ŁŁaaadddooowwwaaarrrkkkaa
advertisement
H Projekty AVT Ładowarka akumulatorów ołowiowych 10...200Ah Duże akumulatory o pojemnościach rzędu kilkudziesięciu i więcej amperogodzin zazwyczaj ładowane są za pomocą prymityw− nych prostowników, zawierających transfor− mator, mostek diodowy i ewentualnie rezys− tor dużej mocy (np. kawałek grubej spirali grzejnej), ograniczający prąd do bezpiecznej wartości. Rysunek 1 pokazuje przykłady realizacji. W zasadzie takie prostowniki mogą Rys. 1 E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h z powodzeniem ładować akumulatory pod warunkiem, że nie zostanie przekroczony maksymalny prąd ładowania, zazwyczaj rów− ny 0,3C i że akumulator nie zostanie przeła− dowany wskutek zbyt długiego ładowania. Niestety, często się zdarza, że akumulator przez przeoczenie jest ładowany zbyt długo. Każde przeładowanie jest szkodliwe − nieko− rzystnie odbija się na trwałości akumulatora i zmniejsza dostępną pojemność. Niestety, wspomniane klasyczne prostow− niki nie mają żadnych obwodów uniemożli− wiających przeładowanie. Jeśli napięcie (szczytowe) z transformatora jest znacznie większe od napięcia akumulatora, trzeba sto− sować rezystory ograniczające prąd i wtedy podczas ładowania, gdy napięcie na akumula− torze rośnie z około 12 do 15V, wartość prądu praktycznie się nie zmienia – ilustrują to czer− wone krzywe na rysunku 2. Trochę lepiej jest w prostownikach, gdzie napięcie (szczy− towe) transformatora jest niewiele większe od 12V. Wtedy przy wzroście napięcia aku− mulatora z 12 do 15V prąd znacząco spada – pokazują to niebieskie krzywe na rysunku 2. W praktyce realizuje się to za pomocą trans− formatora z odczepami (np. wg rysunku 1c), ale i tak uzyskanie pożądanego efektu zmniej− szenia prądu ładowania do bezpiecznej war− tości jest wręcz niemożliwe, głównie ze względu na nieuniknione wahania napięcia sieci energetycznej w ciągu doby. Aby zapobiec przeładowaniu, trzeba zastosować dodatkowe środki, radykalnie zmniejszające prąd ładowania, gdy napięcie akumulatora zbliża się do 15V. W EdW 2715 1/2003 opisana była ładowarka akumulato− rów ołowiowych, przeznaczona do pracy przy prądach sięgających 2A. Teoretycznie tamten układ mógłby pracować przy dużo większych prądach, bo zastosowany tranzystor mocy ma prąd maksymalny ponad 20A. Poważnym ograniczeniem okazuje się jednak moc strat tranzystora szeregowego. Aby obejść to ograniczenie, opracowany został układ impulsowy, w którym tranzystor albo jest zatkany, albo w pełni otwarty. Redu− kuje to straty mocy w tranzystorze do zaska− kująco małej wartości. Ta cenna zaleta oku− piona jest jednak drobną niedogodnością – układ nie ma ogranicznika prądu ładowania, tylko układ regulacji napięcia końcowego. Nie jest to jednak nawet w najmniejszym stopniu wadą, bo prezentowany układ jest przystawką do dowolnego klasycznego pros− townika. Na początku ładowania tranzystor jest w pełni otwarty i prąd jest wyznaczony przez właściwości prostownika. Gdy napięcie Rys. 2 13 Projekty AVT akumulatora wzrośnie, tranzystor jest na pewien czas zatykany, przez co średni prąd ładowania maleje. Regulacja prądu ładowania polega na okresowym włączaniu i wyłączaniu prądu ładowania. Podstawowa idea pokazana jest na rysunku 3. Podczas realizacji tego pro− jektu najpierw wypróbowano układ z regulac− ją fazową prądu, w tym wersję, gdzie tranzys− tor MOSFET włączany był na początku każ− dego półokresu, a następnie gdzieś w trakcie tego półokresu wyłączany. Przypomina to regulację fazową z wykorzystaniem tyrystora, Rys. 3 ale odwrotnie niż w tyrystorze tranzystor jest wyłączany w trakcie trwania połówki prze− biegu. Została nawet zaprojektowana płytka drukowana, a powstały model został poddany próbom. Opisany sposób, choć obiecujący, wymaga rozwiązania kilku problemów, zwią− zanych z gwałtownym przerywaniem prądu w uzwojeniu. Klasyczna regulacja „tyrysto− rowa” po stronie wtórnej też wiąże się z pew− nymi problemami, dlatego ostatecznie powstała i została wypróbowana proponowa− na wersja ze sterowaniem grupowym. Przy zastosowanej w opisywanym układzie odmianie regulacji grupowej tranzystor jest włączany przynajmniej na jeden pełny okres (dwa półokresy). Po pierwsze, nie ma wtedy możliwości przerwania prądu w trakcie okresu, co gwarantuje, że transformator nie jest podmagnesowywany prądem stałym. Po drugie, znacznie ważniejsze, tran− zystor jest otwierany na początku okre− su, gdy napięcie z transformatora jest niskie i nie płynie prąd ładowania. Tak otwarty tranzystor „czeka” na wzrost napięcia transformatora, a prąd ładowa− nia pojawia się, gdy chwilowe napięcie transformatora przekroczy napięcie akumulatora. Jak pokazuje rysunek 4, prąd ładowania płynie dokładnie tak, jak w zwykłym prostowniku. Rys. 4 Opis układu Pełny schemat ideowy ładowarki dużych akumulatorów pokazany jest na rysunku 5. Układ nie ma ogranicznika prądu, a maksymal− ny prąd ładowania (gdy tranzystor jest stale otwarty) jest tu wyznaczony przez transformator i ewentualnie ograniczony przez szeregowy rezystor lub/i przez żarówkę umieszczoną w obwodzie uzwojenia pierwo− tnego – patrz rysunek 1. Parametry tranzysto− ra T3 zazwyczaj nie będą ograniczeniem, ponieważ zalecany tranzystor BUZ11 ma dopuszczalny prąd ciągły równy 26A, a w impulsie do 104A. Tymczasem nawet duży akumulator 200Ah jest zwykle ładowany dziesięciogodzinnym prądem 20A. Kluczową rolę w układzie sterującym pełni przerzutnik D z kostki 4013 – U2A. Na końcu pełnego okresu przebiegu sieci przerzutnik ten jest zerowany przez krótki impuls podawany na jego wejście R. Na wyjściu Q na pewno pojawia się wtedy stan niski. Kondensator C1 ładuje się bardzo szybko przez diodę D1 i rezystancję wyjściową przerzutnika. Za chwilę dodatnie zbocze na wejściu CLK prze− rzutnika U2A powoduje przepisanie na wyj− ście Q stanu logicznego z wejścia D. Wejście to jest dołączone do komparatora, którym w tym przypadku jest układ TL431 – U1. Jeśli napięcie na wejściu REF układu TL431 (względem masy i końcówki A) jest mniejsze niż 2,5V, przez U1 nie płynie prąd, więc na wejściu D przerzutnika występuje najpraw− dziwszy stan wysoki. Jeśli napięcie na wej− ściu REF osiągnie wartość napięcia progowe− go kostki (2,5V, dokładniej 2,495V±55mV), przez kostkę U1 i rezystor R7 popłynie prąd. Napięcie na wejściu D przerzutnika spadnie do wartości około 2V, co zostanie potraktowa− ne jako stan niski. Potencjometr PR1 pozwala regulować napięcie zadziałania komparatora U1 w zakresie co najmniej 13,5...15V, co cał− kowicie wystarcza w praktyce. Rys. 5 14 E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h Projekty AVT Jeśli napięcie akumulatora jest mniejsze od napięcia zadziałania komparatora, wtedy po każdym wyzerowaniu przerzutnika U2A po dodatkowej krótkiej chwili na wyjście Q wpisywany jest stan wysoki. Kondensator C1 naładowany szybko do napięcia ponad 10V zostaje „podrzucony do góry”. Oznacza to, że napięcie na bramce tranzystora staje się o co najmniej 10V wyższe od napięcia na jego źródle i tranzystor w pełni się otwiera. Jak wspomniano, prąd ładowania jeszcze wtedy nie płynie i otwarty tranzystor „czeka” na impuls prądu ładowania. Ważną cechą charakterystyczną układu jest to, że opisany cykl ładowania C1 i „pod− rzucania go do góry” nie jest powtarzany w każdej połówce przebiegu sieci, tylko co pełny okres, czyli co 20ms. Dzięki temu zawsze układ przepuści parzystą liczbę połó− wek sinusoidy, co jest korzystne dla transfor− matora – prąd pobierany z transformatora nie zawiera składowej stałej. Przebieg zmienny z (dowolnego wyprowadzenia) transformato− ra podawany jest na punkt S. Elementy R2, D4, D5, R12 są tak dobrane, że tranzystor T1 zatyka się pod koniec dodatniego przebiegu z punktu S, gdy chwilowa wartość napięcia z transformatora wynosi około 6V. Natomiast tranzystor T2 zatyka się nieco później, gdy chwilowe napięcie przebiegu z punktu S spadnie poniżej 1V. Przebieg z kolektora T2 jest dodatkowo wyostrzony w nietypowym przerzutniku Schmitta z układem U2B. Wyostrzenie zboczy jest tu potrzebne, bo impuls na wejściu zegarowym CLK musi mieć bardzo ostre zbocze aktywne (rosnące). W każdym razie na kolektorach T1 i T2 występują narastające zbocza przesunięte w czasie o około 1ms. Wcześniejsze narastające zbocze na kolektorze T1 dzięki obecności obwodu róż− niczkującego R8C3 wytwarza krótki (około 0,3ms) impuls zerujący na wejściu R prze− rzutnika U2A. Nadchodzące nieco później rosnące zbocze na wejściu zegarowym wpi− suje aktualny stan wejścia D na wyjście. Przykładowe przebiegi pokazane są na rysunku 6. Jak widać, gdy napięcie akumulatora jest niższe od progu nastawionego za pomocą PR1, akumulator jest ładowany pełnym prą− dem. Gdy napięcie wzrasta, zanikają impulsy na wyjściu Q U2A i tranzystor T3 nie zostaje załączony. Tranzystor T3 nie zostanie jednak od razu defi− nitywnie wyłączony, ponie− waż napięcie na akumulatorze wykazuje niewielkie wahania. W rezultacie tranzystor będzie coraz częściej wyłączany i średni prąd ładowania będzie malał. Należy zauważyć, iż układ elektroniczny ładowarki (w tym U2) zasilany jest napię− E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h ciem z ładowanego akumulatora. Jeśli akumu− lator nie jest podłączony, tranzystor szerego− wy T3 nie zostanie otwarty. Takie rozwiązanie między innymi zabezpiecza przed uszkodze− niem w przypadku zwarcia zacisków (punk− tów P, N) oraz odwrotnego dołączenia akumu− latora. Jeśli tranzystor T3 pozostanie zatkany, omyłkowe zwarcie lub odwrotne dołączenie akumulatora nie grozi uszkodzeniem układu (diod mostka prostowniczego). Należy zwrócić uwagę, że podczas nor− malnej pracy dioda Zenera D6 nie przewodzi. Układ elektroniczny jest zasilany przez rezys− tor R16 o niewielkiej wartości i diodę Schott− ky'ego D2. Dzięki temu napięcie zasilające układ scalony U2 jest mniejsze od napięcia na akumulatorze tylko o około 0,3V, co nie ma praktycznego znaczenia. Dioda D6 jest potrzebna, żeby ograniczyć napięcie zasilania układu scalonego U2 do bezpiecznej wartości − napięcie powyżej 20V mogłoby uszkodzić układ U2 z rodziny CMOS 4000, a mogłoby się ono pojawić po odłączeniu akumulatora, przy przewodzącym tranzystorze T3. Dioda D6 zabezpiecza też układ w przypadku odwrotnego dołączenia akumulatora − nic groźnego się nie stanie, ponieważ napięcie na D2 w kierunku przewodzenia wyniesie około 0,8V, czyli napięcie zasilania układu U2 wyniesie −0,8V. Uniemożliwi to pracę ukła− du, a co ważne, nie pozwoli otworzyć tran− zystora T3 i tym samym zapobiegnie uszko− dzeniu prostownika. W czasie odwrotnego przyłączenia akumulatora przez rezystor R16 i diodę D6 popłynie prąd nie przekraczający 0,1A. W praktyce rezystor R16 może mieć mniejszą rezystancję i mniejszą moc, ponie− waż przy odwrotnym podłączeniu akumulato− ra natychmiast głośno odezwie się brzęczyk Y1 i zasygnalizuje pomyłkę. Obecność R15 i R6, R7 o znacznych wartościach też zabez− pieczają przez uszkodzeniem w przypadku błędnego dołączenia akumulatora. Warto zauważyć, że obwód pomiaru napięcia akumulatora (R6 i anoda U1) dołą− czony jest nie do masy układu, tylko wprost do punktu N. Dzięki temu wyeliminowany jest wpływ spadku napięcia na D2 i R6. We wcześniejszej wersji obwody te włączone były nieco inaczej, dlatego też model pokaza− ny na fotografii nieco różni się od rysunku płytki drukowanej. Bodźcem do wprowadze− nia zmian była też prośba osób, które ocenia− ły projekt, żeby wprowadzić możliwość łado− wania akumulatorów 24−woltowych. Obe− cność R16, D6 oraz R15 umożliwia taką modyfikację − należy tylko zmienić R5 na większy. Taki układ nie był jednak testowany w praktyce. Montaż i uruchomienie Opisywany układ jest przystawką do jakiego− kolwiek (istniejącego) prostownika, dołączoną według rysunku 3. Sterownik można zmonto− wać na płytce pokazanej na rysunku 7. Układ zmontowany prawidłowo ze spraw− nych elementów od razu będzie działał. Projekt oznaczono dwiema gwiazdkami tylko dlatego, że opisany moduł będzie częś− cią większego układu – prostownika, w któ− rym będą płynąć prądy o wartości kilku, a nawet kilkunastu amperów. A prądy o ta− kich wartościach wymagają użycia przewo− dów o odpowiednim przekroju. Przekrój 2,5mm2 jest to absolutne minimum. Zastosowany tranzystor BUZ11 ma dopuszczalny prąd ciągły równy 26A, a w pra− ktyce maksymalna wartość (skuteczna) prądu ładowania nie powinna przekraczać 12...15A. Tranzystor T3 trzeba wyposażyć w radiator. Dzięki pracy impulsowej, straty mocy w tran− zystorze T3 są jednak zaskakująco małe − przy prądach ładowania do 4...5A radiator nie jest konieczny, ewentualnie można zastoso− wać kawałeczek blachy. Kto chciałby pracować z prądami powyżej 15A, może zmienić popularnego BUZ11 na MOSFET−a N o większym prądzie i mocy strat. Ważne, żeby rezystancja tranzystora w stanie otwarcia była jak najmniejsza, więc powinien to być MOSFET o możliwe niskim napięciu pracy 60 lub 100V. Rys. 7 Rys. 6 15 Projekty AVT W główny obwód ładowania trzeba włą− czyć tranzystor T3 według rysunku 3a. W ob− wodach zaznaczonych na rysunku 3a kolorem czerwonym płyną duże prądy i należy je zrea− lizować przewodami o przekroju przynaj− mniej 2,5mm2. Lepiej byłoby zastosować przewody 4mm2 lub jeszcze grubsze. Nato− miast w obwodach sterownika płyną znikome prądy i przewody prowadzące do punktów G, P, N, S mogą być cienkie. Za pomocą poten− cjometru PR1 trzeba ustawić napięcie końco− we ładowania. Według wskazówek producen− tów akumulatorów przy pracy cyklicznej wyniesie ono około 15V (zalecana wartość to 14,4V...15V), a przy pracy buforowej około 13,8V (13,5...13,8V). Podane przez producen− tów wartości napięcia końcowego trzeba trak− tować jako punkt wyjścia. Ze względu na znaczne impulsy prądu ładowania, zaleca się to napięcie końcowe ustawić za pomocą PR1 po dołączeniu akumulatora, w warunkach realnej pracy. Akumulator ma bowiem nieze− rową rezystancję wewnętrzną i podczas pracy napięcie na nim będzie wykazywać niewielkie tętnienia wynikające z przepływu impulsów prądu ładowania przez tę rezystancję. Sprawny akumulator samochodowy ma rezystancję wewnętrzną rzędu 10mΩ, zużyty − dużo więk− szą. Może się więc okazać, zwłaszcza w przy− padku nieco zużytych akumulatorów, że trzeba ustawić napięcie końcowe nieco większe od zalecanego, które dotyczy ciągłego ładowania prądem pozbawionym tętnień. Ustawione zbyt niskie napięcie końcowe (napięcie wyłączania prądu) może poważnie wydłużyć czas potrzeb− ny do pełnego naładowania akumulatora. W praktyce najpierw trzeba dobrać rezys− tor lub żarówkę w obwodzie uzwojenia pier− wotnego transformatora, by określić maksy− malny prąd ładowania. Potem należy ustawić napięcie końcowe za pomocą PR1, kontrolu− jąc napięcie na akumulatorze i prąd ładowa− nia. Przy napięciu końcowym prąd ładowania powinien być niewielki. Uwaga! Amperomierz – obwód kontroli prądu jest jak najbardziej zalecany, nie tylko przy pierwszych próbach. Amperomierz nie powinien być włączony pomiędzy punkty P, N według przekreślonego rysunku 8a, ponieważ wtedy rezystancja amperomierza niepotrzeb− nie zwiększałaby rezystancję wewnętrzną akumulatora. Prawidłowy sposób włączenia amperomierza pokazany jest na rysunku 8b. Możliwości zmian Akumulatory kwasowe to kapryśne elementy. Właściwości poszczególnych egzemplarzy mogą się znacznie różnić. Dlatego można wprowadzać pewne zmiany, żeby uzyskać pożądany efekt odpowiedni dla danego egzemplarza akumulatora. Po praktycznych próbach modelu można wypróbować działanie przy zwiększeniu pojemności C5 do 1000...2200µF albo lepiej z obwodem filtrowania napięcia sterującego według rysunku 9. Zwiększając pojemność C5, należy jednak pamiętać o istotnym szcze− góle: kondensator C5 w jednej z pierwszych wersji miał znacznie większą pojemność – wtedy po odłączeniu akumulatora zasilany przezeń układ sterujący otwierał T3 i dołado− wywał C5. Oznaczało to, że po naładowaniu akumulatora układ nie był odporny na zwar− cie zacisków P, N. Radykalne zmniejszenie C5 powoduje, że w ciągu półokresu zdąży się on na tyle rozładować, że po odłączeniu aku− mulatora niemożliwe będzie otwarcie T3. Można wypróbować efekt wprowadzenia niewielkiej histerezy przez dodanie obwodu według rysunku 10. Histereza wydłuży cykl pracy w końcowej fazie ładowania, zwiększy liczbę impulsów ładowania, ale też czas następującej potem przerwy. Sensowne może się okazać wprowadzenie zarówno filtrowa− nia napięcia mierzonego według rysunku 9 oraz takiej histerezy wg rysunku 10, żeby podczas ładowania końcowe napięcie łado− wania (górne napięcie przełączania) wynosiło np. 16V, co uwzględni spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej baterii, a dolne 14,4...15V. Przedstawiony układ sterownika nie ma obwodów kom− pensacji cieplnej. Nie jest to potrzebne przy temperaturach pracy +5..+35oC. Jeśli ktoś chciałby uzależnić końcowe napięcie ła− dowania od tempera− tury, może dodać dio− dy szeregowe i do− brać R5 według ry− sunku 11. Jerzy Częstochowski Rys. 9 Rys. 8 Rys. 10 Rys. 11 Wykaz elementów Rezystory R1,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1MΩ R2,R3,R7,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7kΩ R4,R6,R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7,5kΩ R5,R10,R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30kΩ R8,R13,R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100kΩ R16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150Ω min. 1W PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ PR miniaturowy Kondensatory C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470nF C2,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7nF C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3nF C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220nF Pó³przewodniki BR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .mostek prostowniczy D1,D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148 D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BAT43 D4,D5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED G 3mm D6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .dioda Zenera C18V 1W T1,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548 T3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BUZ11 U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TL431 U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CMOS 4013 Pozosta³e Y1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .piezo z gen. Uwaga! W sk³ad zestawu AVT-2715 nie wchodzi transformator TR1 i mostek prostowniczy BR1. Komplet podzespołów z płytką jest dostępny w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT−2715 16 E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
