Практические схемы универсальных зарядных устройств для аккумуляторов

Кто не сталкивался в своей практике с необходимостью зарядки батареи и, разочаровавшись в отсутствии зарядного устройства с необходимыми параметрами, вынужден был приобретать новое ЗУ в магазине, либо собирать вновь нужную схему?
Вот и мне неоднократно приходилось решать проблему зарядки различных аккумуляторных батарей, когда под рукой не оказывалось подходящего ЗУ. Приходилось на скорую руку собирать что-то простое, применительно к конкретному аккумулятору.

Ситуация была терпимой до того момента, пока не появилась необходимость в массовой подготовке и, соответственно, зарядке батарей. Понадобилось изготовить несколько универсальных ЗУ — недорогих, работающих в широком диапазоне входных и выходных напряжений и зарядных токов.

К этому моменту у меня уже была линейка отработанных схем, осталось лишь воплотить схему в готовое устройство, и попутно поделиться своими решениями. Вдруг камрадам пригодится! Предлагаемые ниже схемы ЗУ были разработаны для зарядки литий-ионных аккумуляторов, но существует возможность зарядки и других типов аккумуляторов и составных батарей (с применением однотипных элементов, далее — АБ).

Все представленные схемы имеют следующие основные параметры:
• входное напряжение 15-24 В;
• ток заряда (регулируемый) до 4 А;
• выходное напряжение (регулируемое) 0,7 — 18 В (при Uвх=19В).

Все схемы были ориентированы на работу с блоками питания от ноутбуков либо на работу с другими БП с выходными напряжениями постоянного тока от 15 до 24 Вольт и построены на широко распространенных компонентах, которые присутствуют на платах старых компьютерных БП, БП прочих устройств, ноутбуков и пр.

↑ Схема ЗУ № 1 (TL494)

ЗУ на схеме 1 является мощным генератором импульсов, работающим в диапазоне от десятков до пары тысяч герц (частота варьировалась при исследованиях), с регулируемой шириной импульсов.
Зарядка АБ производится импульсами тока, ограниченного обратной связью, образованной датчиком тока R10, включенным между общим проводом схемы и истоком ключа на полевом транзисторе VT2 (IRF3205), фильтром R9C2, выводом 1, являющимся «прямым» входом одного из усилителей ошибки микросхемы TL494.

На инверсный вход (вывод 2) этого же усилителя ошибки подается регулируемое посредством переменного резистора PR1, напряжение сравнения с встроенного в микросхему источника опорного напряжения (ИОН — вывод 14), меняющего разность потенциалов между входами усилителя ошибки.
Как только величина напряжения на R10 превысит значение напряжения (установленного переменным резистором PR1) на выводе 2 микросхемы TL494, зарядный импульс тока будет прерван и возобновлен вновь лишь при следующем такте импульсной последовательности, вырабатываемой генератором микросхемы.
Регулируя таким образом ширину импульсов на затворе транзистора VT2, управляем током зарядки АБ.

Транзистор VT1, включенный параллельно затвору мощного ключа, обеспечивает необходимую скорость разрядки затворной емкости последнего, предотвращая «плавное» запирание VT2. При этом амплитуда выходного напряжения при отсутствии АБ (или прочей нагрузки) практически равна входному напряжению питания.

При активной нагрузке выходное напряжение будет определяться током через нагрузку (её сопротивлением), что позволит использовать эту схему в качестве драйвера тока.

При заряде АБ напряжение на выходе ключа (а, значит, и на самой АБ) в течении времени будет стремиться в росте к величине, определяемой входным напряжением (теоретически) и этого, конечно, допустить нельзя, зная, что величина напряжения заряжаемого литиевого аккумулятора должна быть ограничена на уровне 4,1 В (4,2 В). Поэтому в ЗУ применена схема порогового устройства, представляющего из себя триггер Шмитта (здесь и далее — ТШ) на ОУ КР140УД608 (IC1) или на любом другом ОУ.

При достижении необходимого значения напряжения на АБ, при котором потенциалы на прямом и инверсном входах (выводы 3, 2 — соответственно) IC1 сравняются, на выходе ОУ появится высокий логический уровень (практически равный входному напряжению), заставив зажечься светодиод индикации окончания зарядки HL2 и светодиод оптрона VH1 который откроет собственный транзистор, блокирующий подачу импульсов на выход U1. Ключ на VT2 закроется, заряд АБ прекратится.

