Зарядные устройства повышенной мощности

Простейшее зарядное устройство для автомобильных, тракторных и мотоциклетных аккумуляторных батарей обычно состоит из понижающего трансформатора и подключенного к его вторичной обмотке выпрямителя. Последовательно с батареей включают регулятор тока — мощный проволочный реостат, транзисторный или тиристорный стабилизатор тока. На всех этих элементах выделяется значительная тепловая мощность, что снижает КПД зарядного устройства и увеличивает вероятность возникновения пожара.
В основу работы устройства [16.1], предназначенного для восстановления 100% работоспособности засульфатированных аккумуляторных батарей, положена идея, защищенная а. с. 372599 СССР, см. также [16.2]. Для восстановления батарей предложено заряжать их асимметричным током при соотношении величин прямого и обратного тока 10:1 и времени протекания тока в прямом и обратном направлении 1:2 в течение 1.. .2 суток.
Входное напряжение должно вдвое превышать напряжение заряжаемого аккумулятора.
В схеме (рис. 16.1) использован однополупериодный выпрямитель, который работает на встречную ЭДС и обеспечивает в зарядной цепи пульсирующий ток с соотношением ток/пауза примерно 1:2, постоянная составляющая которого по амперметру РА1 устанавливается равной рекомендуемому для аккумулятора зарядному току. Наличие разрядного резистора (лампа накаливания) обеспечивает обратный ток, в 10 раз меньший зарядного.
Об эффективности заряда можно судить по напряжению на аккумуляторе: у засульфатированного аккумулятора из 6-ти банок конечное напряжение при заряде составит менее 15 В (при температуре электролита около 15°С), а у исправного — 15,8...16,2 Б.
Стоит отметить, что автор устройства [16.1] для его питания использовал ток не совсем синусоидальной формы, поскольку понижающий трансформатор работал с вынужденным подмагничиванием.

Рис. 16.1. Схема выпрямителя для восстановления работоспособности аккумуляторных батарей

