Зарядное устройство для аккумуляторов, независимо от того, заряжаем ли мы аккумулятор регулярно или только изредка, выбор подходящего зарядного устройства очень важен. Оно должно быть простым (как известно, чем сложнее устройство, тем большая вероятность выхода из строя элементов), легким, чтобы его можно было легко транспортировать.
Пределы регулировки тока и напряжения необходимы для защиты аккумулятора от ненужной перезарядки. Следующая предложенная схема позволяет заряжать свинцово-кислотные батареи от 6 до 24В с током до 10А (емкость около 100Ач). Такой широкий диапазон обусловлен главным образом отсутствием трансформатора для зарядки тока. Для питания собственной электроники используется отдельный маломощный трансформатор.
Вторичная обмотка зарядного трансформатора подключена к клеммам Х1. Диоды Шотки D1, D2, D3 и D4 образуют мостовой выпрямитель, отрицательное напряжение, которое подается на общую землю зарядного устройства, а положительное напряжение фильтруется конденсатором C1 и подается на эмиттер переключающего транзистора T1, он управляет тиристорами.
Резисторы R1 и R2 ограничивают ток, протекающий к электродам, диоды D5 и D6 предотвращают попадание положительного напряжения от управляющих электродов на коллектор транзистора T1. Таким образом, величина зарядного тока контролируется моментом открытия тиристоров по отношению к синусоиде напряжения (угол открытия). Если какой-либо тиристор открыт, положительное напряжение подается на клеммы аккумулятора X2. Отрицательный полюс батареи подключен на общий провод через токоизмерительные резисторы R14-R18. Питание зарядное устройство для аккумуляторов осуществляется от трансформатора Tr1, вторичная обмотка подводится к выпрямительному мосту D10 и одновременно к конденсатору C10, который в сочетании с диодами D12 и D13 образует умножитель и создает отрицательное напряжение для питания операционных усилителей.
Положительное напряжение стабилизируется через защитный диод D11 микросхемой IO3 7806 до +6В, отрицательное — стабилитроном D14 до -5В. Выпрямленное, но еще не отфильтрованное напряжение подается на двухкаскадный усилитель на транзисторах T3 и T4, за которым следует интегрирующая цепь R2C3, она генерирует напряжение пилы в диапазоне 0-3В для операционных усилителей IO1A-IO1C, управляющих режимом зарядки. В этом случае управляющая электроника зарядного устройства состоит из трех цепей, одна из которых предназначена для регулирования тока зарядки, другая служит защитой от перегрузки по току, а третья определяет состояние заряда батареи.
Состояние заряда контролируется компаратором напряжения IO1D. Резистор R8 вместе с R9 образует резистивный делитель, где сравнивает положительное напряжение на батарее и его значение подается на неинвертирующий вход компаратора I01D. D9 является источником опорного напряжения 1,2В, и к нему подключен потенциометр P4 позволяет легко регулировать напряжение подключено к инвертирующему входу I01D. Если напряжение батареи, на неинвертирующем входе I01D выше, чем значение напряжения опорной пилы, выход компаратора переходит в состояние высокого логического уровня.
Поскольку выбранная микросхема LM339 имеет транзистор с открытым коллектором, подключенный к выходу, и поэтому может определять уровень постоянного тока только для состояния низкого уровня, резистор R6 также подключен к его выходу, определяя положительное значение напряжения на высоком уровне. Высокий уровень на выходе I01D означает положительное напряжение 6В также на инвертирующем входе 101B, которое, таким образом, всегда будет более положительным, чем напряжение пилы на неинвертирующем входе, и поэтому 101B будет постоянно находиться в состоянии низкого уровня, он блокирует соответственно ограничивает зарядку, чтобы напряжение не продолжало расти.
Изменяя значения делителя сопротивлений R8 / R9, легко определить напряжение заряда аккумулятора и, таким образом, выбрать между аккумуляторами с номинальным напряжением 6/12/24В. Ограничение максимального зарядного тока реализуется неинвертирующем усилителем IO2 в связке с компаратором 101C. Зарядный ток батареи протекает через набор параллельно включенных резисторов R14-R18, что, согласно закону Ома, вызывает падение напряжения, прямо пропорциональное протекающему току. Параллельное соединение пяти резисторов является компромиссом между доступными резисторами и требуемым падением напряжения, оно должно быть дополнительно обработано операционным усилителем и выше его уровня помехоустойчивости и потери мощности на резисторах, которые при используемых значениях (5‐х резистор 0,1 Ом => 0, 02 Ом при 10 А = 2 Вт).
Резисторы R24 и R25 создают делитель, благодаря которому на клеммах X3 имеется напряжение 100 мВ при токе 10А, для измерительного устройства можно применить цифровой вольтметр. Напряжение с делителя подается через резистор R13, отфильтрованным конденсатором C5, усиленном операционным усилителем IO2. Компаратор IO1C сравнивает напряжение с резисторов с опорным напряжением пилы, и, если ток батареи слишком велик, компаратор перекидывается и блокирует зарядку. Коэффициент усиления IO2 определяется соотношением A = 1 + (R11 + P3) / R12) и с использованными значениями на схеме он находится в диапазоне 28-53.
С помощью подстроечного резистора P3 можно установить коэффициент усиления, и, таким образом, также можно увеличить или уменьшить постоянное напряжение для компаратора, а значит, и максимальный ток зарядки. Конденсатор С4 устраняет быстрые колебания напряжения, которые могут вызвать нестабильность зарядки, в то время как резистор R3 ограничивает ток зарядки и разрядки, чтобы предотвратить повреждение выхода операционного усилителя. Диод D8 предотвращает проникновение отрицательных пиков на инвертирующий вход I01C.
Зарядный ток регулируется с помощью потенциометра P2, а также подстроечным резистором P1 компаратора I01 A. Потенциометр R15 регулирует угол, открывая тиристоры и, следовательно, ток зарядки аккумулятора, в то время как подстроечный резистор P1 позволяет устанавливать нулевой ток, когда P2 установлен на минимум. Вся схема зарядное устройство для аккумуляторов, за исключением силового зарядного трансформатора, смонтирована на односторонней печатной плате, которая представлена на рисунке.
Тем не менее, механическая конструкция должна быть продумана заранее, потому что тиристоры и выпрямительные диоды требуют охлаждения. В зависимости от зарядного тока выделяемое тепло может варьироваться от 10Вт до 20Вт. Поэтому компоненты расположены таким образом, чтобы их можно было легко установить на радиатор. Также транзистор Т1 может нуждаться в дополнительном небольшом охлаждении. Настройка зарядного устройства, для чего нам понадобится, помимо вольтметра и амперметра, также стабилизированный источник, батарея, можно использовать старую, которая будет служить нагрузкой, ну в идеале также осциллограф. Сначала мы выполняем базовые замеры с помощью вольтметра. Подключим зарядное устройство к сети (пока без силового трансформатора) и проверим значения положительного и отрицательного напряжения питания. Мы также можем предварительно установить максимальное напряжение зарядки аккумулятора с помощью вольтметра, подключенного к инвертирующему входу I01D, и подстроечным резистором P4 (Внимание, значение, деленное на делитель R8 / R9, установлено).
Затем мы используем осциллограф для проверки напряжения пилы на конденсаторе C3. Теперь мы подключаем стабилизированное напряжение ниже, чем максимальное зарядное напряжение аккумулятора, для которого мы установили делитель сопротивлений R8 / R9, к клеммам X1. Теперь светодиод D7, сигнализирующий о зарядке, должен загореться. Если мы теперь подключим положительное напряжение от лабораторного источника к клемме X2-1, представляющей положительный полюс батареи, и начнем увеличивать напряжение, D7 должен погаснуть, когда будет достигнуто значение максимального зарядного напряжения батареи.
Если этого не происходит, отрегулируйте уровень с помощью резистора P4. Теперь установите P1 и P2 в положение минимального зарядного тока, подключите зарядный трансформатор и аккумулятор и включите все устройство. Одновременно отслеживаем зарядный ток с помощью амперметра, минимальное значение которого можно скорректировать с помощью подстроечного резистора P1. И проверяем напряжение на резисторах R14-R18 с помощью вольтметра. Увеличьте ток, протекающий через батарею, примерно до 2А используя подстроечный резистор P3, чтобы проверить работу ограничителя при минимальном токе. Затем устанавливаем максимально допустимый ток батареи на аккумуляторе. Это завершает настройку, и зарядное устройство готово к работе.
В то время как в случае универсального зарядное устройство для аккумуляторов для различных типов батарей очень просто изменить значение максимального зарядного напряжения с помощью простого переключателя, подключенного к R8, и ток зарядки можно непрерывно изменять потенциометром P2, защита по току установлена на постоянном уровне. Можно было бы заменить подстроечный резистор P3 на потенциометр, но это несколько неудобно с практической точки зрения, так как низкое значение, ограничит зарядку емкостных батарей, а слишком высокое неэффективно.
Поэтому рекомендуется ограничить использование зарядное устройство для аккумуляторов таким образом, чтобы максимальный зарядный ток соответствовал примерно 0,1 (емкости) самой емкостной заряжаемой батареи и в то же время максимально 0,5 самой маленькой. Зарядное устройство можно использовать также с гелевыми не обслуживаемыми аккумуляторами, как и с обычными автомобильными аккумуляторами. Необходимо только помнить о незначительных различиях в зарядке гелевых элементов, и лучше заряжать их меньшим током в течение более длительного времени, чем подвергать риску их разрушения во время «быстрой зарядки».