Зарядные устройства для аккумуляторов

Соблюдение режима эксплуатации аккумуляторных батарей, и в частности режима зарядки, гарантирует их безотказную работу в течение всего срока службы. Зарядку аккумуляторных батарей производят вполне определенным током, значение которого можно определить по формуле I = 0,1Q для кислотных и I = 0,25Q для щелочных аккумуляторных батарей, где Q - паспортная электрическая емкость аккумуляторной батареи, А-ч; I - средний зарядный ток, А.

Установлено, что зарядка чрезмерно большим током приводит к деформации пластин аккумуляторов и даже разрушению их; зарядка малым током вызывает сульфатацию пластин и снижение емкости аккумуляторной батареи. Зарядный ток, рекомендуемый в инструкции по эксплуатации аккумуляторной батареи, обеспечивает оптимальное протекание электрохимических процессов в ней и нормальную работу в течение длительного времени. Степень заряженности аккумуляторной батареи можно контролировать как по значению плотности электролита и напряжению (для кислотных), так и по напряжению (для щелочных) на полюсных выводах.

Окончание зарядки кислотной аккумуляторной батареи определяют по следующим признакам: напряжение на каждом аккумуляторе батареи достигает 2,5...2,6 В; плотность электролита достигает определенного значения и больше не изменяется; происходит обильное газовыделение - электролит "кипит"; электрическая емкость, сообщенная батарее, на 15...20% больше емкости, отданной в процессе разрядки.

Кислотные аккумуляторные батареи чувствительны к недозаряд-ке и перезарядке, поэтому их зарядку надо заканчивать своевременно.

Щелочные аккумуляторные батареи менее критичны к режиму эксплуатации. Для них окончание зарядки характеризуется установлением на каждом аккумуляторе напряжения 1,6... 1,7 В и сообщением батарее 150... 160% емкости, отданной ею в процессе разрядки. Зарядное устройство обычно состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя и регулятора тока зарядки. В качестве регуляторов тока обычно используют проволочные реостаты и транзисторные стабилизаторы тока. В обоих случаях на этих элементах выделяется значительная тепловая мощность, что снижает КПД

зарядного устройства и увеличивает вероятность выхода его из строя.
Для регулировки заряд-
ного тока можно использовать магазин конденсаторов,
включаемых последователь-
но с первичной (сетевой) обмоткой трансформатора и выполняющих функцию реактивных сопротивлений, гасящих избыточное напряжение сети. Упрощенная схема такого устройства приведена на рис. 75. В нем тепловая (активная) мощность выделяется лишь на диодах VD1-VD4 выпрямительного моста и трансформаторе, поэтому нагрев устройства незначителен. Ток зарядки аккумуляторной батареи GB1 поддерживается на определенном уровне. В процессе зарядки напряжение на батарее увеличивается, а ток, текущий через нее, стремится уменьшиться. Но при этом возрастает приведенное сопротивление первичной обмотки трансформатора Т1, напряжение на ней увеличивается, в результате чего ток через батарею GB1 изменяется незначительно.

Как показывают расчеты, наибольшее значение тока через аккумуляторную батарею при заданной емкости конденсатора С1 будет при равенстве падений напряжения на этом конденсаторе и первичной обмотке трансформатора. Первичную обмогку рассчитывают на полное напряжение сети для большей надежности устройства и возможности применения готовых понижающих трансформаторов, вторичную обмотку - на напряжение, в полтора раза большее, чем номинальное напряжение нагрузки.

В соответствии с этими рекомендациями и расчетами было собрано устройство, обеспечивающее зарядку 12-вольтовых аккумуляторных батарей током до 15 А, причем ток зарядки можно изменять от 1 до 15 А ступенями через 1 А. Предусмотрена возможность автоматического выключения устройства, когда батарея полностью зарядится. Оно не боится кратковременных коротких замыканий в цепи нагрузки и обрывов в ней.

Схема этого устройства приведена на рис. 76. Магазин конденсаторов состоит из конденсаторов С1-С4, суммарная емкость которых составляет 37,5 мкФ. Выключателями Q1-Q4 можно подключать различные комбинации конденсаторов и тем самым регулировать ток зарядки. Например, для тока зарядки, равного 11 А, необходимо замкнуть контакты выключателей Ql, Q2 и Q4.

 

Рассмотрим работу устройства. Допустим, что к гнездам XS1 и XS2 подключена аккумуляторная батарея и выключателями Q1-Q4 установлен требуемый зарядный ток. В этом случае при нажатии 

кнопки SB1 "Пуск" сработает реле К1, контактами К1.1 оно заблокирует кнопку SB1, а контактами К1.2 подключит к заряжаемой батарее цепь автоматического отключения устройства. Контакты К 1.2 необходимы для того, чтобы батарея не разряжалась после отключения устройства от сети через диод VD6 и резисторы R3-R5.

Переменным резистором R4 устанавливают порог срабатывания реле К2 (оно должно срабатывать при напряжении на гнездах XS1 и XS2, равном напряжению полностью заряженной батареи). Когда напряжение батареи достигнет заданного значения, откроются стабилитрон VD8 и транзистор VT2. Сработает реле К2, которое контактами К2.1 обесточит обмотку реле К1, а оно, отпуская, контактами К 1.1 разорвет цепь питания устройства. При нарушении контакта в цепи нагрузки напряжение на гнездах XS1 и XS2 резко возрастет, отчего также сработает реле К2 и отключит устройство от сети.

