Зарядное устройство (ЗУ) предназначено для зарядки кислотных свинцовых 12-вольтовых аккумуляторных батарей, а также для их тренировки проведением циклов зарядка-разрядка с целью восстановления ресурса и продления срока службы. Стимулом к построению этого устройства послужила необходимость иметь в своём распоряжении универсальное ЗУ, способное работать с кислотными аккумуляторными батареями разной ёмкости, включая автомобильные. Так как в распоряжении имелось ЗУ "Кедр авто 12В" 1991 г. выпуска, оно и было взято за основу для последующей модернизации. Алгоритм работы зарядного устройства оставлен прежним. Дополнительно введена плавная ручная регулировка тока зарядки, добавлены цепи автоматики на микроконтроллере (МК) PIC16F676 и встроенная нагрузка для режима зарядка-разрядка.
Основные технические характеристики
Номинальное напряжение сети, В .......230
Номинальное напряжение заряжаемой батареи, В .......12
Ток зарядки регулируемый, А .......0...4
Сопротивление встроенного разрядного резистора, Ом .......24
Максимальное напряжение батареи в режиме зарядки, В .......14,4
Аварийное отключение батареи при понижении напряжения, В .......10
Аварийное отключение батареи при повышении напряжения, В .......15,5
Потребляемая мощность, не более, Вт .......80
Режимы работы ......."Автомат" и "Цикл"
За основу зарядки батареи взят процесс, состоящий из двух этапов. На первом этапе, когда батарея полностью или частично разряжена, проводится зарядка током около 0,1 с, где С - ёмкость аккумулятора в ампер-часах (А·ч). Зарядный ток не должен превышать указанное значение, в этом ЗУ выставляется вручную. По мере зарядки растёт напряжение батареи и по достижении 14,4 В первый этап будет завершён - автоматика ЗУ прекращает зарядку батареи. Как правило, при первом достижении напряжения батареи 14,4 В она заряжается не полностью. За доведение батареи до полного заряженного состояния отвечает второй этап зарядного процесса. В этом режиме зарядка автоматически включается при напряжении 13,2 В и отключается при напряжении 14,4 В. По мере достижения полной зарядки длительность включения зарядного тока будет уменьшаться, а отключения увеличиваться. С некоторыми изменениями этот способ зарядки заимствован из [1]. Схема ЗУ показана на рис. 1. На трансформаторе T1 и диодной сборке VD1 выполнен зарядный выпрямитель. Через тиристор VS1 осуществляется зарядка аккумуляторной батареи, подключаемой к клеммам Х1 и Х2. Тиристор VS1 через развязывающий трансформатор Т2 управляется регулятором - генератором импульсов, собранным на однопереходном транзисторе VT3, резисторах R8, R9, R* и конденсаторе С6. Питание на регулятор поступает через диод VD3 и стабилизировано параметрическим стабилизатором R4VD4. Конденсатор C3 - фильтрующий. Ручная регулировка зарядного тока производится переменным резистором R*. С небольшими изменениями номиналов деталей схема регулятора взята из [2].
Рис. 1. Схема зарядного устройства
Для обеспечения работы этого регулятора в режиме фазоимпульсного управления и при питании регулятора постоянным напряжением применён детектор прохождения сетевого напряжения через ноль. То есть осуществляется синхронизация работы регулятора с сетевым напряжением. Ответственны за это транзисторы VT1, VT2 и VT5 совместно с резисторами R2, R3, R5. Некоторое усложнение схемы направлено на то, чтобы при установке регулятором R* максимального зарядного тока обеспечить включение тиристора VS1 вблизи прохождения сетевого напряжения через ноль. Схема детектора ноля с некоторой адаптацией взята из [3].
Управление режимом работы, контроль и защита ЗУ реализованы на МК DD1. Трёхцветный светодиод HL1 обеспечивает индикацию режимов. Кнопкой SB1 включают режим "Автомат", а кнопкой SB2 включают режим "Цикл". Резисторы R12 и R13 подтягивают входы МК к напряжению +5 В. Транзистором VT4 управляет МК DD1 и обеспечивает включение или отключение регулятора зарядного тока. С резистивного делителя R10R11 на вход МК поступает напряжение заряжаемой батареи, которое он контролирует. Конденсатор С7 - фильтрующий. Силовой ключ на транзисторе VT6 подключает или отключает внутреннюю нагрузку в режиме "Цикл". Нагрузка составлена из трёх последовательно включённых мощных резисторов R15, R17 и R21. На элементах DA1, С2, С4 и С5 собран стабилизатор напряжения +5 В, обеспечивающий питание микроконтроллера DD1.
