Автоматическое зарядное устройство с циклическим и буфферным режимами для герметичных аккумуляторов малой ёмкости

Простое автоматическое зарядное устройство для зарядки свинцовых аккумуляторов небольшой емкости, для зарядки в цикличном и буферном режимах. Из вполне доступных деталей.

Статья снабжена подробными объяснениями. Возможно, для опытных радиолюбителей это будут прописные азы, но лучше так, чем ничего. Схема не является полностью моим изобретением, это компиляция из нескольких схем, найденных в разное время в Интернете и проверенных на практике.

↑ Схема автоматического зарядного устройства

Итак, сама схема автоматического зарядного устройства, в дальнейшем АЗУ.

АЗУ построено на основе классической схемы стабилизированного блока питания, но с добавлением контроля выходного напряжения, зарядного тока и индикации. И защита от переполюсовки, куда же без неё. К слову сказать, без индикации схема была бы гораздо проще. Итак, начнём. Сетевой трансформатор TR1, выпрямитель на диодном мосту D1-D4, накопительный фильтр C1 – это всё понятно. LED1 и R1 – индикатор питания. Далее, стабилизатор (обязательно регулируемый!) VR1 с задающим делителем на R7-R9, выходной фильтр на C3, защитный диод D5, выходной предохранитель – и далее на клеммы аккумулятора.

↑ Алгоритм автоматической работы

Но не все так просто. Аккумулятор нужно заряжать определенным током и определенным напряжением, причем очень желательно не превышать максимальные значения.

Выходное напряжение у нас стабилизирует VR1. Нужно еще ограничить выходной ток. Когда аккумулятор сильно разряжен, его внутреннее сопротивление зарядному току достаточно мало, и если приложить максимальное напряжение, то зарядный ток может превысить не только номинальный, но и максимально допустимый предел. Поэтому зарядный ток нужно также ограничивать «сверху». Как это сделать? Конечно, же – нужно снизить напряжение. Стабилизатор у нас управляемый, и его выходное напряжение регулируется делителем на резисторах. При этом на верхнем плече делителя R7 у нас постоянное опорное напряжение 1.25 В (Помним, да? См. даташит на LM317 или LM1086, параметр VREF.) и нам более естественно будет «работать» с нижним плечом, тем более, что оно упирается в «землю».



Гистерезис в данном случае не нужен, ибо при падении напряжения на выходе автоматически падает и зарядный ток.
В качестве опорного источника напряжения для измерения выступает стабилизатор VR2, он же и питает компараторы.

На этом можно было и закончить, но есть еще одна проблема. Весьма часто можно ошибиться и подключить аккумулятор неправильно – в обратном порядке. Стабилизатор при этом «вылетает» гарантированно. Нужна защита от переполюсовки. Часть защиты на себя берет диод D6, который делает КЗ при неправильном подключении. Одного диода, как правило, недостаточно, он может легко сгореть, поэтому в схему введем дополнительный прерыватель. В нашем случае это самовосстанавливающийся предохранитель, который будет «сгорать» при превышении тока. Подключил аккумулятор наоборот – ток от него идет через диод D6 и предохранитель. «Сгорел» - работает схема в обход – пищалка SP и светодиод LED4.

Назначение остальных деталей. Конденсатор C2 сглаживает резкие импульсы изменения выходного напряжения на нижнем плече делителя стабилизатора, в итоге стабилизатор реагирует только на достаточно крупные изменения. Конденсатор C5 выполняет аналогичную роль фильтра для транзистора.

Диод D5 гарантирует, что ток будет идти только от ЗУ в правильно подключенный аккумулятор, а не наоборот. Резистор R11 выполняет роль дополнительного шунта для измерения зарядного тока на малых величинах, чтобы его мог «поймать» компаратор. Параллельный ему диод D7 шунтирует его при достаточном токе, который дает падение напряжения на R11 больше 0.2 В (для диодов Шоттки).

Цепочка в самом начале схемы на LED1 – индикатор питания. Я применил синий светодиод, а они такие яркие, что светятся буквально от десятых долей миллиампер, поэтому резистор R1 может быть до полусотни килоОм.

↑ Конструкция и детали

Мне очень понравился корпус от подобного же блока питания, который продается у нас на радиорынке, размерами примерно 120х70х60. Видимо, из старых советских запасов, а может быть их штампуют уже сейчас, но по старым же прессформам. В нём есть хорошие щели для вентиляции.

Трансформатор я купил там же, на радиорынке. Был неприятно удивлен ценами. Выходное напряжение – от 14 до 20 В, мощностью не менее 5-7 Вт. Трансформатор подходящего размера и мощности был на 14 В выходного напряжения. В итоге, когда я поставил обычные диоды типа 1N4007 в диодный мост и «обычный» стабилизатор LM317 – на выходе было слишком малое напряжения. Пришлось ставить стабилизатор low-drop типа LD1086 и диоды Шоттки в мост. Если трансформатор будет с выходом более 14 В – мост можно делать из обычных диодов, и стабилизатор применить «стандартный» LM317.