Аварийное отключение устройства происходит при любом положении движка переменного резистора R4. Но такие случаи нежелательны так как в течение вре.мени срабатывания реле К2 и отпускания реле К1 конденсаторы С1-С4 будут находиться под повышенным напряжением (превышающим сетевое). Поэтому зарядное устройство следует включать в сеть лишь после того, как аккумуляторная батарея подсоединена к выходным гнездам. При коротком замыкании в цепи нагрузки ток через гнезда XS1 и XS2 несколько увеличивается, но для устройства это не опасно.

Все постоянные резисторы устройства - типа МЛТ-0,5; переменный резистор R4 - типа СП-1. Вместо транзистора КТ801А (VT1) можно применить КТ603, КТ608, КТ815 с любыми буквенными

индексами, вместо транзистора КТ315Б (VT2)-KT315, КТ312, КТ503, КТ601-КТ603 с любыми буквами. Измерительные приборы РА1 и PU1 - типа М5-2, рассчитанные соответственно на ток 30 А и напряжение 30 В. Реле К1 - типа РС-13 (паспорт РС4.523.029), его контакты К 1.1 - параллельно соединенные три группы контактов. Возможно применение реле типа МКУ-48, рассчитанного на переменное напряжение 220 В. В этом случае надобность в диоде VD1 и конденсаторе С5 отпадает. Реле К2 - типа РЭС-22 (паспорт РФ4.500.129). Диоды Д305 двухполупериодного выпрямителя установлены на радиаторе с поверхностью охлаждения 300 см , от радиатора они электрически изолированы слюдяными прокладками. Радиатор крепится к шасси из дюралюминия, которое является как бы продолжением радиатора.

Вместо диодов Д305 можно применить Д214, Д242, но в этом случае в три-четыре раза возрастает тепловая мощность, рассеиваемая на них, поэтому размеры радиатора придется увеличить. Конденсаторы С1-С4 составлены из параллельно соединенных конденсаторов КБГ-МН, МБГЧ, МБГО, МБГП, МБМ соответствующих емкостей. Номинальное напряжение конденсаторов КБГ-МН и МБГЧ, рассчитанных на работу в цепях переменного тока, должно быть не менее 350 В, всех других типов конденсаторов - не менее 600 В. Конденсаторы С5-С7 - типов К50-3, К50-6, выключатели Ql-Q4-THna ТВ2-1-2 или ТП1-2, кнопка SB1 - КП1, КМ1-1, П2К.

Сетевой трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе IUJI32x40. Обмотка I содержит 670 витков провода ПЭВ-1 0,9, обмотка II - 75 витков провода ПЭВ-2 2,26. Намотку вторичной обмотки ведут в два провода. ,

В качестве корпуса зарядного устройства можно использовать металлическую коробку размерами 360 х 220 х 220 мм, просверлив в ее стенках отверстия для свободной циркуляции воздуха.

Налаживание смонтированного устройства сводится к подбору шунта амперметра РА1 на ток 30 А и подбору емкостей конденсаторов С1-С4, обеспечивающих требуемые зарядные токи.

При зарядке 12-вольтовых аккумуляторных батарей током 15 А КПД устройства достигает 75%, а температура внутри корпуса после 10 ч непрерывной работы не поднимается выше 40°С.

Такое устройство можно применять и для зарядки аккумуляторных батарей с напряжением менее 12 В, например 6-вольтовых мотоциклетных. Но тогда надписи около выключателей Q1-Q4 не будут соответствовать фактическим значениям зарядных токов. Фактический зарядный ток в этом случае не должен превышать 15 А.

Это зарядное устройство можно дополнить измерителем заряда, сообщенного аккумулятору. Принцип работы такого измерителя

заряда может быть основан на преобразовании напряжения в частоту (схемы преобразователей "напряжение-частота" нередко приводятся в журнале "Радио"). Напряжение следует снимать с резистора небольшого сопротивления (0,05...0,1 Ом) включенного в цепь зарядки аккумулятора. При наличии цифрового счетчика заряда несложно обеспечить автоматическое отключение устройства от сети при сообщении батарее заданного заряда. Можно также дополнить зарядное устройство реле времени, чтобы отключение аккумулятора обеспечивалось автоматически через заданное время. Продолжительность зарядки при этом рассчитывают исходя из емкости, которую необходимо сообщить аккумулятору, и значения тока зарядки. Особенно удобно использовать заряд по времени в тех случаях, когда аккумулятор разряжен до напряжения 10,5 В (для 12-вольтного аккумулятора), при этом считается, что аккумулятору следует сообщить в процессе зарядки 105...110% его номинальной емкости.

На рис. 77 представлена схема еще одного зарядного устройства, в котором ток зарядки плавно регулируется от нуля до максимального значения. Изменение тока в нагрузке достигается регулированием угла открывания тринистора VS1. Узел регулирования выполнен на однопереходном транзисторе VT2. Времязадающий конденсатор С1 заряжается коллекторным током транзистора VT1. Значение этого тока определяется положением движка переменнЬго резистора R3. Чем больше ток, тем быстрее заряжается конденсатор С1 до напряжения открывания транзистора VT2, тем раньше открывается тринистор VS1, тем больше среднее значение тока через аккумуляторную батарею. Следовательно, зарядный ток регулируется поворотом движка переменного резистора R3. Напряжение на этот резистор поступает от подключенной к гнездам XS1 аккумуляторной батареи. Чтобы исключить зависимость зарядного

тока от напряжения на аккумуляторной батарее, напряжение на переменном резисторе R3 стабилизировано стабилитроном VD6.

Питание базы транзистора VT1 частью напряжения аккумуляторной батареи позволило обеспечить эффективную защиту зарядного устройства от неправильной полярности подключения аккумуляторной батареи к гнездам XS1, т. е. от переполюсовки. При переполю-совке диод VD7 окажется включенным в обратном направлении, напряжение на базе транзистора VT1 будет отсутствовать, конденсатор С1 не будет заряжаться и ток в нагрузке будет равен нулю. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если к гнездам XS1 подключена нагрузка, не имеющая собственной ЭДС, а также аккумулятор с напряжением меньше 4...5 В.

Для измерения силы зарядного тока использован микроамперметр РА1 с шунтом из резисторов R7, R8. Защита устройства обеспечена со стороны сети и нагрузки предохранителями FU1 и FU2.

Налаживание зарядного устройства несложно. Подключив аккумуляторную батарею с номинальным напряжением 12 В и подав сетевое напряжение выключателем Q1, перемещают движок переменного резистора R3 в нижнее по схеме положение и подбором резистора R2 устанавливают ток в нагрузке, соответствующий максимальному значению (в данном случае 5 А). С помощью резистора R8 устанавливают предел измерения тока прибором РА1 - полное отклонение стрелки прибора должно соответствовать току 10 А.

На рис. 78 показаны временные диаграммы работы обоих описанных зарядных устройств. Ток заряда протекает через аккуму

лятор только тогда, когда U3 < Ua. Таким образом, форма зарядного тока отличается от синусоидальной, особенно для устройства с тринисторным регулированием. Это приводит к увеличению коэффициента формы кривой зарядного тока (коэффициент формы - это отношение действующего значения тока к среднему значению тока). Под током заряда понимают именно среднее значение тока; это значение и показывает амперметр, включенный в зарядную цепь. Действующее же значение тока характеризует тепловые потери в обмотках трансформатора, диодах выпрямительного моста и регулирующем тринисторе. Следовательно, увеличение коэффициента формы кривой тока приводит к необходимости увеличивать сечение проводов обмоток трансформатора и его мощность, применять более мощные диоды и тринисторы и устанавливать их на радиаторах большей площади. Как показывает анализ, коэффициент формы растет с увеличением угла а и с увеличением отношения Ua/Umax. Так, для зарядного устройства по схеме рис. 76 при Ua/Umax = 0,7, коэффициент формы равен 1,5; для зарядного устройства по схеме рис. 77 при Ua/Umax = 0,7, а = 90° коэффициент формы равен 3. Это означает, что вторичная обмотка трансформатора должна быть рассчитана на ток, втрое больший зарядного тока; мощность трансформатора также должна быть втрое больше мощности, потребляемой аккумулятором.

Названное обстоятельство является существенным недостатком зарядных устройств с регулятором тока тринистором.

Значительно снизить потери мощности в тринисторе и, следовательно, повысить КПД зарядного устройства можно, если регулирующий элемент перенести из цепи вторичной обмотки трансформатора в цепь первичной обмотки. Схема такого устройства показана на рис. 79. Регулирующий узел аналогичен используемому в предыдущем варианте устройства. Регулирующий тринистор VS1 включен в диагональ выпрямительного моста VD1-VD4. Поскольку ток первичной обмотки трансформатора примерно в 10 раз меньше тока заряда, на диодах VD1-VD4 и тринисторе VS1 выделяется относительно небольшая тепловая мощность и они не требуют установки на радиаторы. Кроме того, значительно уменьшены потери мощности на шунте амперметра (резисторе R1) за счет включения амперметра в цепь первичной обмотки трансформатора Т1. Кроме того, применение тринистора в цепи первичной обмотки трансформатора позволило несколько улучшить форму кривой зарядного тока и снизить значение коэффициента формы кривой тока (что также приводит к повышению КПД зарядного устройства). К недостатку этого устройства следует отнести гальваническую связь с сетью элементов узла регулирования, что необходимо учитывать 

при разработке конструктивного исполнения (например, использовать переменный резистор R6 с пластмассовой осью).

О деталях зарядных устройств. В первом варианте (рис. 77) в качестве тринистора VS1 можно применить тринисторы КУ202 с любыми буквами, а также тринисторы 2Т122-25, 2Т132-50. Во втором варианте зарядного устройства (рис. 79) можно использовать тринисторы типов КУ201 (К,Л); КУ202 (К-Н). Выпрямительные диоды, работающие в цепи вторичной обмотки, помимо указанных на схемах могут быть типов Д231-Д233 (без буквы или с буквой А). Диоды VD1-VD4 в схеме на рис. 79 могут быть типов Д231-Д234, Д245, Д247 (с любыми буквами), КД202 (с буквами К, М, Р). Времязадающий конденсатор С1 должен иметь небольшой температурный коэффициент емкости во всем диапазоне рабочих температур, в противном случае ток зарядки аккумулятора будет сильно зависеть от температуры. Желательно использовать конденсаторы типов К73-17, К73-24. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопро-воде ШЛ25 х 50. Обмотка I содержит 710 витков провода ПЭВ-2 0,8, обмотка II - 65 витков провода ПБД 2,64.

В зарядном устройстве по схеме рис. 77 диоды VD1-VD4 установлены на радиаторах с поверхностью охлаждения 30...40 см2 (если применены германиевые диоды типа Д305; для кремниевых диодов площадь поверхности радиаторов следует увеличить в 2...3 

раза). Тринистор VS1 также установлен на радиаторе с охлаждающей поверхностью не менее 30 см2. В зарядном устройстве по схеме рис. 79 на радиаторы установлены только диоды VD5-VD8.

К обоим зарядным устройствам могут быть подключены аккумуляторные батареи с напряжением как 12 В, так и меньше (например, 6 В).

На рис. 80 представлена еще одна схема зарядного устройства, в котором осуществляется стабилизация тока заряда. Регулирующим элементом является 1ринистор. Это устройство можно использовать не только для зарядки аккумуляторов, но и во всех других случаях, когда сопротивление нагрузки изменяется, а ток должен оставаться неизменным (например, для электролиза, который радиолюбители используют для травления печатных плат, для нанесения покрытий на металлические детали).

Основные характеристики такого зарядного устройства

Максимальный ток нагрузки, А..................................................7

Максимальное напряжение на нагрузке, В................................16

Коэффициент стабилизации по току нагрузки

Кст= (Л{/„х /^вх)/(Д7ВЫХ j/вых )j менее ................................70

Коэффициент полезного действия, %, не менее........................70

Рассмотрим работу устройства по его принципиальной схеме и временным диаграммам (рис. 81), которые показаны для случая нагрузки, не содержащей источников ЭДС.

На транзисторе VT2 собран генератор пилообразного напряжения. Через резистор R4 на базу транзистора VT2 подано открываю

щее напряжение (рис. 81, диаграмма А), а через резистор R2 с двухполупериодного выпрямителя на диодах VD1-VD4 поступает закрывающее пульсирующее напряжение (рис. 81, диаграмма Б). Суммарное напряжение на базе транзистора VT2 показано прерывистой линией Б.' Диод VD11 ограничивает амплитуду закрывающего напряжения. Сопротивление резисторов R2 и R4 выбрано таким, что транзистор большую часть времени закрыт. Конденсатор СЗ заряжается через резистор R5. Но в момент приближения сетевого напряжения к нулю транзистор VT2 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На коллекторе транзистора формируется напряжение, по форме близкое к пилообразному (рис. 81, диаграмма В), Через резистор R6 оно поступает на один из входов дифференциального усилителя на транзисторах VT4, VT5, а на другой подается напряжение (рис. 81, диаграмма Г) с выхода операционного усилителя (ОУ) DA1, которое зависит от положения движка резистора R15.

Как только значения напряжения на базах транзисторов VT4 и VT5 сравняются, транзистор VT4 откроется. Вслед за ним откроется транзистор VT3 и сформирует импульс тока (рис. 81, диаграмма Д), открывающий тринистор VS1. С этого момента полупериода на нагрузку будет подано выпрямленное напряжение с обмотки II трансформатора Т1 (рис. 81, диаграмма Е). Чем больше напряжение на базе транзистора VT5, тем позже будут возникать импульсы, открывающие тринистор, и тем меньше будет средний ток через нагрузку.

Функцию стабилизатора тока выполняет узел на ОУ DA1. Датчиком тока служит резистор R11; напряжение, снимаемое с этого резистора, пропорционально току нагрузки. Через резистор R13 оно подведено к неинвертирующему входу ОУ.

Если по какой-либо причине ток через нагрузку увеличился, то увеличивается и напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Это приводит к соответствующему увеличению напряжения на базе транзистора VT5 и увеличению угла открывания тринистора VS1 -ток через нагрузку уменьшается. Таким образом, отрицательная 

обратная связь по току нагрузки поддерживает его на заданном уровне.

Конденсаторы С5, С7 сглаживают пульсации напряжения на выходе. Резисторы R12, R16 обеспечивают подачу небольшого отрицательного напряжения на инвертирующий вход ОУ в нижнем по схеме положении движка резистора R15. Это позволяет регулировать ток нагрузки практически от нуля. Конденсатор С6 повышает устойчивость работы ОУ. На элементы устройства поступает напряжение питания от двух стабилизаторов (VD9, VT1 и VD12, R3).

В устройстве ОУ К140УД1Б можно заменить на К140УД5, К140УД6, К140УД7, К153УД2 (с соответствующей цепью коррекции); транзистор КТ801Б - на любой из серий КТ603, КТ608, КТ801, КТ807, КТ815; КТ315В - на КТ312, КТ315, КТ316, КТ201; КТ814Б -на КТ814, КТ208. Конденсаторы С1, С2, С4, С5, С7 устройства -

К50-6 или К50-35; СЗ, С6 - КМ-6 или К10-7в, КЛС. Резистор R11 образован двумя параллельно соединенными резисторами С5-16В сопротивлением 0,1 Ом.

Диоды VD5-VD8 - типа Д305; их можно заменить на любые из серий Д242-Д248, но в этом случае возрастает рассеиваемая на каждом диоде мощность, и размеры теплоотводов придется увеличить. Амперметр РА1 - типа М5-2 с током полного отклонения стрелки 10 А.

Трансформатор Т1 выполнен на ленточном магнитопроводе ШЛ25х32. Обмотка I содержит 710 витков провода ПЭВ-2 0,8; обмотка II - 105 витков провода ПЭВ-2 0,21 с отводом от середины; обмотка III - 80 витков провода ПБД 2,64.

Диоды VD5-VD8 установлены на теплоотводах площадью 50... 60 см2 каждый. Тринистор VS1 установлен на теплоотводе площадью не менее 200 см2.

Большая часть элементов устройства смонтирована на печатной плате (рис. 82). Для налаживания устройства к его выходу подключают проволочный резистор сопротивлением 1...2 0м и мощностью не менее 100 Вт (можно использовать нихромовую проволоку диаметром 0,5... 1 мм). Движок переменного резистора R15 устанавливают в верхнее по схеме положение и подборкой резистора R14 добиваются, чтобы ток через нагрузку был равным 7 А. При вращении ручки переменного резистора ток должен плавно уменьшаться до нуля.

В заключение отметим, что применяемый тип тринистора VS1 и данные трансформатора указаны для использования в режиме зарядки аккумуляторов током до 7 А. Как уже отмечалось, запас по мощности тринистора и трансформатора необходим в связи с большим значением коэффициента формы зарядного тока. Если же устройство будет работать на нагрузку, не имеющую собственной ЭДС (например, гальваническую ванну), то мощность трансформатора может быть значительно снижена. При указанных данных устройство может отдавать в нагрузку ток до 12... 15 А, однако придется подобрать сопротивление резистора R14.

На рис. 83 представлена схема зарядного устройства, которое обеспечивает автоматическую зарядку аккумуляторных батарей напряжением 6...12 В и током до 6 А. Устройство автоматически уменьшает зарядный ток в 1,5...2 раза примерно через 8 ч после начала зарядки, а через 11 ч зарядка прекращается совсем. Уменьшение зарядного тока в конце зарядки положительно сказывается на протекании электрохимических процессов в аккумуляторе.

Рассмотрим работу зарядного устройства. Допустим, что аккумуляторная батарея подключена к гнездам XS1 в соответствии с 

указанной полярностью, а контакты выключателя питания Q1 замкнуты.

Напряжение с выводов обмотки II трансформатора Т1 подается на двухполупериодный управляемый выпрямитель, выполненный на тринисторах VS1, VS2, а затем - на зажимы аккумуляторной батареи. Напряжение на управляющие электроды тринисторов поступает через диоды VD1, VD2 от узла формирования управляющих импульсов, выполненного на транзисторах VT1-VT5. Угол открывания тринисторов VS1, VS2, а следовательно, среднее значение зарядного тока задаются положением движка переменного резистора R7 (более подробно об этом можно прочитать в описании работы зарядного устройства, схема которого приведена на рис. 77). Аналогичным образом в этом зарядном устройстве обеспечивается защита от переполюсовки выводов аккумуляторной батареи.

Импульсы, сформированные однопереходным транзистором VT2, усиливаются по току транзистором VT3 и через диоды VD1, VD2 подаются на управляющие электроды тринисторов. При положительных полуволнах напряжения вторичной обмотки работает один тринистор, а при отрицательных - другой; импульсы же управления формируются в каждом полупериодс и подаются на управляющий электрод тринистора VS1 через диод VD1, а тринистора VS2 - через диод VD2. Полевые транзисторы VT4, VT5 обеспечивают изменение зарядного тока в конце зарядки, а затем полное отключение аккумулятора. Для формирования соответствующих временных интервалов используются микросхемы DD1, DD2.

На счетный вход С1 микросхемы DD1 К176ИЕ12 (работа этой микросхемы подробно рассматривалась выше) подаются прямоугольные импульсы с частотой, равной удвоенной частоте сетевого напряжения, т. е. 100 Гц. Эти импульсы формируются из двухполу-периодного выпрямленного напряжения, снимаемого с диодов VD3, VD4 и поданного через резистор R4 на базу транзистора VT6. Благодаря работе транзистора в ключевом режиме с его коллектора снимаются импульсы прямоугольной формы. С выхода S2 микросхемы DD1 снимаются импульсы, имеющие частоту в 214= 16 384 раз меньшую, чем на входе С1; эти импульсы подаются на вход второго счетчика С2, который делит частоту импульсов еще на 60. Таким образом, на выводе 10 микросхемы DD1 имеются импульсы с частотой около 0,0001 Гц, что соответствует периоду в 2,7 ч. Эти импульсы поступают на вход СР счетчика-дешифратора DD2 (работа этой микросхемы также подробно рассматривалась на предыдущих страницах книги). Через время 2,7x3 = 8,1 ч на выводе 7 микросхемы DD2 появляется напряжение высокого уровня, которое через резистор R12 подается на затвор полевого транзи

стора VT5 и закрывает его. В результате сопротивление цепи зарядки конденсатора С2 увеличивается на значение сопротивления резистора R10 и зарядный ток уменьшается в 1,5...2 раза.

Еще через 2,7 ч напряжение высокого уровня появляется на выводе 10 микросхемы DD2, что приводит к закрыванию полевого транзистора VT4. Цепь зарядки конденсатора С2 оказывается обесточенной, формирование импульсов управления прекращается и зарядный ток аккумулятора падает до нуля. Одновременно появившееся на выводе 13 (вход CN) микросхемы DD2 напряжение высокого уровня запрещает дальнейшую работу счетчика микросхемы DD2. В таком состоянии зарядное устройство может находиться до тех пор, пока вновь не будет нажата кнопка SB1 "Пуск". Нажатие этой кнопки устанавливает счетчики микросхем DD1, DD2 в нулевое состояние, и с этого момента начинается отсчет интервалов времени.

Микросхемы DD1, DD2 и формирователь импульсов на транзисторе VT6 питаются от параметрического стабилизатора R3VD8, который, в свою очередь, питается от двухполупериодного выпрямителя VD3VD4. Диод VD7 обеспечивает развязку импульсов переменного напряжения, подаваемого на формирователь VT6, от постоянного напряжения на конденсаторе С1. Формирователь управляющих импульсов питается через диоды VD1 и VD2 и управляющие электроды тринисторов.

В автоматическом зарядном устройстве могут быть использованы детали следующих типов. Тринисторы VS1, VS2 - типа КУ202 с буквами Е, И, Л, Н (тринисторы должны допускать подачу как прямого, так и обратного напряжения не менее 100 В), а также любые из серий Т10, Т112, Т132. Диоды КД521Б могут быть заменены на КД521А (В), Д223А (Б), КД102А(Б), КД106А, КД105Б. Транзистор VT1 может быть типа КТ502 (с любыми буквами), КТ361 (А, В-Е), КТ209 (Г-М); VT3 - КТ815, КТ817 с любыми буквами; VT4, VT5 -КП103 с любыми буквами; VT6 КТ315, КТ503 с любыми буквами. Конденсатор С1 - типа К^О-24 или К50-16; С2-К73-17, К73-24. Переменный резистор R7 - СПЗ-4аМ, СП-04, СПЗ-9а. Кнопка SB1 -П2К или КМ1-1; выключатель питания Q1 - ТВ2-1, МТ-1, Т1.

Тринисторы установлены на общем радиаторе без применения изолирующих шайб. Радиатором может служить металлический корпус прибора.

Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе ШЛ25 х 50. Обмотка I содержит 710 витков провода ПЭВ-2 0,8, обмотка II -125 витков провода ПЭБ-2 1,32 с отводом от середины.

Настройку зарядного устройства осуществляют следующим образом. Правые по схеме выводы резисторов Rll, R12 отсоеди

няют от выходов микросхемы DD2 и подсоединяют к эмиттеру транзистора VT6, при этом оба полевых транзистора должны быть открыты. К гнездам XS1 подключают аккумуляторную батарею напряжением 12 В и подают напряжение питания выключателем Q1. Движок переменного резистора R7 устанавливают в нижнее по схеме положение. Подборкой сопротивления резистора R9 устанавливают максимальный зарядный ток 6 А. Затем правый по схеме вывод резистора R12 соединяют с плюсовым выводов конденсатора С1 (при этом транзистор VT5 закрывается) и подборкой сопротивления резистора R10 устанавливают ток через аккумулятор 3...4 А. После этого правые по схеме выводы резисторов Rll, R12 подключают в соответствии с принципиальной схемой. Настройка на этом закончена.

Последовательность действий при работе с данным зарядным устройством такова: подключают заряжаемую аккумуляторную батарею к гнездам XS1, подают напряжение сети на первичную обмотку трансформатора Т1, затем нажимают кнопку SB1 - отсчет времени начался. Примерно через 11 ч аккумулятор полностью обесточится.

Устройство для автоматической зарядки и разрядки автомобильных аккумуляторов

В процессе длительного (несколько месяцев) хранения автомобильных аккумуляторных батарей происходит их саморазряд, в связи с чем рекомендуется не реже одного раза в месяц производить подзарядку аккумуляторов. Однако обычная подзарядка не в состоянии предотвратить сульфатацию пластин, приводящую к уменьшению емкости аккумулятора и снижению срока его службы. Для того чтобы исключить эти нежелательные явления, рекомендуется время от времени производить тренировку аккумулятора: разрядку его током, в амперах численно равным 1/20 номинальной емкости, выраженной в ампер-часах, до напряжения 10,5 В, и последующую зарядку до напряжения 14,2... 14,5 В. Такой зарядноразрядный цикл можно повторять неоднократно, если батарея сильно засульфатирована или длительное время находилась в полуразряженном состоянии.

Описываемое ниже зарядно-разрядное устройство предназначено для работы совместно с зарядным устройством, обеспечивающим необходимый зарядный ток. Устройство позволяет:

производить разрядку аккумулятора до напряжения 10,5 В; автоматически начинать зарядку по окончании разрядки; вести зарядку асимметричным током при соотношении зарядной и разрядной составляющих равном 10;

прекратить зарядку аккумулятора при достижении напряжением на зажимах аккумулятора значения 14,2... 14,5 В, что соответствует сообщению аккумулятору его полной номинальной емкости;

контроль напряжения происходит в момент, когда зарядный ток через аккумулятор не протекает;

прекратить разрядку аккумулятора при пропадании сетевого напряжения;

производить циклы разрядки-зарядки однократно или многократно.

Рассмотрим работу устройства по его принципиальной схеме, приведенной на рис. 84.

Зарядно-разрядное устройство состоит из собственно зарядного устройства (ЗУ), обозначенного на схеме прямоугольником, и электронного узла управления. Питание узла управления осуществляется от аккумуляторной батареи.

В качестве порогового элемента (компаратора), вырабатывающего сигнал при достижении напряжением на аккумуляторе значения свыше 14,2... 14,5 В и при снижении до 10,5 В, используется интегральный таймер КР1006ВИ1 (микросхема DA1). Напомним кратко, как работает эта микросхема. Таймер содержит два основных входа: вход запуска (вывод 2) и пороговый вход (вывод 6). На этих входах происходит сравнение внешних напряжений с эталонными значениями, составляющими для указанных входов соответственно 1/3 ипит и 2/3 UnHT, где U„„T - напряжение питания таймера, поданное на вывод 8 относительно общего вывода 1. Если на выводе 6 действует напряжение меньше 2/3 U^, то уменьшение напряжения на выводе 2 до значения, меньшего 1/3 Un„T, приведет к установке таймера в состояние, когда на выходе Q (вывод 3) действует напряжение высокого уровня. При последующем повышении напряжений на входах соответственно больше 1/3 UnHT и 2/3 Un„x таймер переключится в другое устойчивое состояние, которому соответствует напряжение низкого уровня на выходе таймера.

Вывод 5 таймера служит для контроля значения образцового напряжения, а также для возможного изменения его значения с помощью внешних элементов. В данном случае образцовое напряжение стабилизировано стабилитроном VD3. Это сделано для повышения устойчивости работы компаратора при отслеживании медленно изменяющихся напряжений. Этой же цели служит и стабилизация напряжения питания таймера параметрическим стабилизатором VD2R8. Нижний и верхний пороги срабатывания компаратора можно изменять подстроечными резисторами R10 и R9.

Допустим, что аккумуляторная батарея и ЗУ подключены к устройству и в сети присутствует напряжение 220 В. Напряжение не слишком сильно разряженного 12-вольтового аккумулятора обычно составляет 12...12,6 В. При этом интегральный таймер установится в состояние, соответствующее напряжению высокого уровня на его выходе, и транзистор VT1 будет открыт. Будет светиться светодиод HL1, индицирующий режим заряда. Однако, как правило, степень разряженности подключенного аккумулятора неизвестна, и перед началом зарядки его следует разрядить до напряжения 10,5 В. Для включения режима разрядки кратковременно нажимают кнопку SB1 "Пуск". При этом через контакты SB1.1 на вывод 6 таймера подается напряжение, переключающее его в противоположное состояние, и светодиод HL1 гаснет. Одновременно контакты SB1.2 подают на RS-триггер DD1.1DD1.2 сигнал, устанавливающий его в состояние напряжения высокого уровня на выходе логического элемента DD1.1

При показанном на схеме положении контактов переключателя SA1 на выходах логических элементов DD1.3, DD1.4, включенных инверторами, действует напряжение низкого уровня. Если транзистор оптопары U2 открыт, то через базу транзистора VT4, резистор R22, транзистор оптопары и выходы логических элементов DD1.3 и DD1.4 протекает ток, достаточный для насыщения составного транзистора VT4. При этом через лампу накаливания ELI, подключенную к зажимам ХТЗ, ХТ4, начинает протекать разрядный ток аккумулятора. Разрядный ток в данном случае составит около 2,5 А, что соответствует режиму 20-часового разряда аккумулятора 6СТ55. При разрядке аккумулятора иной емкости следует применять лампу ELI другой мощности, выбранной с учетом указанных выше соображений.

В устройстве предусмотрено отключение цепи разрядки при пропадании сетевого напряжения. Для этой цели используется транзисторная оптопара U2. Напряжение сети через резистор R1 подается на диодный мост VD1, выпрямляется им и подается на последовательно соединенные светодиоды оптопар U1 и U2. Конденсатор С1 и резистор R2 образуют фильтр, который сглаживает пульсации тока, протекающего через светодиод оптопары U2. Пока в сети имеется напряжение, через светодиод оптопары U2 протекает ток, фототранзистор открыт и выходной ток логических элементов DD1.3 и DD1.4 протекает через базу транзистора VT4, открывая последний. Идет разрядка аккумулятора на лампу ELI. При пропадании сетевого напряжения фототранзистор оптопары закрывается, это приводит к закрыванию транзистора VT4 и прекращению разрядки аккумулятора.

По мере разрядки аккумулятора напряжение на его зажимах уменьшается. Когда оно достигнет 10,5 В, интегральный таймер DA1 переключится в противоположное предыдущему состояние, которому соответствует напряжение высокого уровня на выходе Q. При этом откроются транзисторы VT1 и VT2. Открывание транзистора VT1 вызовет подачу напряжения на светодиод оптопары U3, зажигание светодиода HL1 "Зарядка", переключение RS-григгера DD1.1DD1.2, а также открывание транзистора VT3. Переключение RS-триггера приведет к появлению напряжения высокого уровня на выходах логических элементов DD1.3, DD1.4. Светодиод HL2 погаснет, транзистор VT4 закроется и разрядка аккумулятора прекратится. Одновременно через открывшийся фототирис гор оптопары U3 напряжение с выхода зарядного устройства ЗУ будет подано на выводы аккумуляторной батареи, и начнется ее зарядка.

Ток зарядки устанавливают в соответствии с инструкцией по эксплуатации аккумуляторной батареи, т.е. равным 1/10 или 1/20 емкости батареи. Если зарядка идет без контроля оператора, следует обеспечить ограничение колебаний зарядного тока при возможных колебаниях сетевого напряжения. Самый простой способ стабилизации тока - включение двух-трех параллельно соединенных автомобильных ламп мощностью 40...50 Вт в разрыв одного из выходных проводов зарядного устройства. Такой же эффект может быть достигнут включением лампы напряжением 220 В и мощностью

200...300 Вт в разрыв одного из входных (сетевых) проводов ЗУ. Сопротивление вольфрамовой нити ламп накаливания возрастает с увеличением температуры, т.е. лампа обладает свойствами стабилизатора тока.

Зарядный ток содержит дозированную разрядную составляющую, что благотворно сказывается на протекании электрохимических процессов в батарее. Разрядная составляющая тока протекает через резистор R19 и транзистор VT3 и равна примерно 0,5 А.

В процессе зарядки напряжение на полюсных выводах аккумулятора плавно увеличивается. Известно, что напряжение полностью заряженной батареи составляет 14,2... 14,5 В. Измерение этого напряжения следует производить в отсутствие зарядного тока, поскольку импульсы зарядного тока в зависимости от степени разряженности аккумуляторной батареи увеличивают мгновенное значение напряжения на ее зажимах на 1...3 В по сравнению с режимом, когда ток зарядки не протекает. Для обеспечения такого режима измерения в устройстве использованы элементы U1, R4, VT2. В режиме зарядки транзистор VT2 открыт. На рис. 85 показаны эпюры напряжений и токов, поясняющие работу оптопар U1 и U2.Напряжение сети (эпюра 1) выпрямляется диодным мостом 

(эпюра 2) и подается на светодиоды оптронов U1 и U2. Фототранзистор оптрона U1 открывается в моменты, когда ток через светодиод этого оптрона (эпюра 3) превышает ток открывания фототранзистора. При этом резистор R4 шунтирует подстроечный резистор R9, и верхний порог срабатывания интегрального таймера DA1 значительно увеличивается. Фототранзистор открыт большую часть периода сетевого напряжения, и лишь в моменты перехода сетевого напряжения через нуль фототранзистор закрывается, и порог срабатывания таймера уменьшается до 14,2...14,5 В. Именно в это время через аккумулятор не протекает ток зарядки. Такое измерение производится в каждом полупериоде, т.е. 100 раз в секунду. Длительность измерения составляет 1...3 мс. Как только напряжение на аккумуляторе достигнет в отсутствие тока зарядки

14,2... 14,5 В, таймер DA1 переключится в противоположное состояние, и зарядка прекратится. Однако разрядка не начнется, поскольку RS-триггер не изменит своего состояния. Закончился один цикл работы устройства. В таком состоянии устройство может находиться несколько суток, поскольку потребляемый им от аккумулятору ток достаточно мал (20...30 мА) и не может вызвать его существенной разрядки.

Если необходима многократная тренировка батареи разряднозарядными циклами, контакты переключателя SA1 переводят в нижнее по схеме положение. В этом случае RS-триггер не будет задействован, и режимы зарядки и разрядки будут чередоваться до тех пор, пока не будет выключено сетевое напряжение либо не будет отключен заряжаемый аккумулятор. 

Конденсаторы С2, СЗ повышают помехоустойчивость работы таймера. Резисторы R18, R21 обеспечивают надежное удержание транзисторов VT3, VT4 закрытыми в отсутствие тока базы.

В устройстве вместо КТ608Б можно применять любые транзисторы из серий КТ603, КТ608, КТ3117, КТ815; вместо КТ503Б-КТ315, КТ501, КТ503, КТ3117 с любыми буквами; вместо КТ814Б -любой из серий КТ814, КТ816, КТ818, КТ837 и вместо КТ825Г -любой из этой серии. Оптопары U1,U2 годятся любые из серий АОТЮ1, АОТПО, АОТ123, АОТ128, может лишь потребоваться уточнение сопротивления резисторов R3 и R23 по надежному открыванию фототранзисторов. В качестве оптопары U3 можно использовать оптронные тиристоры Т02-10, Т02-40, ТСО-Ю. Диодный мост VD1 может быть также типов КЦ402, КЦ405 с буквами А-В.

Стабилитрон VD2 желательно использовать с небольшим температурным коэффициентом напряжения, например, Д818 с другими буквами. Оксидный конденсатор Cl - К50-16, К50-35, К50-29; С2, СЗ -КМ-66, К10-23, К73-17. Подстроечные резисторы R9, R10 - любые многооборотные, например, СП 5-2. Резистор R19 - типа ПЭВ мощностью 10 или 15 Вт. Остальные - MJIT, OMJ1T, С2-23. Кнопка SB1, переключатель SA1 - любого типа, например, КМ2-1 и МТ1.

Зарядное устройство ЗУ, являющееся источником зарядного тока, обязательно должно иметь на выходе пульсирующее напряжение -это необходимо для нормальной работы узла на оптопаре U1.

Большая часть элементов устройства установлена на печатной плате. Оптопара U3 и транзистор VT4 установлены на радиаторах с поверхностью охлаждения 100... 150 см2. Плата установлена в любом корпусе подходящих размеров (например, 260x 100x70 мм). Соединения, по которым протекает ток зарядки и разрядки, должны быть выполнены проводами сечением не менее 2 мм2. Провода, соединяющие устройство с аккумуляторной батареей, желательно выбрать гибкими.

Для налаживания устройства потребуются источник постоянного напряжения, регулируемого в пределах 9...15 В и токрм не менее 0,6 А, и вольтметр.

Зарядное устройство и лампу ELI временно отключают от устройства, а вместо аккумулятора подключают источник постоянного напряжения. Установив по вольтметру напряжение 10,5 В, подстроечным резистором R10 устанавливают нижний порог срабатывания компаратора, а затем, установив напряжение 14,2... 14,5 В, подстроечным резистором R9 устанавливают верхний порог. О срабатывании компараторов таймера судят по зажиганию светодиодов HL1 и HL2.

Если имеется осциллограф, его вход подключают параллельно резистору R9, и при подключенном аккумуляторе и при поданном напряжении сети наблюдают кратковременное периодическое увеличение напряжения на выводе 6 микросхемы DA1, соответствующее моменту прохождения сетевого напряжения через нуль. При отсутствии осциллографа можно обойтись вольтметром, который также подключают к резистору R9. На нем замеряют напряжение, когда сетевое напряжение подано на мост VD1 через резистор R1, а затем напряжение сети отключают. Напряжение на резисторе R9 должно несколько увеличиться. В противном случае следует проверить исправность оптопары U1.

На этом настройку можно считать законченной.