Работает ЗУ следующим образом. Заряжаемую аккумуляторную батарею подключают к клеммам Х1 и Х2 с соблюдением полярности. Регулятор зарядного тока R* устанавливается в положение максимального сопротивления (движок в левом по схеме положении - минимальный ток зарядки). Вилку ХР1 подключают в розетку электросети 230 В. Через плавкую вставку FU1 напряжение поступает на трансформатор Т1. Конденсатор С1 подавляет импульсные помехи. После диодной сборки VD1 пульсирующее напряжение подаётся на анод тиристора VS1, а через диоды VD3 и VD2 получают питание регулятор тока зарядки и стабилизатор напряжения на микросхеме DA1. Также пульсирующее напряжение поступает через резистор R2 на вход детектора ноля - базу транзистора VT1. Резистор R1 является общим нагрузочным. Осциллограмма изменения напряжения на выводе К диодной сбор-kuVDI показана на рис. 2.
Рис. 2. Осциллограмма изменения напряжения
Выходной транзистор VT5 детектора ноля запускает работу регулятора зарядного тока строго после перехода сетевого напряжения через ноль. Осциллограмма напряжения на коллекторе VT5 показана на рис. 3. Здесь видны положительные импульсы длительностью примерно 0,4 мс в момент перехода сетевого напряжения через ноль, в этот момент транзистор VT5 закрыт и регулятор зарядного тока не работает. После окончания импульса транзистор VT5 открывается и подаёт питание на регулятор зарядного тока.
Рис. 3. Осциллограмма напряжения
МК DD1 контролирует напряжение аккумуляторной батареи, если оно равно или менее 10 В, светодиод HL1 мигает синим цветом (вывод 4), и через открытый транзистор VT4 блокируется работа регулятора зарядного тока, поэтому тиристор VS1 остаётся закрытым. Так происходит защита ЗУ от подключения неисправной батареи. Но допустим, мы подключили батарею с остаточным напряжением более 10 В. МК DD1, после измерения её напряжения, подаст питание на вывод 1 светодиода HL1, и он станет светить красным свечением, обозначающим режим зарядки, после чего закроется транзистор VT4. Тем самым регулятор зарядного тока включается в работу.
Теперь переменным резистором R* устанавливают необходимый ток зарядки, ориентируясь на показания амперметра РА1. В зависимости от степени разряженности батареи и её ёмкости процесс зарядки будет идти некоторое время, достаточное для восстановления потерянной энергии. С повышением напряжения заряжаемой батареи ток зарядки будет уменьшаться, так как применённый регулятор зарядного тока не является стабилизирующим. Далее, при достижении напряжения на батарее 14,4 В светодиод HL1 станет светить зелёным (вывод 2), а красный погаснет. Одновременно с этим откроется транзистор VT4 и отключит зарядный ток.
Теперь напряжение батареи будет уменьшаться за счёт саморазрядки и утечки через измерительную цепь R10 и R11. Но эти потери энергии незначительны, основное снижение напряжения будет вызвано ещё не окончившимися химическими процессами. При снижении напряжения до 13,2 В опять включится режим зарядки. При этом транзистор VT4 закроется, а светодиод HL1 станет светить красным. В таком циклическом режиме дозарядки это ЗУ будет находиться постоянно, вплоть до отключения его от сети. О полном окончании процесса зарядки судят по длительным включениям светодиода HL1 зелёного свечения и коротким - красного. Таким образом, после включения ЗУ будет находиться в режиме "Автомат".
Нажатием на кнопку SB2 включается режим "Цикл". Микроконтроллер DD1 с вывода 8 подаст питание на вывод 4 светодиода HL1 (синий), а напряжением на выводе 5 откроет транзистор VT4, тем самым запрещая работу регулятора тока. Одновременно высоким уровнем на выводе 6 МК DD1 откроет транзистор VT6, и нагрузка из резисторов R15, R17 и R21 подключится к выводам тельность задана программно и составляет 30 с. В течение этого времени также проводится контроль за напряжением разряжаемой батареи. Если в процессе разрядки из-за неисправности батареи напряжение понизится до 10 В, произойдёт отключение нагрузочных резисторов и светодиод HL1 включается синим цветом в мигающем режиме. Выйти из этого защитного режима можно, только отключив, а затем заново подключив ЗУ к сети.
