерезис в направлении падения напряжения — переключение со ступени I на II происходит при превышении 11 В, а со ступени II на I происходит при 10,8 В. Точные значения напряжения сохраняются в программе в файле analog.h. Следующим шагом является подключение целевого трансформатора (через диодный мост выпрямителя) или выпрямителя к клеммам POW и GND. Однако перед этим необходимо убедиться, что вторичное напряжение трансформатора/выпрямителя не превышает 18 В переменного тока (26 В постоянного тока). Подача более высокого напряжения повредит резистор R1. Напряжение также не должно быть слишком низким, поскольку оно не позволит получить полный диапазон регулирования, оптимальное значение составляет 17 В переменного тока и мощность около 150 … 200 Вт. Если нет необходимости использовать полный диапазон зарядного тока до 10 А, трансформатор может потреблять меньше энергии. На выходе не должно быть фильтрующего конденсатора, потому что схема не будет формировать синхронизирующие импульсы (VIP сигнал, сигнал C).

Наконец, калибруем блок измерения тока. Устанавливаем ручку регулировки на минимум, подключаем «минус» батареи к клемме GND, а плюс через амперметр к клемме AKUP и подключаем трансформатор/выпрямитель. Теперь калибруем ручку потенциометра, смотря на показания амперметра. Установив небольшой ток, например, 2 А (схема должна находиться на основной стадии зарядки). Устанавливаем потенциометр R24 так, чтобы индикация ручки на отметки соответствовала амперметру (при условии, что, например, 20% составляет 2 А). Могут быть расхождения — ток зарядки имеет сильно искаженную форму волны, и амперметр может указывать неправильно, блок измерения тока также вносит небольшие искажения. Лучше всего установить правильный ток в среднем положении регулятора (ток прибл. 5 А), что позволяет экстремальным настройкам немного отличаться от предположений.

Как безопасно подключать схему? Зарядное устройство устойчиво к обратному подключению аккумулятора и короткому замыканию выходных клемм, но следует соблюдать следующий порядок. Прежде всего, зарядное устройство должно быть отключено от сети 220 В переменного тока. Затем подключите аккумулятор и наблюдайте за светодиодами — если светодиоды не горят, аккумулятор подключен неправильно или сильно разряжен/поврежден. Если мигает красный и/или желтый, аккумулятор подключен правильно, и вы можете установить зарядный ток и подключить источник питания (трансформатор или выпрямитель) к сети 220 В.