2715 LadowarkaAkumulatorowPB_10_200Ah .pdf

H HH

Projekty AVT

Ładowarka

akumulatorów

ołowiowych

10. . .200Ah

2 7 1 5

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

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

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. 1

Rys. 2

Elektronika dla Wszystkich

Marzec 2004

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,

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.

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. 3

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

Rys. 5

Marzec 2004 Elektronika dla Wszystkich

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−

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

2,5mm 2 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

Elektronika dla Wszystkich

Marzec 2004

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 2,5mm 2 . Lepiej byłoby zastosować

przewody 4mm 2 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 .

F 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..+35 o C. Jeśli ktoś

chciałby uzależnić

końcowe napięcie ła−

dowania od tempera−

tury, może dodać dio−

dy szeregowe i do−

brać R5 według ry−

sunku 11 .

Rys. 10

Rys. 11

Wykaz elementów

Rezystory

R1,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1M Ω

R2,R3,R7,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7k Ω

R4,R6,R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7,5k Ω

R5,R10,R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30k Ω

R8,R13,R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k

Ω

R16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150

Ω

min. 1W

PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k

Ω

PR miniaturowy

Kondensatory

C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470nF

C2,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7nF

C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3nF

C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220nF

Półprzewodniki

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

Jerzy

Częstochowski

Rys. 9

Rys. 8

Pozostałe

Y1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .piezo z gen.

Uwaga! W skład 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

Marzec 2004 Elektronika dla Wszystkich

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...2200

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: