Импульсное зарядное устройство. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Автомобиль. Аккумуляторы, зарядные устройства

Комментарии к статье

Для зарядки стартерных аккумуляторных батарей автолюбители применяют самые разнообразные устройства, большинство которых построено с использованием понижающего сетевого трансформатора. Таким устройствам свойственны сравнительно низкий КПД, большие габариты и масса. И если КПД можно хоть как-то поднять, то улучшить остальные показатели подобных устройств практически не удается. Существенно повысить эксплуатационные качества зарядного устройства можно, если построить его по принципу импульсного инвертора напряжения.

Импульсные зарядные станции, выпускаемые за рубежом (фирмы Bosch, Telwin и др.), имеют превосходные технические показатели, но по стоимости недоступны большинству наших автомобилистов. Вместе с этим и самостоятельное изготовление подобных устройств под силу далеко не каждому радиолюбителю, особенно тем, кто не имеет необходимого опыта в области импульсной схемотехники и налаживания таких приборов.

Тем не менее не следует считать импульсные зарядные устройства непреодолимо сложными. Так, в [1] описано радиолюбительское устройство, построенное на основе обратноходового преобразователя.

Несомненное достоинство таких преобразователей - их относительная простота и малые габариты. Однако есть у них и недостатки. Один из наиболее серьезных из них - подмагничивание магнитопровода трансформатора, из-за чего приходится использовать магнитопровод сечением в 2...2,5 раза большим, чем для двухтактных преобразователей.

Кроме того, выбросы напряжения на коммутирующем элементе обратноходовых преобразователей, как правило, значительно превышают напряжение питания, что требует введения дополнительных подавляющих и рекуперационных цепей. Энергетические потери в них наиболее ощутимо сказываются при большой выходной мощности, поэтому однотактные преобразователи применяют в узлах питания мощностью, не превышающей сотни ватт.

Батарею свинцовокислотных аккумуляторов обычно заряжают одним из трех способов: при стабильном напряжении, при стабильном токе и по так называемому правилу ампер-часов. Зарядку стабильным напряжением реализовать довольно просто, но она не гарантирует стопроцентного использования емкости батареи. Зарядку по правилу ампер-часов (по Вудбриджу) можно считать идеальным способом, однако он не получил широкого распространения из-за схемной сложности.

Наиболее оптимальным признан способ зарядки стабильным зарядным током. Устройства, реализующие этот способ, легко оснастить узлами, которые позволяют автоматизировать процесс зарядки. К этой группе зарядных устройств относится и описываемое ниже.

В основу устройства (см. схему) положен двухтактный полумостовой импульсный преобразователь (инвертор) на мощных транзисторах VT4 и VT5, управляемый широтноимпульсным контроллером DA1 по низковольтной стороне. Такие преобразователи, устойчивые к повышению питающего напряжения и изменению сопротивления нагрузки, хорошо зарекомендовали себя в источниках питания современных компьютеров. Поскольку в ШИ контроллере К1114ЕУ4 [2] находятся два усилителя ошибки, для контроля зарядного тока и выходного напряжения не требуется дополнительных микросхем.

(нажмите для увеличения)

Быстродействующие диоды VD14, VD15 защищают коллекторный переход транзисторов VT4, VT5 от обратного напряжения на обмотке I трансформатора Т2 и отводят энергию выбросов обратно в источник питания. Диоды должны обладать минимальным временем включения.

Терморезистор R1 ограничивает ток зарядки конденсаторов С4, С5 при включении устройства в сеть. Для подавления помех со стороны преобразователя служит сетевой фильтр C1C2C3L1. Цепи R19R21C12VD8 и R20R22C13VD9 служат для форсирования процесса закрывания коммутирующих транзисторов путем подачи в их базовую цепь минусового напряжения. Это позволяет снизить коммутационные потери и увеличить КПД преобразователя.

Конденсатор С8 предотвращает подманичивание магнитопровода трансформатора Т2 из-за неодинаковой емкости конденсаторов С4 и С5. Цепь R17C11 способствует уменьшению амплитуды выбросов напряжения на обмотке I трансформатора T2.

Трансформатор Т1 гальванически развязывает вторичные цепи от сети и передает управляющие импульсы в базовую цепь коммутирующих транзисторов. Обмотка III обеспечивает пропорционально токовое управление. Использование трансформаторной развязки позволило сделать эксплуатацию устройства безопасной.

Выпрямитель зарядного тока выполнен на диодах КД2997А (VD10, VD11), способных работать на сравнительно высокой рабочей частоте преобразователя.

Резистор R25 - датчик тока. Напряжение с этого резистора, поданное на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки контроллера DA1, сравнивается с напряжением на его инвертирующем входе, устанавливаемом резистором R2 "Зарядный ток". При изменении сигнала ошибки изменяется скважность управляющих импульсов, время открытого состояния коммутирующих транзисторов инвертора и, значит, передаваемая в нагрузку мощность.

Напряжение с делителя R23R24, пропорциональное напряжению на заряжаемой батарее, поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки и сравнивается с напряжением на резисторе R5, приложенным к инвертирующему входу этого усилителя. Таким образом происходит регулирование выходного напряжения. Это позволяет избежать интенсивного кипения электролита в конце зарядки путем снижения зарядного тока.

ШИ контроллер имеет встроенный источник стабильного напряжения 5 В, который питает все делители напряжения, задающие требуемые значения напряжения на выходе устройства и зарядного тока.

Поскольку питание на микросхему DA1 поступаете выхода устройства, недопустимо снижение выходного напряжения устройства до 8 В - в этом случае прекращается стабилизация зарядного тока и он может превысить предельно допустимое значение. Подобные ситуации исключает узел, собранный на транзисторе VT3 и стабилитроне VD12, - он блокирует включение зарядного устройства, если его нагрузить неисправной либо сильно разряженной батареей (с ЭДС менее 9 В). Стабилитрон, а значит, и транзистор узла остаются закрытыми, а вход DTC (вывод 4) микросхемы DA1 - подключенным через резистор R7 к выходу Uref встроенного источника образцового напряжения (вывод 14). Напряжение на входе DTC при этом - не менее 3 В, и формирование импульсов запрещено.

При подключении к выходу устройства исправной батареи открывается стабилитрон VD12 и вслед за ним транзистор VT3, замыкая на общий провод вход DTC контроллера и тем самым разрешая формирование импульсов на выходах С1, С2 (открытый коллектор). Частота следования импульсов - около 60 кГц. После усиления по току транзисторами VT1, VT2 они через трансформатор Т1 передаются на базу коммутирующих транзисторов VT4 и VT5. Частоту повторения импульсов определяют элементы R10 и С9. Ее рассчитывают по формуле F=1,1/R10·C9.

Диоды КД257Б можно заменить на RL205, КД2997А - на другие, в том числе на диоды Шотки с обратным напряжением более 50 В и выпрямленным током более 20 A, FR155 - на быстродействующие импульсные диоды FR205, FR305, а также UF4005. ШИ контроллер К1114ЕУ4 имеет множество зарубежных аналогов - TL494IN [3], DBL494, ГЛРС494, IR2M02, КА7500. Вместо КТ886А-1 подойдут транзисторы КТ858А, КТ858Б или КТ886Б-1.

Трансформаторы - самые ответственные и трудоемкие элементы любого импульсного преобразователя. От качества их изготовления зависят не только характеристики устройства, но и вообще его работоспособность

Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К20х12х6 из феррита М2000НМ. Обмотка I намотана проводом ПЭВ-2 0,4 равномерно по всему кольцу и содержит 2x28 витков; обмотки II и IV - по 9 витков провода ПЭВ-2 0,5. Обмотка III - два витка провода МГТФ-0,8. Обмотки изолированы одна от другой и от магнитопровода двумя слоями тонкой фторопластовой ленты.

Трансформатор Т2 намотан на броневом магнитопроводе Ш10х10 из феррита М2000НМ (или, еще лучше, M2500HMC); годится и кольцевой магнитопровод аналогичного сечения. Обмотка I содержит 35 витков провода ПЭВ-2 0,8, а обмотка II - 2x4 витка жгута сечением не менее 4 мм2 из нескольких проводов ПЭВ-2 или ПЭЛ. Если принудительно охлаждать трансформатор, сечение жгута можно уменьшить.

Следует отметить, что от качества межобмоточной изоляции трансформаторов зависит не только надежность устройства, но и безопасность его эксплуатации, поскольку именно она изолирует вторичные цепи от напряжения сети. Поэтому не следует выполнять ее из подручных материалов - оберточной бумаги, канцелярского скотча и т. д. - и уж тем более пренебрегать ей, как иногда делают малоопытные радиолюбители. Лучше всего применять тонкую фторопластовую ленту или конденсаторную бумагу из высоковольтных конденсаторов, укладывая ее в 2-3 слоя.

Собирают устройство в металлической коробке подходящих размеров. Транзисторы VT4 и VT5 устанавливают на теплоотводы с площадью поверхности не менее 100 см2. Диоды VD10, VD11 также снабжают общим теплоотводом с площадью поверхности не менее 200 см2. Использовать в качестве теплоотвода стенки коробки устройства, а также общий теплоотвод для диодов и транзисторов не следует из соображений безопасности эксплуатации зарядного устройства. Размеры теплоотводов можно существенно уменьшить, если принудительно охлаждать их вентилятором.

Для налаживания преобразователя потребуются ЛАТР, осциллограф, исправная аккумуляторная батарея и два измерителя - вольтметр и амперметр (до 20 А). Если в распоряжении радиолюбителя окажется развязывающий трансформатор 220 В х 220 В мощностью не менее 300 Вт, следует устройство включить через него - работать будет безопаснее.

Сначала через временный токоограничительный резистор сопротивлением 1 Ом мощностью не менее 75 Вт (или автомобильную лампу мощностью 40-60 Вт) подключают к выходу устройства батарею и убеждаются в наличии плюсового напряжения 5 В на выходе Uret (вывод 14) ШИ контроллера. Подключают осциллограф к выходам С1 и С2 (выводы 8 и 11) контроллера и наблюдают импульсы управления. Движок резистора R2 устанавливают в крайнее нижнее по схеме положение (минимальный зарядный ток) и подают от ЛАТРа на сетевой вход устройства напряжение 36.. .48 В. Транзисторы VT4 и VT5 не должны сильно нагреваться. Осциллографом контролируют напряжение между эмиттером и коллектором этих транзисторов. При наличии выбросов на фронте импульсов следует применить более быстродействующие диоды VD14, VD15 либо точнее подобрать элементы R17 и С11 демпфирующей цепи.

Необходимо иметь в виду, что далеко не все осциллографы допускают измерения в цепях, гальванически связанных с сетью. Кроме этого, помните, что часть элементов устройства находится под сетевым напряжением - это небезопасно!

Если все в порядке, напряжение на сетевом входе плавно повышают ЛАТРом до 220 В и контролируют работу транзисторов VT4, VT5 по осциллографу. Выходной ток при этом не должен превышать 3 А. Вращая движок резистора R2, убеждаются в плавном изменении тока на выходе устройства.

Далее из выходной цепи удаляют временный токоограничительный резистор (или лампу) и подключают батарею непосредственно к выходу устройства. Подбирают резисторы R4, R6 так, чтобы пределы изменения зарядного тока регулятором R2 были равны 0,5 и 25 А. Устанавливают максимальное выходное напряжение равным 15В подборкой резистора R5.

Ручку регулятора R2 снабжают шкалой, проградуированной в значениях зарядного тока. Можно оснастить устройство амперметром. Коробка и все металлические нетоковедущие части зарядного устройства на время его работы должны быть надежно заземлены. Не рекомендуется оставлять работающее зарядное устройство на длительное время без присмотра.

Литература

1. Косенко С. VIPER-100А и "карманное" зарядное устройство на его основе. - Радио, 2002, № 11, с. 30-32.
2. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник. - М.: ДОДЭКА, 1997.
3. TL493, TL494, TL495 Pulse-width-modulation control circuits. Data Sheets - Texas Instruments, 1988. ti.com.

Автор: В.Сорокоумов, г.Сергиев Посад

Смотрите другие статьи раздела Автомобиль. Аккумуляторы, зарядные устройства.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Магнитные поля скрывают путь самых мощных космических частиц 22.02.2026

Изучение космических лучей остается одной из самых сложных и увлекательных задач современной астрофизики. Эти частицы несут энергии, которые многократно превышают возможности земных ускорителей, и их происхождение долгое время оставалось загадкой. Недавний анализ сверхэнергетической "частицы Аматерасу", зафиксированной в 2021 году, позволил исследователям по-новому взглянуть на то, как магнитные поля во Вселенной искажают траектории таких частиц и скрывают их истинные источники. В мае 2021 года международная команда ученых в рамках проекта Telescope Array Project зарегистрировала частицу с энергией около 244 эксаэлектронвольтов. Для сравнения, эта энергия в 40 миллионов раз превышает показатели Большого адронного коллайдера, что делает "частицу Аматерасу" одной из самых мощных, когда-либо зафиксированных на Земле. Первоначальный анализ показал, что траектория частицы указывала на Local Void - малонаселенный участок космоса вблизи нашей группы галактик, где отсутствуют очевидные и ...>>

Чехол для ноутбука Razer Laptop Sleeve 16" 22.02.2026

Ноутбуки стали неотъемлемой частью нашей работы и досуга, а аксессуары для них развиваются не только в сторону защиты устройства, но и повышения функциональности. Одним из ярких примеров такого подхода стал новый чехол для ноутбуков от компании Razer, который сочетает классическую защиту с встроенными модулями беспроводной зарядки. Модель Razer Laptop Sleeve 16" привлекает внимание необычным решением: в откидной крышке предусмотрены сразу две панели стандарта Qi2, предназначенные для зарядки смартфонов и других совместимых гаджетов. Одна из панелей способна выдавать до 5 Вт мощности, что обеспечивает стабильную подзарядку мобильных устройств прямо в чехле. Стоимость аксессуара составляет $130, и высокая цена объясняется именно интеграцией этих функциональных элементов. Для активации беспроводной зарядки чехол необходимо подключить к ноутбуку с помощью кабеля USB-C, входящего в комплект. При этом производитель подчеркивает, что скорость подзарядки зависит от возможностей самого но ...>>

Ряска - ценный источник белка 21.02.2026

Поиск новых источников растительного белка сегодня становится одной из ключевых задач аграрной науки и пищевой промышленности. Рост населения, давление на сельскохозяйственные земли и изменение климата заставляют исследователей искать культуры, которые можно эффективно выращивать в контролируемых условиях и при этом получать высокий питательный выход. В этом контексте неожиданным, но многообещающим кандидатом оказалась ряска - небольшое водное растение, которое долгое время оставалось за пределами привычного рациона. Ряска относится к числу самых быстрорастущих растений на планете и уже рассматривается специалистами как перспективный овощ для интенсивного производства. Ее потенциал подробно изучает исследовательница Ингрид Ван дер Мейер из Вагенингенский университет, одного из ведущих научных центров в области аграрных и пищевых технологий. По ее словам, ряска обладает уникальным сочетанием биологических и питательных характеристик, которые делают ее особенно интересной для будущих ...>>

Случайная новость из Архива ATSAMR34/35 - радио LoRa плюс микроконтроллер Cortex-M0+ для интернета вещей 17.02.2019 Компания Microchip объявила о выпуске одночипового решения для беспроводной передачи данных LoRa (Long Range). Микросхемы ATSAMR34 и ATSAMR35 работают в диапазоне частот 868 МГц и содержат малопотребляющий микроконтроллер SAML21 Cortex M0+ с приемопередатчиком Semtech SX1276. Новый беспроводной микроконтроллер позволяет реализовать двухстороннюю радиосвязь на расстоянии до 15 километров, при этом устройство может подключаться как в стандартной сети LoRaWAN (конечные устройства класса A и C), так и работать в закрытой группе по схеме точка-точка или звезда. Благодаря своему рекордно низкому потреблению 790 нА в режиме сна, SAM R34/35 может применяться в автономных устройствах, которые способны годами работать от одного комплекта батарей. На одной микросхеме размером лишь 6х6 мм (BGA 0,65 мм) можно реализовать законченное устройство интернета вещей. Для общения с внешним миром ATSAMR34/ATSAMR35 имеет большое количество интерфейсов - ADC 12-bit, 2 компаратора, USB и до 5 последовательных портов, каждый из которых может быть сконфигурирован как USART, I2C, SPI или LIN. Для микросхем ATSAMR34/ATSAMR35 предлагается бесплатный стек Microchip LoRaWAN stack в рамках среды разработки Atmel Studio 7.0. Примеры кода включены в набор ПО Advanced Software Framework (ASF). Для разработчика аппаратной части предоставляется схема включения с необходимой обвязкой и референс-дизайн разводки 4-слойной PCB. Особенности ATSAMR34/ATSAMR35: компактный чип Cortex M0+ MCU & LoRa Radio; корпус 6х6 мм BGA, 64-вывода; до 256 KB Flash для кода и стека; до 40 KB RAM, включая 8KB LP-RAM; выходная мощность до 20 дБм (100 мВт); энергоэффективный PA до +13 дБм (20 мВт); чувствительность до -136 дБм (LoRaWAN); чувствительность до -148 дБм (узкополосный режим); бюджет радиолинии до 168 дБ; потребление в режиме приема 17 мА (typ); модуляция LoRa, (G)FSK, (G)MSK и OOK.

Другие интересные новости:

▪ Шум против шума

▪ Полузащищенный ноутбук Panasonic Toughbook CF-54

▪ Эксперимент продолжается полвека

▪ Компактный аккумулятор Urbn Nano 20000 мАч

▪ Телепортация квантовой логики

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Измерительная техника. Подборка статей

▪ статья Джейн Остин. Знаменитые афоризмы

▪ статья Почему опоссум висит на своем хвосте? Подробный ответ

▪ статья Машинист водоснабжения. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Сколько нужно противовесов? Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Свеча и пламя. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026