Рис. 16.2. Схема зарядного устройства для стартерных аккумуляторных батарей

Зарядное устройство Н. Таланова и В. Фомина (рис. 16.2) имеет широкие пределы регулирования зарядного тока — практически от нуля до 10 А — и может быть использовано для заряда аккумуляторов, рассчитанных на напряжение 12 В [16.3].
В устройстве использован симисторный регулятор В. Фомина с дополнительно введенными маломощным диодным мостом VD1 — VD4 и резисторами R3 и R4. После подключения устройства к сети при плюсовом ее полупериоде (плюс на верхнем по схеме проводе) начинает заряжаться конденсатор С2 через резистор R3, диод VD1 и последовательно соединенные резисторы R1 и R2. При минусовом полупериоде сети этот конденсатор заряжается через те же резисторы R2 и R1, диод VD2 и резистор R4. В обоих случаях конденсатор заряжается до одного и того же напряжения, меняется только его полярность.
Как только напряжение на конденсаторе достигнет порога зажигания неоновой лампы HL1, она зажигается, и конденсатор быстро разряжается через лампу и управляющий электрод сими-стора VS1. При этом симистор открывается. В конце полупериода симистор закрывается. Описанный процесс повторяется в каждом полупериоде напряжения сети.
Общеизвестно, например из [16.1], что управление тиристором посредством короткого импульса имеет тот недостаток, что при индуктивной или высокоомной активной нагрузке анодный ток прибора может не успеть достигнуть значения тока удержания за время действия управляющего импульса. Одной из мер по устранению этого недостатка является включение параллельно нагрузке резистора.
В описываемом зарядном устройстве после включения си-мистора VS1 его основной ток протекает не только через первичную обмотку трансформатора Т1, но и через один из резисторов — R3 или R4, которые в зависимости от полярности сетевого напряжения поочередно подключаются параллельно первичной обмотке трансформатора диодами VD4 и VD3 соответственно.
Этой же цели служит и мощный резистор R6, являющийся нагрузкой выпрямителя VD5 и VD6. Резистор R6, кроме того, формирует импульсы разрядного тока, которые, как утверждается в [16.4], продлевают срок службы батареи.
Трансформатор Т1 можно изготовить на базе лабораторного трансформатора ЛАТР-2М, изолировав его обмотку (она будет первичной) тремя слоями лакоткани и намотав вторичную обмотку, состоящую из 80 витков провода сечением не менее 3 мм2, с отводом от середины.
Конденсаторы С1 и С2 — МБМ или другие на напряжение не менее 400 и 160 б соответственно. Неоновая лампа HL1 — ИН-3, ИН-ЗА с одинаковыми по конструкции и размерам электродами для обеспечения симметричности импульсов тока через первичную обмотку трансформатора.
Диоды КД202А заменимы на Д242, Д242А или другие со средним прямым током не менее 5 А. Диод размещают на дюралюминиевой теплоотводящей пластине с площадью поверхности не менее 120 см2. Симистор — на теплоотводящей пластине примерно вдвое меньшей площади. Резистор R6 типа ПЭВ-10; его можно заменить пятью параллельно соединенными резисторами МЛТ-2 сопротивлением 110 Ом. Вместо резистора R6 можно установить лампу накаливания на напряжение 12 В мощностью 10 Вт. Она индицировала бы подключение зарядного устройства к аккумуляторной батарее и, одновременно, освещала бы рабочее место.
Цепи зарядного тока необходимо выполнять проводом марки МГШВ сечением 2.5...3 мм2.
При налаживании устройства сначала устанавливают требуемый предел зарядного тока (но не более 10 А) резистором R2. Для этого к выходу устройства через амперметр на 10 А подключают батарею аккумуляторов, строго соблюдая полярность. Движок резистора R1 переводят в крайнее верхнее по схеме положение, а резистора R2 — в крайнее нижнее, и включают устройство в сеть. Необходимое значение максимального зарядного тока устанавливают перемещением движка резистора R2.
В процессе заряда ток через батарею изменяется, уменьшаясь примерно на 20%. Поэтому перед процессом заряда устанавливают начальный ток батареи несколько большим номинального значения (примерно на 10%). Окончание заряда определяют по плотности электролита или вольтметром — напряжение отключенной батареи должно быть в пределах 13,8... 14,2 В.
Для заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей емкостью 9... 14 А-ч, а также для проведения циклов «заряд-разряд», необходимых для восстановления умеренно засульфатиро-ванных аккумуляторов и профилактики исправных, разработано специальное устройство [16.5].
Основой устройства является стабилизатор тока на составном транзисторе (VT1, VT2) с резистором R1 в эмиттерной цепи (рис. 16.3). В базовой цепи включен полевой транзистор VT3, который задает ВАХ стабилизатора тока. Потенциометром R5 устанавливают зарядный ток. Германиевые диоды VD2, VD3 служат для его термостабилизации. Подробно стабилизатор тока описан в статье [16.6].

Рис. 16.3. Схема устройства для заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей емкостью 9... 14 А-ч

Для восстановления батареи необходимо заряжать ее импульсами тока; в промежутках между импульсами она разряжается через специальный резистор, подключаемый параллельно батарее GB1. Разрядный ток при этом меньше зарядного в 10 раз, а по длительности в 2 раза больше [16.7]. Импульсы зарядного тока формируются схемой сравнения напряжения VT4, VD5 и тиристором VS1. Стабилитрон VD4 ограничивает напряжение до 18 6 (т.е. до половины амплитудного) после выпрямительного диода VD1. При достижении на аккумуляторной батарее ЭДС около 14 В стабилитрон VD5 закрывается, вызывая запирание транзистора VT4 и тиристора VS1. Так осуществляется автоматическое прекращение процесса заряда, но при условии, что к аккумуляторной батарее не был подключен разрядный резистор. Измерительный прибор РА1 регистрирует средний зарядный ток, который в 3 раза меньше истинного зарядного. При подключении разрядного резистора ток следует увеличить на 10%.
Питание устройства осуществляется от трансформатора мощностью 50 Вт. Резистор R1 изготовлен из отрезка манганинового провода диаметром 0,51 мм или из другого материала с высоким удельным сопротивлением. Переменный резистор R5 — проволочный. Измерительный прибор РА1 со шкалой на 1 А.
Транзисторы VT1, VT2 и тиристор VS1 установлены на алюминиевой пластине толщиной 3 мм и размерами 80x100 мм, выполняющей роль теплоотвода. Диоды VD2, VD3 должны иметь тепловой контакт с корпусами транзисторов VT1, VT2.
Импульс зарядного тока, его длительность и паузу контролируют осциллографом на резисторе R1.
Принципиальная схема бестрансформаторного двухполупе-риодного выпрямителя по мостовой схеме для заряда аккумуляторных батарей показана на рис. 16.4 [16.8].

Рис. 16.4. Схема выпрямителя для заряда аккумуляторных батарей
Емкость С гасящих конденсаторов может быть определена как: 3250XI3/UC (мкФ), где I3 — зарядный ток, A, Uc — напряжение сети, В.
Так, для получения зарядного тока 2 А при напряжении сети 220 6 емкость батареи конденсаторов составит 3250*2/220=32 мкФ. Поскольку сейчас повсеместно используется сеть с напряжением 220 б, расчетное выражение упрощается: С (мкФ)=14,8Х13 (А).
Стоит напомнить, что для бестрансформаторных выпрямителей использовать электролитические конденсаторы нельзя, так как при прохождении переменного тока через полярные конденсаторы происходит разложение электролита, сопровождаемое обильным газовыделением, что вызывает взрыв конденсатора.
В таких выпрямителях обычно используют бумажные конденсаторы типа КБГ, МБГП, МБГЧ, МБГО и т.д.
Выпрямитель по схеме на рис. 16.5 [16.8] имеет емкостный делитель, образованный конденсаторами С1 — С5, включение и
выключение которых производится соответствующими тумблерами. Этим изменяется величина выпрямленного тока. Для предохранения диодов выпрямителя от пробоя при включении и выключении прибора и улучшения его выходной характеристики в схеме имеется дроссель L1. Неоновая лампа и резистивные цепи на входе выпрямителя служит для индикации включения, а также для разряда конденсаторов после выключения выпрямителя. Выходная мощность устройства может достигать 500 Вт. Диоды выпрямителя выбирают в зависимости от тока нагрузки.

Рис. 16.5. Схема выпрямителя для заряда аккумуляторов

В случае, когда аккумулятор длительное время хранится без дела, он в результате естественного саморазряда и сульфата-ции пластин приходит в негодность.
Для того чтобы длительное хранение не приводило к порче аккумуляторной батареи, ее нужно постоянно поддерживать в заряженном состоянии [16.9]. Заводы изготовители рекомендуют заряжать аккумуляторы током, равным 0,1 от номинальной емкости (т.е. для 6СТ-55 ток заряда будет 5,5 А), но это годится только для быстрого заряда «посаженной» батареи. Как показывает практика, для подзарядки аккумулятора в процессе длительного хранения требуется небольшой ток, около 0,1 ...0,3 А (для 6СТ-55). Если хранящийся аккумулятор периодически, примерно раз в месяц, ставить на такую подзарядку на 2...3 дня, то можно быть уверенным в том, что он в любой момент будет готов к эксплуатации даже через несколько лет такого хранения.
На рис. 16.6 показана схема «подзаряжающего» устройства — бестрансформаторного источника питания, выдающего постоянное напряжение 14,4 В при токе до 0,3 А [16.9]. Источник построен по схеме параметрического стабилизатора с емкостным балластным сопротивлением. Напряжение от сети поступает на мостовой выпрямитель VD1 — VD4 через конденсатор С1. На выходе выпрямителя включен стабилитрон VD5 на 14,4 В. Конденсатор С1 ограничивает ток до величины не более 0,3 А. Конденсатор С2 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Аккумуляторная батарея подключается параллельно стабилитрону VD5.

Рис. 16.6. Схема устройства для подзарядки аккумуляторных батарей

При саморазряде батареи до напряжения ниже 14,4 В начинается ее «мягкий» заряд малым током. Величина этого тока находится в обратной зависимости от напряжения на аккумуляторе, но в любом случае даже при коротком замыкании не превышает 0,3 А. При заряде батареи до напряжения 14,4 В процесс прекращается.
При эксплуатации устройства нужно соблюдать правила безопасности при работе с электроустановками.
Простое зарядное устройство для заряда автомобильных или тракторных аккумуляторов (рис. 16.7) [16.10] выгодно отличается повышенной безопасностью в эксплуатации по сравнению с бестрансформаторными аналогами. Однако его трансформатор
довольно сложен: для регулировки зарядного тока он имеет множество отводов.
Регулировка тока заряда производится галетным переключателем S1 за счет изменения числа витков первичной обмотки. Выпрямитель обеспечивает ток заряда 10... 15 А.

Рис. 16.7. Схема устройства для заряда автомобильных или тракторных аккумуляторов током 10...15 А

Трансформатор Т1 — любой с габаритной мощностью не менее 400 Вт.
Первичная обмотка содержит 369+50+50+50+50 витков провода диаметром 0,7 мм. Вторичная обмотка содержит 38 витков провода диаметром 3 мм. Диоды выпрямительного моста VD1 — VD4 — любые с допустимым прямым током не менее 10 А, они установлены на радиатор площадью примерно 100 см2. В цепь нагрузки включен амперметр РА1 с пределом измерения 20 А.
Соблюдение режима эксплуатации и, в частности, режима заряда аккумуляторов гарантирует их безотказную работу. Заряд аккумуляторов необходимо производить током, который определяется по формулам [16.11]:
I=Q/10 — для кислотных аккумуляторов, l=Q/4 — для щелочных аккумуляторов,
где: Q — паспортная емкость аккумулятора, А-ч, \ — средний зарядный ток, А.
Кислотные аккумуляторы особенно чувствительны к отклонению параметров заряда от номинальных. Установлено, что заряд чрезмерно большим током приводит к деформации пластин и даже к их разрушению. Зарядный ток, рекомендуемый в инструкции по эксплуатации аккумуляторной батареи, обеспечивает
оптимальное протекание электрохимических процессов в аккумуляторе и нормальную его работу в течение длительного времени.
Степень заряженности аккумулятора можно контролировать по плотности электролита и напряжению (для кислотных аккумуляторов) или только по напряжению (для щелочных аккумуляторов). Окончание процесса заряда кислотного аккумулятора характеризуется установлением напряжения на одном элементе батареи, равного 2,5...2,6 В.
Кислотные аккумуляторы чувствительны к недозарядам и перезарядам, поэтому следует своевременно заканчивать заряд.
Щелочные аккумуляторы менее критичны к режиму эксплуатации. Для них окончание заряда характеризуется установлением на одном элементе батареи аккумуляторов постоянного напряжения 1,4... 1,5 В.
Для регулировки зарядного тока можно использовать магазин конденсаторов, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора и выполняющий функцию гасящего сопротивления [16.11]. Подобное устройство описано в статье [16.12]. Здесь тепловая (активная) мощность выделяется лишь на циодах выпрямительного моста и в трансформаторе. В этом уст-эойстве ток заряда аккумулятора поддерживается на определенном уровне: в процессе заряда напряжение на аккумуляторе /величивается, а ток через него стремится уменьшиться. Но при этом возрастает приведенное сопротивление первичной обмотки трансформатора Т1, падение напряжения на ней увеличивается, и ок через аккумулятор меняется мало.
Наибольшее значение тока через аккумулятор при задан-юй емкости конденсатора С будет при равенстве падений напря-<ения на конденсаторе и первичной обмотке трансформатора. Ее ледует рассчитывать на полное напряжение сети — для боль-JGM надежности устройства и возможности применения готовых иловых трансформаторов. Вторичную обмотку следует рассчи-ывать на напряжение в 1,5 раза большее номинального напряения нагрузки.
При изготовлении устройства желательно предусмотреть озможность его автоматического отключения от сети при обры-е цепи нагрузки, так как ненагруженный трансформатор вме-ге с конденсатором составят колебательный контур, в котором
возникнет резонанс, при этом конденсатор и трансформатор могут выйти из строя.
Зарядное устройство (рис. 16.8) обеспечивает заряд 12-вольтовых аккумуляторных батарей током до 15 А [16.11]. Ток заряда можно менять ступенями через 1 А. Предусмотрена возможность автоматического выключения устройства когда аккумулятор полностью зарядится. Устройство не боится кратковременных замыканий в цепи нагрузки и обрывов в ней. Магазин конденсаторов состоит из конденсаторов С1 — С4, суммарная емкость которых 37,5 мкФ. Переключателями SA2 — SA5 можно подключать различные комбинации конденсаторов и менять величину зарядного тока. Так, например, для получения тока 11/4 необходимо замкнуть переключатели SA2, SA3 и SA5.
Приборы РА1 и PU1 — типа М5-2, рассчитанные соответственно на 30 А и 30 В. Реле К1 типа РС-13, паспорт РС4.523.029. Контакты К1.1 образованы тремя группами параллельно соединенных контактов. Возможно применение реле типа МКУ-48 на переменное напряжение 220 В. Тогда надобность в выпрямителе VD1, С5 отпадает. Реле К2 типа РЭС-15, паспорт РС4.591.003. Диоды Д305 установлены через слюдяные прокладки на общем радиаторе с поверхностью охлаждения 300 см2. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе 11132x100. Обмотка I содержит 320 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,16 мм, обмотка II — 34 витка ПЭВ-2 диаметром 2,46 мм. Намотку можно вести также несколькими проводами меньшего диаметра.
Для заряда аккумуляторов большим током в последнее время используют и современную элементную базу с применением специализированных микросхем, а также полевых МОП-транзисторов с минимальным сопротивлением открытого канала (десятые-сотые доли Ом). Примеры таких устройств приведены ниже.
Портативное устройство, предназначенное для зарядки литиевых (ионно-литиевых) батарей пульсирующим током, показано на рис. 16.9 [16.13]. Автоматизированное зарядное устройство выполнено на основе специализированной микросхемы фирмы MAXIM — MAX1679. Питание зарядное устройство получает от сетевого адаптера, способного выдавать напряжение 6 В при токе до 800 мА. Для защиты схемы от неправильного подключения предназначен диод VD1 — диод Шотки, — рассчитанный на прямой ток 1 А при максимальном обратном напряжении 30 В. Светодиод HL1 предназначен для индикации работы зарядного устройства.

