Оптимальное зарядное устройство для зарядки аккумуляторных батарей.

Оптимальное зарядное устройство для зарядки аккумуляторных батарей.

Химические источники тока очень широко используются для питания радиоэлектронной аппаратуры различного спектра применения. Преимущества их очевидны:  независимость от энергоисточников, достаточная мощность и энергоёмкость, малогабаритность. Особенно удобны возобновляемые источники – аккумуляторы.  К уже отмеченным преимуществам добавляется и многоразовость: исчерпанный источник можно много раз перезаряжать. У современных аккумуляторов количество циклов «заряд - разряд» может достигать нескольких тысяч без заметного снижения энергоёмкости.

        Для аккумуляторов и аккумуляторных батарей (в дальнейшем – АКБ) процесс и режим зарядки очень важен.  От этого в значительной степени зависит долговечность и энергоёмкость батареи.  Наиболее выгодно и безопасно заряжать АКБ в соответствии с законом  ампер – часов Вудбриджа. Из этого закона следует, что сила зарядного тока (в амперах) не должна превышать величину заряда (в ампер-часах), недостающего до полной ёмкости АКБ.  То есть, зарядный ток может быть максимальным в начальной стадии заряда и плавно уменьшаться, достигая минимальной величины в конце заряда. Можно построить графическую зависимость зарядного тока от накопляемого  электрического заряда (энергии). Эта зависимость подобна заряду электрического конденсатора.

На графике 1 приведён пример зависимости зарядного тока от времени заряда для наиболее распространённой автомобильной  АКБ емкостью 55 А/час по закону Вудбриджа.  Но обычно АКБ заряжают постоянным током равным 0,1 номинальной емкости до полного заряда, который должен длиться не менее 12 часов (если батарея полностью разряжена).
Сравним на графике 2 как происходит заряд АКБ традиционно и по закону Вудбриджа:

Здесь видно, что при обычном заряде неизменным током уже через час АКБ будет заряжаться неоптимально:  величина тока будет избыточна, что приводит к деградации пластин аккумулятора, осыпанию активного наполнителя и затягиванию времени зарядки. Затраты энергии (пропорционально площадям фигур, ограниченных сверху графиками) при обычном способе заряда  также больше.

        Закон Вудбриджа был открыт в 1935 году, когда в автомобилестроении стали широко применяться кислотные аккумуляторы. Заряжались они постоянным (стабильным) током. Уже тогда было определено, что АКБ можно заряжать  гораздо быстрее большими  токами, а если использовать малые токи, время зарядки пропорционально увеличивается. Если принять ёмкость АКБ за  Q , то применяя  ток заряда от Q до Q/4, можно зарядить аккумулятор   за 1-4 часа (быстрая зарядка). Ток Q/10 зарядит АКБ  за  стандартное время, а ток Q/50 будет заряжать аккумулятор длительно  (т.н. «капельная» зарядка).

        Быстрая зарядка большим током  вредна и опасна для аккумулятора. Разрушаются пластины, происходит повышенное газоотделение, выделяются  опасные для здоровья  водород и кислотный аэрозоль, быстро выкипает вода из электролита, повышается температура и давление внутри АКБ. Единственное преимущество этого способа – быстрая по времени зарядка – даётся дорогой ценой: ресурс АКБ резко падает.

        Напротив, «капельная» зарядка позволяет равномерно, без негативных последствий полностью зарядить АКБ, но за очень длительное время:  20-40  часов.

        Стандартное время зарядки считается приемлемым: зарядка длится  8-10 часов током величиной 0,1 от ёмкости АКБ.

        Но и в этом случае зарядка проходит неоптимально.  Значительную часть времени АКБ будет принимать ток заряда гораздо больший, чем это необходимо.  Вот тут и требуется зарядка по закону Вудбриджа. Начальное время, когда АКБ «пустая», ток может быть от Q/4 (8-10 ампер) и, это не опасно. Далее ток должен уменьшаться по закону Вудбриджа, и в конце заряда он должен быть не выше тока саморазряда («вудбридж-режим»).  В этом случае перезаряд АКБ исключён.  Практически в настоящее время используются два способа зарядки аккумуляторов: заряд неизменным (стабильным током)  величины Q/10, это наиболее распространённый способ зарядки в быту; и заряд при стабильном напряжении (1,15-1,2)Uакк . Это режим зарядки при эксплуатации на автомобиле, который является приближённым аналогом заряда по закону Вудбриджа, но не позволяет реализовать его на начальном этапе заряда.  Появились и зарядные устройства, использующие закон Вудбриджа. В них, как правило,  используется специализированный контроллер, следящий за напряжением, температурой, током зарядки АКБ, он может работать по разным программам, с различными токами,  напряжениями и временными интервалами зарядки.    Это сложные и достаточно дорогие устройства.  

        Была поставлена задача: попробовать разработать несложное зарядное устройство для зарядки аккумуляторных батарей по закону Вудбриджа из простых и доступных элементов.

        Из источников [1] и [2] известно, что зависимость тока зарядки от времени должна быть близкой к закону зарядки конденсатора стабильным током.  За прототип была принята  схема источника стабильного тока из  [2] (рис.1).

 Рис 1.

        Поскольку прототип был рассчитан зарядку щелочных  никель-кадмиевых и металло-гидридных аккумуляторов напряжением 9 В и ток заряда   не более 100 мА, схема была изменена и доработана  для заряда автомобильных кислотных железо - свинцовых аккумуляторов напряжением 14 В и током до 10 А. Кроме этого схема была дополнена узлами защиты от короткого замыкания и перенапряжения, регулировки тока заряда,  переключателем режима зарядки и таймером.

        Значительный зарядный ток определил выбор регулирующего транзистора для регулировки тока заряда. Он должен иметь максимальный прямой ток не менее 15 А, мощность рассеяния не менее 100 Вт. Этим требованиям удовлетворяет составной транзистор КТ 825, выполненный по схеме Дарлингтона (рис.2)  

Схема стабилизатора тока была доработана так, чтобы переключателем можно было перевести устройство из управляемого стабилизатора тока («вудбридж-режима») в стабилизатор напряжения  или  стабилизатор тока.

В стабилизаторах  предусматривалось плавное регулирование напряжения и тока (как вариант – дискретная установка) для возможности заряда не только свинцовых АКБ, но и щелочных:  никель-кадмиевых, металло-гидридных, серебряно-цинковых, литиево-ионных.                        

Для исключения аварийной ситуации устройство было дополнено блоком защиты от токовой перегрузки. Оно должно выключать зарядное устройство при превышении тока в цепи заряда выше 12 ампер. Дополнительно устройство решено оснастить  таймером, задающим время заряда в режиме стабильного тока и напряжения и выключающим схему из сети при выполнении заряда АКБ. В процессе разработки были рассмотрены и опробованы несколько вариантов реализации защиты: релейная, электронная, температурная. Наиболее приемлемым  признан   электронный выключатель на оптосимисторе, позволяющий отключать зарядное устройство от сети при перегрузке по току или  при завершении  заданного временного режима зарядки.

Описание схемы:

Принципиальная схема собственно зарядного  устройства представлена на рис.3.

Рис.3

Сетевое напряжение подаётся на трансформатор через оптосимистор VS1. В исходном состоянии он заперт. Нажатие на кнопку SA1 шунтирует симистор и подаёт напряжение на трансформатор. Постоянное напряжение с выпрямителя VD1 и  VD2 приходит на таймер; включается  цепь оптосимистора через светодиод HL3. Симистор открывается и включает устройство уже штатно.

        Напряжение со вторичной обмотки трансформатора поступает на выпрямитель на диодах VD2,VD3 и фильтр на  C1,C2. Затем через резистор R1 подаётся на эммитер транзистора регулирования КТ825А. Резистор R1 – элемент обратной связи в стабилизаторе напряжения по току и датчик блока защиты.

Через транзистор регулирования ток заряда через защитный диод VD5 ДЛ112-25 и амперметр  подаётся на положительную клемму АКБ. Начинается заряд аккумулятора.

        Переключатель SA2 задаёт режим работы зарядного устройства. Светодиоды HL1 и HL2 индицируют режим работы. «WL» - (woodbrige law)- вудбридж-режим. Светодиоды не светятся. В этом режиме регулирующий элемент – составной транзистор КТ-825А – включён по схеме управляемого стабилизатора тока. Напряжение с АКБ на коллекторе транзистора задаёт ток, который будет протекать по цепи заряда. Если АКБ разряжена полностью, напряжение на ней будет минимально. Напряжение, задаваемое  цепью R4, VD1, VD4, R2,откроет транзистор настолько, что ток (задаётся R4) не превысит 10 ампер. По мере зарядки (по закону Вудбриджа) напряжение на батарее повышается и ток снижается по гиперболической кривой, достигая по мере заряда минимально возможного тока саморазряда. В этом режиме АКБ может безопасно находиться длительное время. Если установить время таймера, к примеру, 9 часов, то полная зарядка произойдет за 4-6 часов, и через 9 часов устройство автоматически отключится от сети, не испытывая перезаряда. Можно установить и 5-6 часов на таймере, тогда отключение произойдёт раньше. Диод VD5 не позволит АКБ разряжаться через элементы зарядного устройства, поэтому батарею не требуется отключать от него. Кроме этого диод защищает устройство от неправильного подключения АКБ.