При исправной батарее по истечении 30 с ЗУ автоматически перейдёт в режим зарядки батареи, при этом закроется транзистор VT6 и отключит нагрузочные резисторы. Одновременно светодиод HL1 сменит синее свечение на одновременно зелёное и красное, что укажет на то, что идёт зарядка батареи в режиме "Цикл". Продолжительность зарядки выбрана равной 60 с. Здесь следует заметить, что при повышении напряжения батареи до 14,4 В произойдёт автоматический переход в режим разрядки. Если же это напряжение не будет достигнуто, через 60 с будет осуществлён переход в режим разрядки. Так ЗУ работает в режиме "Цикл".
Из режима "Цикл" возможен переход в режим "Автомат" нажатием на кнопку SB1. Установка зарядного тока возможна в любом из этих двух режимов в то время, когда происходит зарядка батареи. Вне зависимости от того, в каком режиме - "Автомат" или "Цикл" - находится ЗУ, его отключают так: сначала вынимают вилку из розетки, а затем отсоединяют заряжаемую батарею.
Микроконтроллер DD1 работает под управлением кодов, загруженных в его программную память из hex-файла bat_ charger.hex. Исходный текст программы содержится в файле bat_charger. mbas, который написан на языке Mikro-Basic. В этом файле также приведены подробные комментарии касательно исполняемых программных строк.
Все элементы ЗУ размещены в корпусе от заводского ЗУ "Кедр авто 12В". Также от него использованы некоторые узлы и детали - трансформатор Т1, теплоотвод, плавкая вставка FU1 с держателем, конденсатор С1, амперметр РА1 и тиристор VS1. Тиристор и диодная сборка VD1 закреплены непосредственно на теплоотводе. Сетевой шнур был заменён на шнур питания от настольного компьютера, а на тыльной стороне корпуса было установлено ответное гнездо XP1. Резисторы R15, R17 и R21 в керамических корпусах сложены в пакет, обёрнуты алюминиевой лентой и закреплены на тыльной стороне корпуса. Для подключения к заряжаемой батарее использованы соединители типа " крокодил" и одиночные провода в изоляции, сечение токопроводящих проводников которых не менее 2,5 мм2.
Все остальные детали смонтированы на макетной плате размерами 73x73 мм с применением проводного монтажа. На лицевой стороне платы установлены кнопки SB1, SB2 и трёхцветный светодиод HL1, располагаются они так, чтобы совпали с отверстиями в передней панели корпуса. Другие детали расположены с тыльной стороны платы. МК установлен в панель, позволяющую при необходимости его вынимать. Для оси резистора R* просверлено отверстие в передней панели, сам резистор крепится гайкой на макетной плате. Переменный резистор может быть любого типа, с небольшими габаритами, и чтобы ось была достаточной длины для крепления на неё ручки. Его выводы подключают так, чтобы при вращении оси вправо до упора его введённое сопротивление было равно нулю. В качестве развязывающего трансформатора Т2 был использован готовый, взятый из блока питания люминесцентной лампы мощностью 30 Вт. Этот трансформатор с двумя одинаковыми обмотками был установлен на входе блока питания лампы для подавления помех. Измеренная индуктивность каждой из обмоток составляла около 4 мГн. В случае отсутст-вия такого трансформатора можно изготовить его самому по рекомендациям из [2]. Вид собранного ЗУ со стороны передней панели показан на рис. 4.
Рис. 4. Вид собранного зарядного устройства со стороны передней панели
Несколько слов о делителе напряжения на резисторах R10 и R11, от него зависит точность измерения напряжения на аккумуляторной батарее. Есть два варианта подбора этих резисторов. Первый из них - это точный подбор сопротивлений резисторов R10 и R11 в соответствии с сопротивлениями, указанными на схеме. И второй - точное измерение имеющихся в наличии сопротивлений, близких к указанным на схеме и занесение измеренных значений в таблицу1.xls. Эта таблица создана в программе Excel и позволяет автоматически рассчитать коэффициенты, которые затем заносят в программную память МК DD1, они необходимы для правильной работы АЦП МК. Без этой таблицы не обойтись при желании изменить значения напряжений, используемых при работе этого ЗУ, например, для зарядки аккумуляторной батареи с другим номинальным напряжением. Естественно, что после внесённых изменений потребуется компиляция программного кода, загружаемого в МК.
После сборки, проверки правильности монтажа, загрузки исполняемых кодов в МК приступают к налаживанию ЗУ. Перед первым включением в сеть МК не устанавливают, к выходным соединителям подключают автомобильную лампу P21W мощностью 21 Вт. Вилку зарядного устройства подключают в розетку питающей сети. Мультиметром относительно общего провода проверяют наличие постоянного напряжения +10 В на конденсаторе С3 и напряжения питания +5 В (вывод 1 панели МК). Затем с помощью осциллографа, также относительно общего провода, проверяют форму напряжения на выводе К диодной сборки VD1 на соответствие рис. 2 и на коллекторе транзистора VT5 - на соответствие рис. 3.
Затем осциллограф подключают параллельно лампе P21W. Изменение положения ручки (сопротивления) резистора R* должно вызывать изменение яркости её свечения. Если всё происходит так, поворачивают ручку регулятора вправо до упора (нулевое сопротивление резистора R*). При этом изображение на экране осциллографа должно выглядеть, как показано на рис. 5 (положение максимального зарядного тока). Если есть несоответствие, например, нарастание положительной части полуволны зарядного тока происходит с задержкой во времени, тем самым не вся мощность передаётся в нагрузку (на лампу). В этом случае подборкой резистора R9 добиваются требуемой формы напряжения. После этого можно проверить работу регулятора зарядного тока. Вращение ручки R* влево должно приводить к плавному погасанию контрольной лампы, при вращении вправо яркость должна увеличиваться до максимальной. На рис. 6 показана осциллограмма напряжения на лампе для случая, когда установлено примерно 50 % тока зарядки. Если вращение ручки регулятора ни к чему не приводит и лампа не светит, необходи мо ещё раз проверить монтаж и исправность деталей.
Рис. 5.
Рис. 6. Осциллограмма напряжения
Применены постоянные резисторы МЛТ, С2-23, конденсаторы С1, С5, С6 - плёночные, остальные - К50-35 или импортные. Однопереходной транзистор - КТ117А-КТ117В. Может понадобиться подбор резисторов R7 и R6, так как чувствительность (ток управления) у разных экземпляров тиристоров КУ202 может отличаться.
После успешной предварительной проверки и налаживания ЗУ отключают от сети и отсоединяют контрольную лампу. Теперь можно приступить к заключительной проверке. Для этого вставляют в панель микроконтроллер DD1. К выходным соединителям, с соблюдением полярности, подключают аккумуляторную батарею с напряжением 12 В. Сетевую вилку ЗУ включают в розетку. Должен включиться режим зарядки, светодиод HL1 будет светить красным свечением. Ручкой резистора R* можно регулировать зарядный ток, ориентируясь на амперметр PA1. Дальнейшая работа ЗУ должна происходить в соответствии с описанным ранее и сопровождаться соответствующими измене ниями цвета свечения светодиода HL1.
К недостаткам этого ЗУ следует отнести невозможность автоматического полного отключения устройства от сети после окончания зарядки, а сравнительно небольшой максимальный ток потребует значительного времени зарядки автомобильной аккумуляторной батареи ёмкостью более 40 А·ч. Кроме того, отсутствует температурная стабилизация зарядного тока, т. е. зарядку нежелательно проводить при комнатной температуре. И ещё один недостаток - это повышенный уровень излучаемых помех, связано это с фазоимпульсным методом управления тиристором.
Положительными сторонами устройства являются сравнительно небольшие габаритные размеры для устройств с трансформатором. Возможность оперативно регулировать ток зарядки позволяет производить зарядку аккумуляторных батарей разной ёмкости. Есть защита от подключения неисправной аккумуляторной батареи. Имеется защита от подключения заряжаемой батареи в неправильной полярности, при этом ЗУ отключается и выдаёт аварийный сигнал - светодиод мигает синим. Запустить ЗУ без подключённого заряжаемого аккумулятора также не получится, на его отсутствие будет указывать светодиод, мигающий синим.
В результате получилось компактное и удобное в эксплуатации ЗУ.
Указанные файлы и таблица, а также файлы для программирования микроконтроллера находятся здесь.
Литература
1.Метод заряда аккумуляторной батареи IUoU. - URL: https://wiki2.org/ru/MeTog_ заряда_аккумуляторной_батареи_IUoU (20.05.22).
2.Регуляторы мощности. - URL: https:// rcl-radio.ru/?p=3190 (20.05.22).
3.Zero Crossing Detectors and Comparators. - URL: https://sound-au.com/ appnotes/an005.htm (30.04.22).