Появление на рынке недорогих сетевых источников питания AC/DC и преобразователей напряжения DC/DC во многом упростило конструирование различных радиолюбительских устройств. Автор демонстрирует построение зарядного устройства для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей на основе готовых блоков при минимальном дополнении их внешними элементами.
Для двух свинцово-кислотных аккумуляторных батарей номинальным напряжением 6 В ёмкостью 4,5 А·ч, включённых параллельно в детском электромотоцикле, потребовалось зарядное устройство с выходным напряжением 7,3 В и ограничением тока на уровне 1...1,2 А. В наличии были ранее приобретённые сетевой импульсный блок питания с постоянным выходным напряжением 12 В и номинальным током нагрузки 2 А, импульсный регулируемый понижающий преобразователь DC/DC на микросхеме LM2596S-ADJ и цифровой вольтметр-амперметр постоянного тока. Для создания полноценного зарядного устройства необходимо было ввести в преобразователь DC/DC ограничение тока на необходимом уровне.
Для решения этой задачи удобно использовать миниатюрную трёхвыводную микросхему ZXCT1009F [1-3]. Эта микросхема преобразует небольшое напряжение между двумя выводами в вытекающий из третьего вывода ток. Коэффициент передачи - отношение значения вытекающего тока к входному напряжению - имеет размерность проводимости - сименс, См (А/В, Ом-1) и для этой микросхемы равен 0,01 мА/мВ = 10 мА/В.
Схема разработанного устройства приведена на рис. 1. Сетевой блок питания А1 обеспечивает напряжение 12 В для питания регулируемого DC/DC преобразователя А2. Выходное напряжение преобразователя А2 устанавливают равным 7,3 В, оно соответствует напряжению полностью заряженной аккумуляторной батареи.
Рис. 1. Схема разработанного устройства
Рис. 2. Типовая схема DC/DC преобразователя
Схема применённого DC/DC преобразователя - типовая, она приведена на рис. 2, внешний вид - на рис. 3. Выходное напряжение регулируют под-строечным резистором R1. Микросхема DA1 (рис. 2) регулировкой скважности генерируемых импульсов и, в результате, выходного напряжения, поддерживает на своём входе FB (вывод 4) напряжение 1,25 В.
Рис. 3. Внешний вид схемы DC/DC преобразователя
В зарядном устройстве к движку подстроечного резистора R1 (этот вывод находится под регулировочным винтом) подключён эмиттер транзистора VT1 (рис. 1). На базу этого транзистора подаётся напряжение, пропорциональное выходному току микросхемы DA1 ZXCT1009F (рис. 1), который, в свою очередь, пропорционален выходному току устройства.
Рассмотрим, как будет происходить ограничение тока в устройстве по схеме рис. 1. Пока выходной ток 1ВЫХ имеет небольшое значение, например, 0,2 А, падение напряжения на резисторе R1 (рис. 1) будет также невелико и равно 20 мВ, ток вывода 1 микросхемы DA1 будет равен: I1 = 20 мВ х 0,01 мА/мВ = 0,2 мА.
На эмиттере транзистора VT1 напряжение 1,25 В, на базе UБ = 0,2 мА х 1,8 кОм = 0,36 В.
В результате транзистор VT1 закрыт. При увеличении выходного тока до 1 А ток I1 увеличится до 1 мА, напряжение на базе транзистора VT1 окажется равным 1,8 В. Напряжение на эмиттер-ном переходе транзистора VT1 будет равно 0,55 В, что можно считать порогом открывания кремниевого транзистора.
Микросхема DA1 (рис. 2), как указывалось выше, регулировкой выходного напряжения поддерживает на своём выводе 4 напряжение 1,25 В. В результате при открывании транзистора VT1 (рис. 1) и появлении втекающего через него тока микросхема DA1 (рис. 2) уменьшит выходное напряжение до значения, при котором выходной ток устройство будет незначительно превышать 1 А.
Уменьшение выходного напряжения при увеличении выходного тока будет продолжаться, пока сохраняется работоспособность микросхемы ZXCT1009F. В соответствии со справочными данными напряжение между её выводами 2 и 1 при токе вывода 1 в интервале от 0 до 5 мА должно быть не менее 1,4...1,7 В (в зависимости от выходного тока микросхемы), чему соответствует выходное напряжение устройства UВых ≈ 1,8 + (1,4...1,7) - 0,1 =3,1...3,4 В. В этой формуле 1,8 В - напряжение на выводе 1 микросхемы DA1 (рис. 1), 1,4...1,7 В - минимально допустимое напряжение между её выводами 1 и 2, 0,1 В - падение напряжения на резисторе R1 (рис. 1) при выходном токе 1 А.
При меньших напряжениях микросхема DA1 не работает и происходит увеличение выходного тока, ограниченное только свойствами DC/Dc преобразователя.
Рис. 4. Устройство собрано в пластмассовом корпусе
Устройство собрано в пластмассовом корпусе с габаритными размерами 100x60x25 мм (рис. 4). Монтаж - навесной, на стойках, микросхема DA1 (рис. 1) установлена на маленькой печатной плате, купленной в интернет-магазине и предназначенной для распайки микросхем и транзисторов в аналогичных корпусах.
На рис. 5 показана экспериментальная зависимость выходного напряжения изготовленного зарядного устройства от тока.
Рис. 5. Экспериментальная зависимость выходного напряжения изготовленного зарядного устройства от тока
Таким образом, при подключении к зарядному устройству разряженной до 4 В аккумуляторной батареи зарядный ток вначале окажется равен почти 1,2 А, по мере зарядки и повышении напряжения на ней до 7 В ток уменьшается примерно до 1,08 А. Далее зарядка идёт уменьшающимся током в режиме почти постоянного напряжения и заканчивается при его достижении значения 7,3 В.
Цифровой вольтметр-амперметр Р1 позволяет следить за процессом зарядки - при уменьшении зарядного тока до 0,1...0,2 А можно считать, что аккумуляторная батарея полностью заряжена. Не включая зарядное устройство в сеть, прибор Р1 можно также использовать как вольтметр для контроля степени зарядки батареи, подключив её к выходу зарядного устройства.
Для разработки зарядного устройства с другими параметрами можно сохранить номинал резистора R2 = 1,8 кОм, а сопротивление резистора R1 рассчитать так, чтобы падение напряжения на нём при номинальном выходном токе устройства оказалось равным 0,1 В:
R1 (Ом) = 0,1 В / Iвых (А).
Описанный выше способ ограничения выходного тока применим практически к любым преобразователям DC/DC и AC/DC, в которых есть делитель выходного напряжения, средняя точка которого подключена к регулирующей цепи (цепи обратной связи) преобразователя.
Литература
1. Нечаев И. Микросхема ZXCT1009F и конструкции на её основе. Часть 1. Измерение большого постоянного и переменного токов. Приставка к мультиметру. - Радио, 2018, № 11, с. 55-59.
2. Нечаев И. Микросхема ZXCT1009F и конструкции на её основе. Часть 2. Устройства защиты и ограничители (стабилизаторы) тока. - Радио, 2018, № 12, с. 53-56.
3. Нечаев И. Микросхема ZXCT1009F и конструкции на её основе. Часть 3. ЗУ и устройство питания микродрели. - Радио, 2019, № 1, с. 58-60.
Автор: С. Бирюков, г. Москва