Рис. 16.8. Схема устройства для заряда 12-вольтовых аккумуляторных батарей током от 1 до 15 А

Рис. 16.9. Схема зарядного устройства для ионно-литиевых батарей на основе микросхемы МАХ1679

Рис. 16.10. Схема повышающего преобразователя для заряда 13,8 В аккумуляторной батареи УКВ-радиостанции от бортовой сети автомобиля

Для повышения стабильности работы устройства при изменении температуры окружающей среды в пределах от 0 до 50°С использован термистор R2 типа NTC FENWAL 140-103LAG-RBI, имеющий сопротивление 10 кОм при температуре 25°С.
Напряжение ионно-литиевого элемента составляет 2,5 В на элемент.
Простое зарядное устройство [16.14], предназначенное для подзарядки аккумулятора напряжением 13,8 Б от бортовой сети
втомобиля (около 12 В), выполнено на основе повышающего реобразователя напряжения на основе микросхемы LT1170CT )ис. 16.10). Микросхема вырабатывает импульсы частотой 00 кГц. Эти импульсы поступают на внутренний ключевой каскад икросхемы (его выход — вывод 4). Цепочка из резистивного деятеля R2, R3 предназначена для отслеживания колебаний вы-)дного напряжения и организации следящей обратной связи по зпряжению (вывод 2 микросхемы). Выходное напряжение регу-чруют подбором именно этих резисторов. Выпрямитель преоб-^зователя выполнен на диоде VD2 — диоде Шотки типа MBR760 рямой ток до 5/4).
Зарядный ток аккумулятора — до 2 А. КПД преобразователь достигает 90%.