Кроме того, на диодный мост места на плате не нашлось, поэтому я использовал их в SMD-варианте.
Все остальные диоды – также Шоттки, с малым падением напряжения. Желательно применять с обратным напряжением не менее 30 В.
Все резисторы – любые, кроме R12, который должен быть не менее 0.5 Вт мощностью.
Транзисторы – так называемые «общего применения» (general purpose).

Стабилизатор VR1 – обязательно регулируемый (adjust), с низким падением напряжения (low drop), если выход трансформатора менее 16 В. В случае low drop – LD1086 или LD1084. Если низкое падение не требуется – то LM317. Стабилизатор VR2 – на 5 В, типа 78L05. Компаратор U1 – LM393, с открытым коллектором. Подстроечный резистор P1 – лучше взять многооборотный. Предохранитель F1 – плавкий, на 0.25-0.5 А. F2 – обязательно самовосстанавливающийся, на 0.5-0.8 А. Пищалка SP – на 9-12 В, с встроенным генератором.

Светодиоды – обычные, диффузные. LED1 – синий, у меня он впаивается вплотную в плату, но из-за своего яркого свечения он отлично виден сквозь щели в корпусе.

Выходные провода должны быть достаточно длинные и снабжены «крокодильчиками».

↑ Расчет делителей, шунтов и настройка

Главная формула для шунта R12 = 0.6 * Imax.
Для настройки нам понадобится вольтметр и амперметр.
Включаем только что собранное ЗУ. Должен загореться диод LED1 (синий). Меряем напряжение на выходе. Подстроечным резистором P1 выставляем выходное напряжение буферного режима 13.3-13.6 В.

Подключаем к выходным клеммам резистор сопротивлением порядка 100 Ом (желательно побольше мощностью). Он обеспечит выходной ток порядка 0.14А. Должны загореться зеленый и желтый светодиод. Опять меряем напряжение на выходных клеммах – оно должно быть в пределах цикличного режима заряда аккумулятора (14.3-14.6 В). Если не так – подстраиваем P1, и потом опять меряем напряжение на холостом ходу. Если «холостое» напряжение отличается от буферного – возможно, понадобится подобрать резистор R9.
В принципе и всё. Но для перфекционистов нужно пойти дальше.

Подключаем мощный резистор порядка 10-20 Ом – чтобы ЗУ вышло в режим стабилизации тока. Меряем ток «заряда» амперметром – он должен быть в пределах 0.25 А (Imax). Заодно померяем напряжение на клеммах – оно существенно ниже 13в, это нормально.
Теперь нужно проверить буферный режим. Здесь понадобится резистор около 1 кОм, должен гореть только индикатор LED2, и на выходе быть 13.3-13.6 В.

Теперь можно подключать аккумулятор. Индикаторы зарядки (желтый LED2) и присутствия аккумулятора (зеленый LED3) должны загореться. Проверяем напряжение на клеммах. Через некоторое время, в зависимости от уровня заряда, индикатор зарядки (желтый LED2) погаснет. В принципе, можно аккумулятор отключать. Но если оставить его еще на несколько часов, а то и сутки, то аккумулятор дополнительно подзарядится до 100%, а ток зарядки может снизиться настолько, что погаснет и зеленый светодиод. Это нормально.

Желтый светодиод LED2 нужно выбирать малочувствительный. Иначе он может слегка светиться в буферном режиме от базового тока транзистора VT2.

↑ Пути модернизации

Напомню, данное АЗУ предназначено для зарядки герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов емкостью 2.3А*ч. Что нужно сделать, если мы хотим заряжать аккумуляторы побольше?

Прежде всего нужно уточнить напряжения буферного и цикличного режима – они, как правило, написаны на корпусе аккумуляторов. И определить максимальный зарядный ток, исходя из эмпирической формулы Imax = 0.1C, где C – емкость в А*ч. На этот ток (с запасом) нужно и ориентироваться, выбирая трансформатор, диоды и стабилизатор VR1.
Также придется пересчитать шунт R12, чтобы при прохождении максимального тока на нём падало 0.6 В. И, возможно, придется пересчитать делитель на R2-R4. Да, и не забыть про предохранитель FU2.

↑ Файлы

Обновление от 13 мая 2014 г. Файлы к статье: исходники в Proteus и печатка в виде gif и pdf.
🎁charger-PCB.7z  91.93 Kb ⇣ 135
🎁charger-Proteus.7z  27.56 Kb ⇣ 112

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации