Автоматическое зарядное устройство для кислотно-свинцовых батарей

После преждевременного выхода из строя аккумулятора в одном из многих устройств(вероятно, из-за того, что я забыл сделать подзарядку согласно рекомендуемому графику), я начал искать автоматическое зарядное устройство.

SLA-батареи обычно называют гелеевыми элементами, так как электролит представляет гелеевую субстанцию. Как и с другими вещами, чтобы получить максимально долгий срок службы SLA-батарей, требуется заботливое обращение с ними.

SLA-батареи должны регулярно подзаряжаться, ни в коем случае нельзя допускать чрезмерного разряда или перезаряда батарей. Если SLA-батарея не используется долгое время, она саморазряжается. Зарядное устройство, описанное в данной статье, может использоваться с любым типом подобных батарей.

Применение трехрежимного зарядного устройства

Моя первая попытка сохранения SLA-батарей в хорошем состоянии состояла в том,чтобы приобрести трехрежимное автоматическое зарядное устройство.

Вскоре я обнаружил, что такое зарядное устройство работает только при определенном потребляемом токе, и никогда не использовалось для заряда батарей под нагрузкой. Трехрежимное зарядное устройство начинает процесс зарядки батареи подачей напряжения через ограничитель тока (500 мА).

Эта стадия зарядки известна под названием “объемной зарядки”. По мере зарядки батареи напряжение на ней начинает расти. Когда напряжение на заряжаемой батареи достигнет 14,6 В, зарядное устройство будет поддерживать это напряжение на постоянном уровне и контролировать протекающий через батарею зарядный ток.

Такой режим известен под названием “поглащающий режим” или “режим сверхзаряда”. К этому времени батарея будет заряжена до 85%...90% ее полной емкости. Поскольку процесс зарядки батареи будет продолжаться, а напряжение оставаться постоянным (14,6 В), то заряжающий ток будет падать.

Когда протекающий через заряжаемую батарею ток снизится до 30 мА, зарядное устройство переключится в “холостой режим” - подаваемое на батарею напряжение снизится до 13,8 В.

При напряжении 13,8 В, аккумулятор становится “самоограничителем”, при этом будет поддерживаться зарядный ток, необходимый только для компенсации процесса саморазрядки батареи.

Все выше сказанное справедливо при зарядке аккумулятора без нагрузки. Как только вы подключите к заряжаемой батарее небольшую нагрузку (порядка 200 мА), зарядное устройство квалифицирует ток (более 30 мА) как ток потребляемый разряженной батареей, и перейдет в первый режим зарядки, подав на аккумулятор напряжение 14,6 В. Оставленная в таком положении батарея подвергается чрезмерному заряду, что сокращает срок ее службы.

Зарядные устройства на ИМС UC3906

Зарядные устройства, использующие в качестве датчика контроля процесса зарядки ИМС UC3906, работают аналогично трехрежимному зарядному устройству, за исключением того, что переключение из “холостого режима” в “режим сверхзаряда” основывается скорее на изменении напряжения, чем тока.

Зарядное устройство не переключится из “холостого режима” в “режим сверхзаряда”, пока не снизится на 10% (от напряжения “холостого режима”) напряжение на батарее (приблизительно 12,4 В).

Хотя такое зарядное устройство является, по сути, усовершенствованием трехрежимного зарядного устройства, однако имеет потенциальную опасность чрезмерного заряда аккумулятора.

Сначала рассмотрим ситуацию, при которой иС3906-зарядное устройство находится в “режиме сверхзаряда” и вы подключили в этот момент небольшую нагрузку (потребляемый ток 200 мА).

Аккумулятор полностью заряжен, однако из-за того, что нагрузка потребляет ток 200 мА, зарядное устройство остается в “режиме сверхзаряда”, “думая”, что батарея разряжена. При этом, как и в случае с трехрежимным зарядным устройством, аккумулятор подвергается сверхзарядке.

Если мы отключим нагрузку, потребляемый от зарядного устройства ток уменьшится до 30 мА и устройство переключится в “холостой режим” (13,8 В). Когда мы снова подключим маломощную нагрузку (200 мА), зарядное устройство становится источником тока для нагрузки, пока напряжение на аккумуляторе не снизится - зарядное устройство в “режиме сверхзаряда”.

Однако, как только возрастет, потребляемый нагрузкой ток, зарядное устройство уже не сможет работать как источник питания и напряжение на аккумуляторной батарее начнет понижаться. Если мы отключим нагрузку до того, как напряжение на аккумуляторе упадет до 12,4 В, зарядное устройство снова переключится в “холостой режим”.

При циклических изменениях нагрузки (что характерно для режима прием/передача радиостанций) процесс зарядки аккумулятора существенно увеличивается. Давайте снова подключим мощную нагрузку (более 500 мА), однако не будем ее отключать до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не опустится ниже 12,4 В.

Тогда зарядное устройство переключится в “режим сверхзаряда”. При уменьшении потребляемого нагрузкой тока до 200 мА ситуация будет сохраняться прежней, пока мы не отключим нагрузку. В чем проблема?

Почему мы беспокоимся о чрезмерной зарядке SLA-батарей. При напряжении 13,8 В батарея становится самоограничителем и требуется небольшой ток подзаряда для компенсации внутреннего тока утечки (приблизительно 0,001 от номинальной емкости аккумулятора, например 2,9 мА для аккумулятора емкостью 2,9 А/ч).

SLA-батарея может оставаться в таком состоянии очень долгое время без опасений быть чрезмерно заряженной. При напряжении 14,6 В батарея 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 аккумулятора.

SLA-батареи в пластмассовом корпусе, такие как PS-1229A, имеют встроенный предохранительный клапан, который открывается при превышении давления и выпускает избыток газа в атмосферу. В результате гелеевый электролит высыхает, что приводит к сокращению срока службы аккумулятора.

Как глубокий разряд, так и чрезмерный заряд следует избегать, если мы хотим обеспечить максимальный срок службы аккумуляторов. Продолжительное воздействие напряжения 14,6 В на 12-вольтовую SLA-батарею приводит к постепенному ухудшению эксплуатационных параметров батареи.

При использовании в качестве зарядного устройства солнечной батареи возможна подача на аккумулятор напряжения свыше 16 В, что может привести к ее быстрому выходу из строя.

При этих условиях аккумуляторная батарея нагревается, что приводит к увеличению протекающего через нее тока и т.д. В результате такого цепного саморазогрева могут деформироваться внутренние электроды, после этого можно смело выбрасывать, вышедшую за несколько часов из строя, батарею. Для предотвращения теплового “удара”, должны быть ограничены, согласно спецификации завода-изготовителя, зарядные напряжение и ток.

Техническая задача

Чтобы избежать вероятности чрезмерного заряда аккумулятора при использовании автоматического зарядного устройства я решил спроектировать собственное зарядное устройство, которое 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 зарядку).

По мере зарядки батареи напряжение на ней начинает расти. Когда напряжение на клеммах аккумулятора достигнет 14,5 В, зарядное устройство выключится. В отсутствие заряжающего тока через аккумулятор, напряжение на нем начинает снижаться.

В течение четырех секунд (когда заряд батареи отключен) зарядное устройство “читает” напряжение на аккумуляторе. Если напряжение составляет 13,8 В и менее, включается устройство заряда. Если напряжение все еще больше 13,8 В, то зарядное устройство подождет, пока оно не понизится до 13,8 В, а затем включит заряд батареи.

В результате для обеспечения достаточно высокого среднего зарядного тока, поддерживающего аккумулятор 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 (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 батарее небольшую нагрузку, потребляющую ток порядка 200 мА (приемник радиостанции), напряжение на аккумуляторе снизится быстрее, чем в отсутствии нагрузки, что приведет к увеличению длительности импульсов зарядного тока.

При подключении нагрузки, потребляющей ток порядка 2...3 А (режим “передача” в радиостанции) зарядное устройство уже не способно обеспечить нужную токоотдачу (из-за ограничения по току 500 мА).

Напряжение на батарее постепенно будет снижатся из-за потребления нагрузкой тока (2...3 А). Когда нагрузка будет отключена, напряжение на клеммах аккумулятора снова начинает увеличиваться, поскольку зарядное устройство восполняет энергию аккумулятора, затраченную при подключении нагрузки.

По истечении небольшого отрезка времени (в зависимости от того, как долго была подключена нагрузка) напряжение на батарее достигнет значения 14,5 В и процесс импульсного заряда начинается снова.

Зарядное устройство теперь полностью автоматически поддерживает аккумулятор в заряженном состоянии, приспосабливаясь к изменениям подключенной к аккумулятору нагрузки.

Главное достоинство данного зарядного устройства состоит в том, что при нагрузке, потребляющей ток свыше 500 мА источником является аккумулятор. При нагрузке, потребляющей ток менее 200 мА, источником является зарядное устройство, обеспечивающее также заряд аккумулятора. Такой режим работы особенно полезен владельцам портативных радиостанций.

Принципиальная электрическая схема

Электрическая схема зарядного устройства приведена на рис. 1. Микросхема DA1 LM317 (трехвыводной регулятор напряжения) используется как ограничитель тока, регулятор напряжения и “зарядноконтрольный” ключ.

Стабилитрон VD2 (15 В) устанавливает на выходе DA1, при отсутствии нагрузки, напряжение 16,2 В. Резистор R3 ограничивает выходной ток DA1 на уровне 500 мА.

Когда транзистор VТ1 открыт напряжением с выхода таймера DA2 LM555, напряжение на выходе DA1 снижается до 1,2 В. Диод VD4 обеспечивает эффективную развязку заряжаемой батареи от схемы зарядного устройства. Применение в качестве VD4 диода с барьером Шоттки позволят получить малое падение напряжения (меньше 0,4 В) при протекании через него прямого тока.

Принципиальная схема зарядного устройства

Рис. 1. Принципиальная схема зарядного устройства.

Микросхема DA4.1 LM358 используется в качестве компаратора напряжения. ИМС DA5 LM336 - стабилизатор опорного напряжения +2,5 В, подаваемого на неинвертирующий вход (вывод 3) DA4.

Резисторы R11, R12 и R13 образуют делитель напряжения заряжаемой батареи, 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 батареи достигнет значения +14,5 В, компаратор 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 батареи теперь снизится, приблизительно, до 13,8 В, прежде чем компаратор DA4.1 снова переключится. Микросхема DA4.2 - повторитель напряжения.

Напряжение с повторителя поступает на вход (вывод 2) триггера микросхемы DA2. Напряжение +12 В остается на выходе DA4.2 до тех пор, пока конденсатор С5 не разрядится через резистор R6 (приблизительно 4 секунды).

Как только на выходе DA2 появится напряжение 12 В, транзистор VT1 откроется, тем самым соединив вывод ADJ DA1 с общим проводом. При этом заряд батареи прекращается. Выход (вывод 3) DA2 также подключен к двухцветному светодиоду VD3.

Делитель напряжения R14, R15 необходим для обеспечения напряжения смещения на светодиод. При этом VD3 светится красным цветом, когда на выходе DA2 присутствует напряжение +12 В, и зеленым цветом, когда напряжение - О В.

Когда включено напряжение сети, но ключ DA1 выключен (заряд отсутствует), VD3 светится красным цветом.

Когда микросхема DA1 включена и протекает зарядный ток, VD3 светится зеленым цветом. Как только аккумулятор полностью зарядится, VD3 начнет мигать зеленым цветом каждые 4 секунды.

При полностью заряженной батарее длительность свечения светодиода VD3 может составлять 0,5 секунды и время между импульсами будет составлять до 60 секунд и более.

Трансформатор Т1, мост VD1 и конденсаторы С1 и С2 образуют нестабилизированный источник питания с выходным напряжением 20 В и током 0,5 А. Микросхема DA3 LM7812 - стабилизатор напряжения +12 В для питания цепей управления устройства.

Обратите внимание, что корпус DA1 не “сидит” на земле. Поэтому при использовании в качестве теплоотвода корпуса устройства, DA1 необходимо закреплять через изолирующую прокладку. Применение же теплоотвода для DA1 обязательно.

Другие значения зарядного тока

Максимальное значение зарядного тока устанавливается резистором R3. Для приблизительного расчета его значения можно воспользоваться формулой:

R = 1200/1,

где

  • R - сопротивление резистора R3, Ом;
  • I - максимальный зарядный ток, мА.

При увеличении выходного тока зарядного устройства необходимо принимать во внимание мощность трансформатора Т1, и максимальный ток DA1, который равен 1,5 А. Если вы собираетесь эксплуатировать DA1 при максимальном токе, необходимо применить эффективный отвод тепла.

Настройка

Для настройки потребуется регулируемый источник питания постоянного напряжения 12...15 В. Для этих целей удобно использовать две 9-вольтовые батарейки от транзисторных радиоприемников, соединенные последовательно и включенные в схему, показанную на рис. 2.

Делитель напряжения R1, R2 обеспечивает изменение выходного напряжения в пределах 9...18 В. Во время следующего этапа настройки убедитесь, что вспомогательный источник подключен к разъему J2 зарядного устройства. Удалите перемычку с разъема Л и подайте сетевое напряжение на J3.

Движок резистора R13 полностью поверните против часовой стрелки. Светодиод VD3 должен светиться зеленым цветом. Подсоедините источник испытательного напряжения к J2, и, вращая движок резистора R1 (рис.

2) добейтесь напряжения на выходе 14,5 В. Медленным вращением движка резистора R13 по часовой стрелке добиваются свечения светодиода VD3 красным цветом.

Для проверки работы схемы выждите около 4 секунд. Затем постепенно уменьшите испытательное напряжение до значения, при котором светодиод VD3 начнет светиться зеленым цветом.

В этом положении испытательное напряжение будет составлять приблизительно 13,8 В. Медленно увеличивая испытательное напряжение, снова добиваются свечения VD3 красным цветом.

При этом испытательное напряжение должно составлять 14,5 В. Если оно не будет точно 14,5 В проделайте предыдущие операции снова. Цель регулировки состоит в том, чтобы светодиод VD3 загорался красным цветом при входном испытательном напряжении 14,5 В.

Схема подключения батареи

Рис. 2. Схема подключения батареи.

Для проверки работы таймера, отключите испытательное напряжение от J2 и установите его равным приблизительно 15 В. Нажав кратковременно на ключ S1 (рис. 2) убеждаются в красном свечении светодиода VD3. По истечению 4 секунд VD3 должен светиться зеленым цветом.

Теперь регулятор откалиброван и готов к применению. Отключите устройство с испытательным напряжением и напряжение сети, затем установите перемычку в разъем Л.

При работе с зарядным устройством важно обеспечить непосредственное его соединение с заряжаемой батареей. Наличие в цепи заряда диодов, резисторов и другой электроники нежелательно.

По материалам QST, may 2001. В. LEWIS.

Перевод В. Коновалов. РМ-03-17.

2 114 Зарядные устройства
аккумулятор аккумуляторная батарея батарея зарядное устройство
Написать комментарий:

cashback