По окончании заряда АБ он начнет разряжаться через встроенный в VT2 обратный диод, который окажется прямовключенным по отношению к АБ и ток разряда составит приблизительно 15-25 мА с учетом разряда кроме того через элементы схемы ТШ. Если это обстоятельство кому-то покажется критичным, в разрыв между стоком и отрицательным выводом АБ следует поставить мощный диод (лучше с малым прямым падением напряжения).

Гистерезис ТШ в этом варианте ЗУ выбран таким, что заряд вновь начнется при понижении величины напряжения на АБ до 3,9 В.

Это ЗУ можно использовать и для заряда последовательно соединенных литиевых (и не только) АБ. Достаточно откалибровать с помощью переменного резистора PR3 необходимый порог срабатывания.
Так, например, ЗУ, собранный по схеме 1, функционирует с трехсекционной последовательной АБ от ноутбука, состоящей из сдвоенных элементов, которая была смонтирована взамен никель-кадмиевой АБ шуруповерта.
БП от ноутбука (19В/4,7А) подключен к ЗУ, собранному в штатном корпусе ЗУ шуруповерта взамен оригинальной схемы. Зарядный ток «новой» АБ составляет 2 А. При этом транзистор VT2, работая без радиатора нагревается до температуры 40-42 С в максимуме.
ЗУ отключается, естественно, при достижении напряжения на АБ=12,3В.

Гистерезис ТШ при изменении порога срабатывания остается прежним в ПРОЦЕНТНОМ отношении. Т.е., если при напряжении отключения 4,1 В, повторное включение ЗУ происходило при снижении напряжения 3,9 В, то в данном случае повторное включение ЗУ происходит при снижении напряжения на АБ до 11,7 В. Но при необходимости глубину гистерезиса можно изменить.

↑ Калибровка порога и гистерезиса зарядного устройства

Калибровка происходит при использовании внешнего регулятора напряжения (лабораторного БП).
Выставляется верхний порог срабатывания ТШ.
1. Отсоединяем верхний вывод PR3 от схемы ЗУ.
2. Подключаем «минус» лабораторного БП (далее везде ЛБП) к минусовой клемме для АБ (самой АБ в схеме во время настройки быть не должно), «плюс» ЛБП — к плюсовой клемме для АБ.
3. Включаем ЗУ и ЛБП и выставляем необходимое напряжение (12,3 В, например).
4. Если горит индикация окончания заряда, вращаем движок PR3 вниз (по схеме) до гашения индикации (HL2).
5. Медленно вращаем движок PR3 вверх (по схеме) до зажигания индикации.
6. Медленно снижаем уровень напряжения на выходе ЛБП и отслеживаем значение, при котором индикация вновь погаснет.
7. Проверяем уровень срабатывания верхнего порога еще раз. Хорошо. Можно настроить гистерезис, если не устроил уровень напряжения, включающий ЗУ.
8. Если гистерезис слишком глубок (включение ЗУ происходит при слишком низком уровне напряжения — ниже, например, уровня разряда АБ, выкручиваем движок PR4 влево (по схеме) или наоборот, — при недостаточной глубине гистерезиса, — вправо (по схеме). При изменении глубины гистерезиса уровень порога может сместиться на пару десятых долей вольта.
9. Сделайте контрольный прогон, поднимая и опуская уровень напряжения на выходе ЛБП.

Настройка токового режима еще проще.
1. Отключаем пороговое устройство любыми доступными (но безопасными) способами: например, «посадив» движок PR3 на общий провод устройства или «закорачивая» светодиод оптрона.
2. Вместо АБ подключаем к выходу ЗУ нагрузку в виде 12-вольтовой лампочки (например, я использовал для настройки пару 12V ламп на 20 Вт).
3. Амперметр включаем в разрыв любого из проводов питания на входе ЗУ.
4. Устанавливаем на минимум движок PR1 (максимально влево по схеме).
5. Включаем ЗУ. Плавно вращаем ручку регулировки PR1 в сторону роста тока до получения необходимого значения.
Можете попробовать поменять сопротивление нагрузки в сторону меньших значений ее сопротивления, присоединив параллельно, скажем, ещё одну такую же лампу или даже «закоротить» выход ЗУ. Ток при этом не должен измениться значительно.

В процессе испытаний устройства выяснилось, что частоты в диапазоне 100-700 Гц оказались оптимальными для этой схемы при условии использования IRF3205, IRF3710 (минимальный нагрев). Так как TL494 используется неполно в этой схеме, свободный усилитель ошибки микросхемы можно использовать, например, для работы с датчиком температуры.

Следует иметь в виду и то, что при неправильной компоновке даже правильно собранное импульсное устройство будет работать некорректно. Поэтому не следует пренебрегать опытом сборки силовых импульсных устройств, описанном в литературе неоднократно, а именно: все одноименные «силовые» соединения следует располагать на кратчайшем расстоянии относительно друг друга (в идеале — в одной точке). Так, например, точки соединения такие, как коллектор VT1, выводы резисторов R6, R10 (точки соединения с общим проводом схемы), вывод 7 U1 — следует объединить практически в одной точке либо посредством прямого короткого и широкого проводника (шины). То же касается и стока VT2, вывод которого следует «повесить» непосредственно на клемму "-" АБ. Выводы IC1 также должны находиться в непосредственной «электрической» близости к клеммам АБ.

↑ Схема ЗУ № 2 (TL494)

Схема 2 не сильно отличается от схемы 1, но если предыдущая версия ЗУ была придумана для работы с АБ шуруповерта, то ЗУ на схеме 2 задумывалось, как универсальное, малогабаритное (без лишних элементов настройки), рассчитанное для работы как с составными, последовательно включенными элементами числом до 3-х, так и с одиночными.

Как видно, для быстрой смены токового режима и работы с разным количеством последовательно соединенных элементов, введены фиксированные настройки с подстроечными резисторами PR1-PR3 (установка тока), PR5-PR7 (установка порога окончания зарядки для разного количества элементов) и переключателей SA1 (выбор тока зарядки) и SA2 (выбор количества заряжаемых элементов АБ).
Переключатели имеют по два направления, где вторые их секции переключают светодиоды индикации выбора режима.

Ещё одно отличие от предыдущего устройства — использование второго усилителя ошибки TL494 в качестве порогового элемента (включенного по схеме ТШ), определяющего окончание зарядки АБ.

Ну, и, конечно, в качестве ключа использован транзистор р-проводимости, что упростило полное использование TL494 без применения дополнительных компонентов.

Методика настройки порогов окончания зарядки и токовых режимов такая же, как и для настройки предыдущей версии ЗУ. Разумеется, для разного количества элементов, порог срабатывания будет меняться кратно.

При испытании этой схемы был замечен более сильный нагрев ключа на транзисторе VT2 (при макетировании использую транзисторы без радиатора). По этой причине следует использовать другой транзистор (которого у меня просто не оказалось) соответствующей проводимости, но с лучшими токовыми параметрами и меньшим сопротивлением открытого канала, либо удвоить количество указанных в схеме транзисторов, включив их параллельно с раздельными затворными резисторами.

Использование указанных транзисторов (в «одиночном» варианте) не критично в большинстве случаев, но в данном случае размещение компонентов устройства планируется в малогабаритном корпусе с использованием радиаторов малого размера или вовсе без радиаторов.

↑ Схема ЗУ № 3 (TL494)

В ЗУ на схеме 3 добавлено автоматическое отключение АБ от ЗУ с переключением на нагрузку. Это удобно для проверки и исследования неизвестных АБ. Гистерезис ТШ для работы с разрядом АБ следует увеличить до нижнего порога (на включение ЗУ), равного полному разряду АБ (2,8-3,0 В).

↑ Схема ЗУ № 3а (TL494)

Схема 3а — как вариант схемы 3.

↑ Схема ЗУ № 4 (TL494)

ЗУ на схеме 4 не сложнее предыдущих устройств, но отличие от предыдущих схем в том, что АБ здесь заряжается постоянным током, а само ЗУ является стабилизированным регулятором тока и напряжения и может быть использовано в качестве модуля лабораторного источника питания, классически построенного по «даташитовским» канонам.

Такой модуль всегда пригодится для стендовых испытаний как АБ, так и прочих устройств. Имеет смысл использование встроенных приборов (вольтметр, амперметр). Формулы расчета накопительных и помеховых дросселей описаны в литературе. Скажу лишь, что использовал готовые различные дроссели (с диапазоном указанных индуктивностей) при испытаниях, экспериментируя с частотой ШИМ от 20 до 90 кГц. Особой разницы в работе регулятора (в диапазоне выходных напряжений 2-18 В и токов 0-4 А) не заметил: незначительные изменения в нагреве ключа (без радиатора) меня вполне устраивали. КПД, однако, выше при использовании меньших индуктивностей.
Лучше всего регулятор работал с двумя последовательно соединенными дросселями 22 мкГн в квадратных броневых сердечниках от преобразователей, интегрированных в материнские платы ноутбуков.

↑ Схема ЗУ № 5 (MC34063)

На схеме 5 вариант ШИ-регулятора с регулировкой тока и напряжения выполнена на микросхеме ШИМ/ЧИМ MC34063 с «довеском» на ОУ CA3130 (возможно использование прочих ОУ), с помощью которого осуществляется регулировка и стабилизация тока.
Такая модификация несколько расширила возможности MC34063 в отличии от классического включения микросхемы позволив реализовать функцию плавной регулировки тока.

↑ Схема ЗУ № 6 (UC3843)

На схеме 6 — вариант ШИ-регулятора выполнен на микросхеме UC3843 (U1), ОУ CA3130 (IC1), оптроне LTV817. Регулировка тока в этом варианте ЗУ осуществляется с помощью переменного резистора PR1 по входу токового усилителя микросхемы U1, выходное напряжение регулируется с помощью PR2 по инвертирующему входу IC1.
На «прямом» входе ОУ присутствует «обратное» опорное напряжение. Т.е., регулирование производится относительно "+" питания.

В схемах 5 и 6, при экспериментах использовались те же наборы компонентов (включая дроссели). По результатам испытаний все перечисленные схемы мало в чем уступают друг другу в заявленном диапазоне параметров (частота/ток/напряжение). Поэтому схема с меньшим количеством компонентов предпочтительнее для повторения.

↑ Схема ЗУ № 7 (TL494)

ЗУ на схеме 7 задумывалось, как стендовое устройство с максимальной функциональностью, потому и по объему схемы и по количеству регулировок ограничений не было. Данный вариант ЗУ так же выполнен на базе ШИ-регулятора тока и напряжения, как и вариант на схеме 4.
В схему введены дополнительно режимы.
1. «Калибровка — заряд» — для предварительной установки порогов напряжения окончания и повтора зарядки от дополнительного аналогового регулятора.
2. «Сброс» — для сброса ЗУ в режим заряда.
3. «Ток — буфер» — для перевода регулятора в токовый или буферный (ограничение выходного напряжения регулятора в совместном питании устройства напряжением АБ и регулятора) режим заряда.

Применено реле для коммутации батареи из режима «заряд» в режим «нагрузка».

Работа с ЗУ аналогична работе с предыдущими устройствами. Калибровка осуществляется переводом тумблера в режим «калибровка». При этом контакт тумблера S1 подключает пороговое устройство и вольтметр к выходу интегрального регулятора IC2. Выставив необходимое напряжение для предстоящей зарядки конкретной АБ на выходе IC2, с помощью PR3 (плавно вращая) добиваются зажигания светодиода HL2 и, соответственно, срабатывания реле К1. Уменьшая напряжение на выходе IC2, добиваются гашения HL2. В обоих случаях контроль осуществляется встроенным вольтметром. После установки параметров срабатывания ПУ, тумблер переводится в режим заряда.

↑ Схема № 8

Применения калибровочного источника напряжения можно избежать, используя для калибровки собственно ЗУ. В этом случае следует отвязать выход ТШ от ШИ-регулятора, предотвратив его выключение при окончании заряда АБ, определяемым параметрами ТШ. АБ так или иначе будет отключена от ЗУ контактами реле К1. Изменения для этого случая показаны на схеме 8.

В режиме калибровки тумблер S1 отключает реле от плюса источника питания для предотвращения неуместных срабатываний. При этом работает индикация срабатывания ТШ.
Тумблер S2 осуществляет (при необходимости) принудительное включение реле К1 (только при отключенном режиме калибровки). Контакт К1.2 необходим для смены полярности амперметра при переключении батареи на нагрузку.
Таким образом однополярный амперметр будет контролировать и ток нагрузки. При наличии двухполярного прибора, этот контакт можно исключить.

↑ Конструкция зарядного устройства

В конструкциях желательно в качестве переменных и подстроечных резисторов использование многооборотных потенциометров во избежании мучений при установке необходимых параметров.

Варианты конструктива приведены на фото. Схемы распаивались на перфорированных макетных платах экспромтом. Вся начинка смонтирована в корпусах от ноутбучных БП.
В конструкциях использовались китайские вольтметры (они же использовались и в качестве амперметров после небольшой доработки).
На корпусах смонтированы гнезда для внешнего подключения АБ, нагрузки, джек для подключения внешнего БП (от ноутбука).

В этом корпусе дополнительно смонтированы зажимы для подключения источника переменного тока (трансформатора). Соответственно, внутри дополнительно смонтирован диодный мост с конденсаторным сглаживающим фильтром.

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации