Автоматическое зарядное устройство для АКБ 1-10 А-ч

Предлагаемое автоматическое зарядное устройство (ЗУ) предназначено для зарядки батареи аккумуляторов номиналь­ным напряжением 12 В и емкостью 1 ...10 А-ч, но при небольшой доработке его можно применить для зарядки аккумуляторных батарей с другими напряжением и емкостью.

В ЗУ применен трехэтапный способ зарядки с различными значениями тока и постоянным контролем напряжения заряжаемого аккумулятора. В ЗУ использован источник тока, уп­равляемый напряжением (ИТУН), схема которого показана на рис. 1. Он собран на ОУ DA1, полевом транзисторе VT1 и резисторе-датчике тока R1. Прин­цип работы ИТУН подробно рассмотрен в [1]. Если подать напряжение на сток полевого транзистора, то через него протекает ток, зависящий от значения управляющего напряжения Uупр и сопро­тивления датчика тока 1итун = Uynp/R1. Для разрядки аккумуляторной батареи ИТУН подключают параллельно (рис. 2), и он выполняет роль эквива­лента нагрузки, а для зарядки — после­довательно с батареей и источником постоянного напряжения (рис. 3). В последнем случае необходимо, чтобы напряжение источника на несколько вольт превышало напряжение заряжен­ной батареи. В ЗУ реализован трех­этапный режим зарядки аккумулятора. На первом этапе значение тока зарядки (h) можно установить переменным ре­зистором в пределах 0,1...1 А. На вто­ром этапе значение тока (l2) автомати­чески уменьшится в два раза, на треть­ем (l3) — в десять раз. Предусмотрена возможность предварительной разряд­ки батареи аккумулятора током 0,51, с последующим автоматическим пере­ключением в режим зарядки.

Основные технические характеристики

Номинальное напряжение батареи аккумуляторов, В ......12
Ток зарядки на первом эта­пе, А .....................0,1...1
Ток зарядки на втором этапе, А..........................0,51,
Ток зарядки на третьем эта­пе, А .......................0,11,
Напряжение зарядки на пер­вом и втором этапах, В .......14,4
Напряжение зарядки на тре­тьем этапе, В ...............13,8
Ток разрядки, А................0,51,
Напряжение окончания раз­рядки, В....................10,6
Напряжение источника пита­ния, В....................17...22

Принципиальная схема автоматиче­ского ЗУ показана на рис. 4. В качестве управляющего и контролирующего эле­мента применен микроконтроллер PIC12F629. В его состав входят компа­ратор и источник образцового напряжения, с помощью которых осуществ­ляется контроль за напряжением акку­мулятора. Коды программы микроконт­роллера приведены в таблице. На эле­ментах DA2.1, VT2, R11, R12, С7, С8 со­бран ИТУН, диод VD10 защищает бата­рею и ЗУ от неконтролируемой разряд­ки через защитный диод транзистора VT2 при неправильной полярности под­ключения аккумулятора. Дифференци­альный усилитель собран на элементах DA2.2, R14, R15, R17, R18. Напряжение питания микроконтроллера DD1 и ОУ DA2 стабилизировано интегральным стабилизатором напряжения на микро­схеме DA1. Светодиоды HL1—HL6 ин­дицируют режим работы устройства. Источник питания подключают к гнез­дам XS1, XS2, при этом диод VD1 защищает ЗУ от неправильной полярности напряжения, аккумулятор подключают к гнездам XS3, XS4.

Работает ЗУ следующим образом. После его соединения с аккумулятор­ной батареей и источником питания светодиоды HL1 и HL6 сигнализируют о том, что подключение проведено пра­вильно. Программа микроконтроллера DD1 настраивает его порты GPO, GP2, GP4 и GP5 как выходы, a GP3 и GP1 — как входы, причем GP1 — это аналоговый вход встроенного компаратора. Второй вход компаратора подключен к внутреннему источнику образцового напряжения. На выходе дифференци­ального усилителя (выводе 7 ОУ DA2.2) формируется напряжение, пропорцио­нальное напряжению батареи, как при разрядке, так и при зарядке. Коэффи­циент передачи дифференциального усилителя с резисторами R14, R15, R17, R18 для указанных на схеме номи­налов равен 0,25. В зависимости от ре­жима работы ЗУ на второй вход компа­ратора поступает напряжение образцо­вого источника 2,66 В, 3,44 В или 3,59 В, что позволяет контролировать три значения напряжения батареи акку­муляторов: 10,6, 13,8 и 14,4 В.

Затем программа устанавливает на всех выходах микроконтроллера низкий логический уровень. Транзистор VT1 закрыт, реле К1 обесточено и батарея подключена через контакты К1.1 и К1.2 параллельно ИТУН. Поскольку ток через транзистор VT2 очень мал, разрядный ток аккумулятора равен току через светодиод HL6 и составляет 5...6 мА.

В таком состоянии программа ожи­дает нажатия на кнопку SB1 "Пуск". При кратковременном нажатии (менее 3 с) она начинает процедуру проверки напряжения батареи. Если оно менее 10,6 В, то ЗУ перейдет в режим заряд­ки, а если более, то на выводе 2 DD1 по­явится напряжение высокого уровня (около 5 В), через диод VD4 и резистор R6 на переменный резистор R8 посту­пит напряжение, а с его движка — на неинвертирующий вход ОУ DA2.1 (вход управления ИТУН). Начинается разряд­ка батареи током 0,51, и светодиод HL2 сигнализирует об этом режиме. По ме­ре разрядки напряжение на батарее уменьшается, и когда оно станет менее 10,6 В, на выводе 2 микроконтроллера DD1 появится низкий уровень и про­цесс разрядки прекратится.

После паузы продолжительностью 0,5 с на выводе 7 микроконтроллера DD1 установится высокий уровень, тран­зистор VT1 откроется, реле К1 сработает и своими контактами подключит бата­рею к источнику питания через ИТУН. Светодиод HL2 погаснет, поскольку че­рез диод VD6 он будет зашунтирован малым сопротивлением канала открытого транзистора VT1. После еще одной паузы продолжительностью 0,5 с высо­кий уровень появится и на выводе 5 мик­роконтроллера DD1, и на вход управле­ния ИТУН через диод VD3, резисторы R5, R8 поступит напряжение — начнется первый этап зарядки током I, = 0,1 СА, где СА — емкость аккумуляторной батареи (Ач). Светодиод HL3 бу­дет сигнализировать о включении этого режи­ма. Одновременно на второй вход встроенного компаратора поступит напряжение 3,59 В, что соответствует напряже­нию батареи 14,4 В.

Процесс на этом этапе состоит из следую­щих друг за другом цик­лов зарядки током I, и разрядки током 0,11, с отношением 3:1 по длительности (45 с за­рядка и 15 с разрядка), так до тех пор, пока на­пряжение батареи не достигнет 14,4 В. После этого начинается вто­рой этап, и значение то­ка зарядки уменьшается в два раза. Напряжение на батарее также умень­шится, а затем станет снова увеличиваться до 14,4 В. По достижении этого значения начнется третий этап — зарядка прекращается, напря­жение батареи умень­шается до 13,8 В, после чего начинается заряд­ка током 0,11, до тех пор, пока ее не отключат вручную.

Перед тем как контакты реле К1.1 и К1.2 переключаются, напря­жение управления ИТУН отключается, поэтому в этот момент ток через них не протекает, что продлевает срок службы. Светодиоды HL2—HL5 ин­дицируют все режимы работы, а резис­тор R8 снабжен шкалой, проградуированной в единицах емкости батареи (Ач). Если после включения ЗУ удержи­вать кнопку SB1 "Пуск" в нажатом состо­янии боле 3 с, включится режим заряд­ки (начиная с первого этапа) независи­мо от степени заряженности аккумуля­торной батареи.

ЗУ выполнено в виде приставки к нестабилизированному (содержит лишь понижающий трансформатор и выпря­мительный диодный мост) или стабили­зированному сетевому блоку питания с выходным напряжением 17...22 В при токе до 1...1.2 А. Все детали, кроме гнезд XS1—XS4, смонтированы на пе­чатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Диоды VD1, VD10 и транзистор VT2 припаяны к плате со стороны печатных проводников и через теплопроводящие изолирующие про­кладки закреплены вместе с ней и кор­пусом к ребристому теплоотводу разме­рами 115x50x20 мм3. На крышке корпу­са имеются отверстия для светодиодов, толкателя кнопки и переменного резис­тора, а на дне — для крепления транзис­тора VT2 и диодов VD1, VD2 к теплоотво­ду. Для микроконтроллера на плате уста­новлена панель.

