2715, Elektronika SCHEMATY
[ Pobierz całość w formacie 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
13
HH
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
14
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
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 2,5mm
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
.
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..+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
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
!
"
Ω
"!#$
%
& '
&& '
& '
& '
"())*$
+ !*$
,, -
, +./
,, 0,1!!
,2& 3
// +&
/ +42
4 /0
4&56
Jerzy
Częstochowski
Rys. 9
Rys. 8
"))
7 *8
4$899
)$#.3/:$
;!/!*$+
Komplet podzespołów z płytką
jest dostępny w sieci handlowej AVT
jako kit szkolny AVT−2715
16
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl charloteee.keep.pl
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
13
HH
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
14
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
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 2,5mm
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
.
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..+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
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
!
"
Ω
"!#$
%
& '
&& '
& '
& '
"())*$
+ !*$
,, -
, +./
,, 0,1!!
,2& 3
// +&
/ +42
4 /0
4&56
Jerzy
Częstochowski
Rys. 9
Rys. 8
"))
7 *8
4$899
)$#.3/:$
;!/!*$+
Komplet podzespołów z płytką
jest dostępny w sieci handlowej AVT
jako kit szkolny AVT−2715
16
[ Pobierz całość w formacie PDF ]