        В режиме «VS» - (voltage stability)- стабильное напряжение, светится зелёный светодиод HL1. Схема работает как стабилизатор напряжения, величина которого задаётся резистором  R7 в диапазоне  9 - 16 вольт. При этом стабилизатор обеспечивает и защиту от короткого замыкания в цепи нагрузки. Величина тока отсечки задаётся резистором R4 и  составляет 3-7 ампер. В этом режиме можно и АКБ заряжать, и использовать устройство в качестве регулируемого стабилизированного источника питания для радиоаппаратуры и других целей.

        В режиме «CS» - (current stability)- стабильный  ток, светится красный светодиод HL2. При этом обеспечивается при изменении напряжения от 12 до 16 вольт поддержание  в цепи тока от 2 до 5 ампер. Величина неизменного тока задаётся резистором R5.         В этом режиме необходимо включение таймера для ограничения времени заряда. Этот режим используется только для заряда полностью разряженных АКБ или  для циклической тренировки (десульфатации) аккумуляторов.

        Ток и напряжение в цепи АКБ контролируются измерительными приборами   PA1 и PV1.

        Блок защиты от перегрузки по току (рис.4)

Рис.4

сконструирован на основе триггера Шмидта, выполненного на интегральной микросхеме К544УД1А. Это операционный усилитель с очень высоким входным сопротивлением. Он охвачен положительной обратной связью через резистор R7. Питание усилителя (12 В) осуществляется через параметрический стабилизатор R10, VD1. Входы  усилителя подключены к резистору R1 зарядного устройства (рис.3). При превышении тока выше допустимого предела, напряжение на резисторе повышается до величины, при которой срабатывает триггер на ОУ DA1. Уровень срабатывания задаётся резистором R4 и  соответствует току в 12 ампер, протекающему по цепи заряда АКБ. Транзистор VT1 открывается и  создаёт уровень «лог.0» на входе управления таймера. Таймер отключает зарядное устройство от сети.

        Схема таймера представлена на рис. 5.

Рис.5

Таймер сконструирован на интегральных микросхемах DD1-DD5 серии К176 и К561. Генератор времени выполнен на микросхеме DD1 К175ИЕ5. Это стандартная часовая микросхема, синхронизированная кварцевым генератором. Она  выдаёт импульсы с периодом в секунду высокой точности. Импульсы приходят на микросхему счетчика DD2, где делятся на  3600, выдавая на выходе 13 микросхемы 4И-НЕ импульсы последовательностью 1 час. Часовые импульсы поступают на вход счётчика –дешифратора DD3 К561ИЕ8, на выходах которого появляется последовательная серия положительных уровней в количестве 10 импульсов, следующих через  1 час. Импульс, соответствующий необходимому времени заряда выбирается (задаётся) переключателем импульсов  SA1.  Положение «0» переключателя  SA1 соответствует отключению устройства. После включения сети на переключателе должен быть «лог.0». Тогда на выходе 4 микросхемы К561ЛЕ5 – «лог.0», и транзистор VT1 открыт. Транзистор оптрона АОТ128, последовательно включённого в цепь управления симистора для развязки от помех, открывается и симистор включается.  Через заданное количество часов  на одном из выходов 1-12 микросхемы DD3 появится («лог.1»). Через буферные логические элементы 2ИЛИ-НЕ «лог.1» подаётся на базу транзистора VT1 и он закрывается, выключая оптрон  DA.  Симистор закроется и отключит сеть от зарядного устройства.

        Конструктивно устройство зарядки выполнено из 4 блоков:

        блок питания (трансформатор, выпрямитель с фильтром, система выключения, мощный транзистор с радиатором);

        блок стабилизации (плата стабилизаторов);

        блок защиты от перегрузки;

        блок таймера времени зарядки;

Все платы установлены с помощью разъёмов на общем каркасе.