Светодиоды можно применить любые в кор­пусе диаметром 3 мм, HL1, HL6 — желтого, HL2 — красного, HL3— HL5 — зеленого цвета свечения. Оксидные кон­денсаторы — К50-35 или аналогичные импортные, остальные — К10-17, К73-24, реле — SV-12, его можно заменить на FTR-C1CA012-G или ана­логичное с двумя парами переключающих контак­тов и рабочим напряже­нием 12 В. На месте дио­дов VD1, VD10 желатель­но применить диоды Шоттки с обратным напря­жением не менее 40 В, например 1N5822, но пе­чатную плату придется подкорректировать. Тран­зистор IRFD123 можно заменить на КП501Б, BS170P или функцио­нальный аналог — микро­схему К1014КТ1, сдвоен­ный ОУ LM358CD — на отечественные аналоги КР1040УД1 или КР1446УД1А, транзистор IRL2505 — на аналогичный из списка [2], например IRLR2905. По­мимо указанного на схеме микроконт­роллера PIC12F629, можно использо­вать PIC12F675. Резистор R8 — R-0904N или РП-1-74, кнопка SB1 — ПКН-125, ре­зисторы R14, R15, R17, R18 необходимо подобрать с точностью не хуже 1 %.

Налаживание начинают с проверки монтажа. Микроконтроллер в панель не устанавливают, ее гнезда 1 и 5, 1 и 7 со­единяют проволочными перемычками. Взамен резистора R5 временно монтируют цепь из соединенных последова­тельно постоянного резистора сопро­тивлением 1 кОм и переменного сопро­тивлением 2,2 кОм. Подключают ЗУ к ис­точнику питания, и подбирают резистор R3 так, чтобы на обмотке реле К1 было номинальное напряжение. Движок рези­стора R8 переводят в верхнее по схеме положение, а взамен аккумуляторной батареи включают амперметр и после­довательно с ним — резистор сопротив­лением 10 Ом и мощностью 10... 15 Вт. Движком переменного резистора 2,2 кОм устанавливают значение тока зарядки 1 А — это будет максимальный ток зарядки первого этапа. После отклю­чения источника питания заменяют цепь из постоянного и переменного резисто­ров на постоянный резистор с возможно близким сопротивлением. Снова под­ключают источник питания и градуируют шкалу переменного резистора R8. Сде­лать это можно как для тока зарядки от 0,1 до 1 А с шагом 0,1 А, так и для соот­ветствующей этому току емкости акку­муляторной батареи от 1 до 10 Ач.

Далее перемычку между гнездами 1 и 5 панели удаляют и устанавливают ее между гнездами 1 и 2. Взамен резистора R6 временно включают цепь из постоян­ного резистора сопротивлением 1 кОм и переменного сопротивлением 6,8 кОм (движок резистора R8 также в верхнем по схеме положении). Устанавливают максимальное значение тока зарядки второго этапа (0,5 А), после чего эту цепь заменяют на постоянный резистор с возможно близким сопротивлением. Аналогично подбирают резистор R7, при этом перемычку между гнездами 1 и 2 удаляют, устанавливают ее между гнездами 1 и 3, и используют цепь из по­стоянного резистора сопротивлением 10 кОм и переменного 47 кОм. Значение максимального тока зарядки можно уве­личить или уменьшить подбором резис­тора R4. В заключение все перемычки удаляют, устанавливают в панель запро­граммированный микроконтроллер и проверяют работу ЗУ.

Для зарядки аккумуляторов большей номинальной емкости следует умень­шить сопротивление резистора R12. Например, при сопротивлении этого резистора 0,2 Ом максимальное значе­ние зарядного тока увеличится в 5 раз, и заряжать можно аккумуляторы емкос­тью от 5 до 50 А-ч. В этом случае необ­ходимо применить соответствующее реле, площадь теплоотвода — увели­чить, а также использовать принуди­тельное охлаждение как рекомендует компания dantex.ru. Источник питания должен обеспечивать нужный ток.

Чтобы заряжать аккумуляторы с дру­гим номинальным напряжением, необ­ходимо изменить коэффициент пере­дачи дифференциального усилителя. Например, если сопротивление резис­торов R14 и R18 уменьшить в два раза, то можно заряжать аккумуляторы номи­нальным напряжением 6 В, но тогда на­пряжение источника необходимо уменьшить до 12... 15 В. Изменяя про­грамму микроконтроллера, можно реа­лизовать другие алгоритмы зарядки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нечаев И. Универсальный эквивалент нагрузки. — Радио, 2005, № 1, с. 35.
2. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. — Радио, 2001, № 5, с. 45.

Автор: Кузнецов A.