Схема пуско-зарядного устройства

При заряде аккумуляторных батарей от выпрямителей обычно применяют различные устройства для ступенчатой или плавной регулировки зарядного тока. Выпрямленное напряжение чаще всего изменяют путем переключения числа витков вторичной обмотки силового трансформатора, подключенных к выпрямителю. Требуемый ток в процессе заряда поддерживают реостатом, включенным последовательно с заряжаемой батареей.

В настоящее время широкое распространение получил режим заряда кислотных аккумуляторов током постоянной силы, равной 0,1 его емкости, выраженной в ампер-часах. Недостатком такого режима является значительная потеря энергии в реостате и необходимость непрерывного контроля тока заряда. При отсутствии контроля возможен перегрев батареи, "выкипание" электролита, перезаряд и т.д.

Известно, что разряженный аккумулятор в начале заряда допускает весьма большой зарядный ток без перегрева и газообразования (ток в амперах может быть равен 80% емкости в ампер-часах). Затем, по мере заряда, ток необходимо уменьшать.

Эти положения нашли свое отражение в законе ампер-часов, сформулированном Вудбриджем в 1935 году: сила зарядного тока аккумулятора (в амперах) не должна превышать величины недостающего заряда (в ампер-часах) до полной его емкости. Математически этот закон описывается экспонентой. Согласно этому закону, 90% заряда, отданного аккумулятором, может быть восстановлено в течении 3-х часов, а время полного заряда (включая 15% перезаряд), не превышает 4-х часов.

Схема зарядного устройство, реализующее закон ампер-часов, представляет собой автоматический тиристорный выпрямитель. Процесс заряда батареи аккумуляторов близок к оптимальному. Принципиальная схема зарядного устройства показана на рис.1. Оно питается от сети через трансформатор TV1.

Цепь заряда батареи аккумуляторов подключена к вторичной обмотке II через тиристоры VS1 и VS2. Устройство, управляющее работой тиристоров, работает следующим образом. Через диод VD1, делитель R1, R2 на вход логического элемента DD1.1 поступают импульсы положительной полярности (полуволна) с частотой следования 50 Гц. Второй вход логического элемента DD1.1, реализуемого логическую функцию - "исключающее ИЛИ", подключен к общему проводу. Согласно таблице истинности этого логического элемента, он будет работать повторителем импульсов. Диоды VD5 и VD6 служат для ограничения уровня входного напряжения на входах микросхемы DD1.1 и DD1.2.

Подключение конденсаторов С2 и СЗ переводит повторители импульсов в триггеры Шмита, которые формируют крутые выходные импульсы. Таким образом, на выходе логического элемента DD1.1 будет появляться прямоугольный импульс положительной полярности (уровень 1), если на входе диода VD1 действует положительная полуволна синусоидального напряжения, и уровень "0", если действует отрицательная полуволна синусоидального напряжения. Выходной сигнал логического элемента DD1.2 будет уровень "1", если на входе диода VD5 действует положительная полуволна синусоидального напряжения с обмотки II трансформатора TV1. Согласно техническим условиям управляющие импульсы на тиристор должны подаваться на него, когда к нему приложено прямое напряжение.

Это повышает надежность работы тиристорного выпрямителя. В противном случае, при открытии одного из тиристоров, второй тиристор оказывается под обратным напряжении и на его управляющий электрод поступают открывающие импульсы. Такой режим по ТУ недопустим. Таким образом, такое решение синхронизации работы тиристоров позволяет получить открывающие импульсы на управляющем электроде тиристоров, только если на него действует прямое напряжение.

Действительно, появление уровня "О" на выходе DD1.1 (DD1.2) передается через два инвертора DD3.1 и DD4.2 (DD3.2 и DD4.3) на базу транзистора VT1 (VT2) и он закрывается. То есть в одну полуволну открыт один транзистор, в то время как второй закрыт. Для надежной работы тиристоров VS1 и VS2 на их управляющие электроды подаются импульсы с частотой несколько килогерц, вырабатываемые генератором на логических элементах DD1.3 и DD1.4.

На логических элементах DD2.1…DD2.3 выполнен ШИМ модулятор. В составе этой микросхемы имеются полевые транзисторы (рис. 2). Выходное сопротивление этих транзисторов почти линейно зависит от входного напряжения. Логические элементы DD2.1 и DD2.3 совместно с резистором R2 и конденсатором С5 образуют мультивибратор. Частота колебаний этого мультивибратора определяется выражением f = 1/1,4R7C5. Резистор R5 ограничивает ток обратной связи логического элемента DD2.1.

Логический элемент DD2.1 представляет собой один n-канальный и один р-канальный транзисторы (рис. 2), подключенные параллельно выходу и резистору R7. Эта схема рассчитана на управление временами переключения и t2 путем изменения величин резистора. tt - время включения генератора, tz - время выключения генератора. При высоком уровне на выходе генератора диод VD7 может проводить и пренебрегая его сопротивлением, можно считать, что выходное сопротивление р-канала включено параллельно с резистором R7. При этом выходное сопротивление р-канала падает с уменьшением напряжения на выводе 3 DD2.2. Подобным же образом выходное сопротивление n-канала включается параллельно резистору R7, при низком уровне на выходе генератора. Здесь сопротивление n-канала уменьшается с увеличением напряжения на выводе 3 DD2.2.

Коэффициент заполнения (отношение и t2) изменяется в пределах от 1 до 99% периода рабочей частоты. Коэффициент заполнения прямо пропорционален амплитуде управляющего напряжения на выводе 3 DD2.2. Само изменение частоты колебаний минимально зависит от коэффициента заполнения. Основная частота колебаний через логический элемент DD2.1 управляется полевыми транзисторами, но выходное сопротивление одного всегда возрастает, а другого всегда уменьшается при любой величине управляющего напряжения на выводе 3 DD2.2. Таким образом, среднее за период значение шунтирующего резистор R7 сопротивления является постоянным.

На логических элементах DD3.1 и DD3.2 выполнены трехвходовые схемы совпадения. Выходной сигнал на выходе DD4.1 (DD4.2) появится только тогда, когда на его входы придут одновременно уровни "1" от логического элемента DD1.1, ВЧ генератора DD1.4, ШИМ - DD2.3. В этом случае на базу транзистора VT1 (VT2) поступают импульсы, которые после усиления передаются на управляющий электрод тиристора VS1, в следующую полуволну импульсы подаются на управляющий электрод VS2. По мере заряда аккумулятора, коэффициент заполнения ШИМ изменяется и тиристоры остаются все большее время закрытыми. При полном заряде ток заряда упадет до минимума и будет приблизительно равен току саморазряда аккумулятора.

Работа устройства контролируется приборами РА1 и РА2, измеряющими соответственно ток заряда и напряжение на выводах аккумулятора.

Питание устройства осуществляется от интегрального стабилизатора DA1. Потенциометром R11 с помощью вольтметра выставляется напряжение, при котором наступает полный заряд аккумулятора. Диоды VD3 и VD4 позволяют развязать цепи синхронизации от цепей постоянного тока. Импульсные трансформаторы ,TV1 и TV2 стандартные типа МИТ-4, либо их можно намотать на ферритовых кольцах К7х4х2,5 с магнитной проницаемостью МН600 или более, каждая обмотка содержит по 70 витков провода ПЭЛ-0,1.2.

Если устройство используется для пуска двигателя, то выходное напряжение берется до амперметра, так как пусковые токи очень большие.

К выходным зажимам зарядного устройства подключают разряженную аккумуляторную батарею и заряжают ее нормальным током, регулируя его потенциометром R11. На протяжении заряда напряжение батареи увеличивается, достигая в конце заряда 2,5 В на каждом элементе батареи. Поворачивая движок потенциометра R11, устанавливают минимальный ток заряда батареи, который должен быть не менее тока ее саморазряда, т.е 0,05…0,15 А. При этом батарее не грозит перезаряд, даже если она будет оставаться подключенной к зарядному устройству продолжительное время.

При подключении к зарядному устройству очень сильно разряженных батарей начальный ток в автоматическом режиме может превышать предельно допустимый ток для зарядного устройства. Во избежание перегрева и выхода из строя силового трансформатора и тиристоров, такие батареи заряжают на начальном этапе вручную (путем регулирования тока потенциометром R11).

В случае использования устройства для запуска двигателя внутреннего сгорания необходимо установить тиристоры, например, Т133-320. Очень удобно использовать тиристоры таблеточного типа.

Силовой трансформатор должен быть мощностью не менее 0,5 кВт. Можно использовать два перемотанных трансформатора от старых ламповых цветных телевизоров. Также хорошие результаты получаются, если использовать автотрансформаторы (ЛАТР). Доработка заключается в намотке вторичной обмотки. Сечение провода вторичной обмотки должно быть не менее 25 мм2.

Если устройство использовать как зарядное, то тиристоры должны быть рассчитаны на ток 16 А, а силовой трансформатор - на мощность 180 Вт (например от черно-белых ламповых телевизоров).

Тиристоры должны быть установлены на радиаторы. На 1 Вт рассеиваемой мощности необходимо 10 см2 поверхности радиатора. Если обдувать радиаторы воздухом от вентилятора (от компьютерных блоков питания), то размеры радиатора можно уменьшить.