Aleksandr1976

27 декабря, 2015

какойто валялся в подвале могу сфоткать

23 декабря, 2015

Всем доброго вечера.

Вчера знакомый попросил сделать полностью автоматическое зарядное устройство для автомобильных акумуляторов,немного погугив нашел как мне кажется неплохой вариант автоматического зарядного стройства с контрольно- тренировочным цыклом в 4-м номере журнала Радио за 2015 год автора А.Савченко.

Ниже привожу текст статьи ,но хотел бы увеличить емкость заряжаемых батарей до 240 АH. Реально ли сделать на этой схеме , а также имеется ли возможность вывода на принтер информаци о батарее с микроконтроллера.

СТАТЬЯ

Тема зарядных устройств для аккумуляторных батарей весьма популярна у радиолюбителей. Описания таких устройств различного уровня сложности неоднократно публиковались. Сегодня мы предлагаем описание ещё одного варианта, способного заряжать свинцово-кислотные, а также никель-кадмиевые и литий-ионные батареи, а при необходимости использовать в качестве источника питания с регулируемым выходным напряжением.

Будучи не только радио-, но и автолюбителем, я решил обзавестись зарядным устройством, способным заряжать аккумуляторные батареи, предназначенные как для автомобилей, так и для других устройств. При этом требовалось, чтобы оно не просто "гнало ток" через батарею, но и использовало при этом современные алгоритмы зарядки и обладало разнообразными вспомогательными функциями. Например, позволяло производить зарядку не только исправных частично разряженных батарей, но и тех, которые в той или иной степени страдают часто встречающимся недугом свинцово-кислотных аккумуляторов - сульфатацией пластин, не теряло информацию о ходе зарядки при аварийном отключении напряжения в питающей сети и было способно продолжать её после восстановления напряжения. И конечно, чтобы было способно выполнять свои функции без регулярного контроля за процессом зарядки со стороны оператора. Одним словом, требовалось зарядное устройство, работающее по принципу"включил и забыл".

Однако найти готовую схему зарядного устройства, удовлетворяющего всем предъявленным к нему требованиям, не удалось. Поэтому оно создавалось "с нуля". То, что получилось в результате, предлагается вниманию читателей.

Основные технические характеристики

1. Зарядка свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

Номинальное напряжение, В................... 12

Ёмкость заряжаемой батареи, А·ч..................35...120

Номинальный зарядный ток.....0,1·С, но не более 7 А

Режимы зарядки:

нормальный;

асимметричный ток 1

асимметричный ток 2

контрольно-тренировочный цикл

Автоматическая предварительная оценка состояния батареи .................есть

Автоматический выбор оптимального режима зарядки .......................есть

2. Зарядка никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Номинальное напряжение, В 12

Ёмкость заряжаемой батареи, А·ч .....................1...3

Номинальный зарядный ток .....1,5·С

Режимы работы:

зарядка с полной предварительной разрядкой батареи

разрядка батареи для последующего хранения

Подсчёт ёмкости разряжаемой аккумуляторной батареи .......................есть

3. Зарядка литий-ионных аккумуляторных батарей

Номинальное напряжение, В .....10,8

Ёмкость заряжаемой батареи, А·ч .....................1...3

Номинальный зарядный ток.......1·С

4. Работа в качестве источника питания

Напряжение, В ................5...14

Шаг регулирования напряжения, В .....................0,5

Ток нагрузки, А

минимальный ..............0,1

максимальный ............... 7

Защита от перегрузки по току ........................есть

Примечание. C - значение тока в амперах, численно равное номинальной ёмкости батареи в ампер-часах.

Во всех случаях в автоматически определяемый момент полной заряженности батареи зарядный ток выключается. Если процесс зарядки прерван в связи с прекращением подачи электроэнергии питающей сети, то с возобновлением её подачи он автоматически возобновляется и продолжается с точки прерывания. Предусмотрен контроль температуры заряжаемых батарей. При зарядке свинцово-кислотной батареи учитывается её температурный коэффициент напряжения.

Зарядное устройство состоит из трёх основных блоков: источника питания (А1), устройства управления и индикации (А2), эквивалента нагрузки (А3). Блок А1 вырабатывает напряжение 5...16 В при токе нагрузки до 7 А и вспомогательные напряжения для питания блока А2. Блок А3 позволяет в необходимых случаях разряжать батарею током до 6 А в продолжительном режиме или до 10 А в кратковременном (не более 10 с) режиме.

Блок А2 обеспечивает выполнение требуемых алгоритмов работы устройства и в соответствии с ними управляет работой остальных узлов устройства, а также отображает необходимую информацию на экране ЖКИ.

К блоку А1 подключён датчик температуры DS18B20 для измерения температуры аккумуляторной батареи, а в блок A2 конструктивно входит токоизмерительный резистор (шунт), предназначенный для измерения тока нагрузки блока A1.

В связи с тем что при работе зарядного устройства выделяется много тепла (в частности, в блоке А3 продолжительное время рассеивается мощность более 70 Вт), в нём имеется принудительное охлаждение с помощью двух вентиляторов. При этом первый вентилятор, работающий на нагнетание, включается при запуске блока А1 и обдувает его элементы. Оба вентилятора (второй - вытяжной) работают и в тех случаях, когда ток эквивалента нагрузки в блоке А3 превышает 4 А. Совместная работа нагнетательного и вытяжного вентиляторов обеспечивает интенсивный воздухообмен внутри корпуса зарядного устройства и максимально эффективный отвод тепла.

Блок А1 собран по схеме, изображённой на рис. 1. Здесь имеются два источника питания - основной и вспомогательный.

Рис. 1. Схема блока А1

Основной источник вырабатывает зарядное напряжение. Чтобы уменьшить массу и габариты устройства, он выполнен по схеме импульсного полумостового преобразователя на базе микросхемы TL594ID (A1.DA3) - усовершенствованной версии широко известной микросхемы TL494 - и драйвера полумоста IRS2101S (A1.DA1), управляющего выходными полевыми транзисторами IRF740 (A1.VT1 и A1.VT2). Работа подобных преобразователей многократно освещалась в литературе и в Интернете, поэтому подробно остановимся лишь на организации регулировки его выходных параметров.

Исходя из задач, решаемых зарядным устройством, выходное напряжение источника питания должно регулироваться в пределах 5...16 В с точностью не хуже ±0,1 В. Регулировка должна выполняться по сигналам микроконтроллера, находящегося в блоке A2. Должна быть предусмотрена гальваническая развязка между низковольтными и находящимися под потенциалом питающей сети частями устройства.

В микросхеме TL594ID имеются несколько узлов, которые могут быть использованы для регулирования, компаратор "мёртвого времени" (его вход DTC - вывод 4 микросхемы) и два усилителя сигналов рассогласования (их дифференциальные входы - соответственно выводы 1, 2 и 15, 16 микросхемы).

Изменением напряжения на входе DTC в пределах 0...3 В можно плавно регулировать скважность выходных импульсов, открывающих транзисторы A1 .VT1 и A1 .VT2, а следовательно, и напряжение на выходе преобразователя. Это сразу наводит на мысль решить задачу управления выходным напряжением, подавая на этот вход напряжение с "движка" цифрового переменного резистора" (ЦПР).

Однако на практике такой путь даёт неприемлемые результаты. Причина тому - слишком крутая зависимость между напряжением на входе DTC и зарядным током аккумуляторной батареи при малой разности между выходным напряжением источника зарядного тока и ЭДС батареи. Ошибка всего на несколько десятых долей вольта приводит либо к недозарядке батареи на 15...20%, либо к её перезарядке, которая может вызвать перегрев батареи и другие неприятные последствия.

На последнем этапе зарядки для установки зарядного тока описанным методом с требуемой точностью нужен ЦПР с числом шагов более 512. Поиски таких ЦПР успехом не увенчались, ЦПР на 256 шагов работали с многочисленными сбоями. а применение распространённых 64-шаговых не позволило добиться нужной точности регулировки.

Пришлось рассмотреть возможность использования другого элемента регулирования, имеющегося в микросхеме TL594ID усилителя сигнала рассогласования. Манипулируя сигналами на входе такого усилителя, можно либо разрешить работу источника питания, либо запретить её. Чтобы использовать этот усилитель для организации плавной регулировки напряжения, достаточно подать на один из его входов, в данном случае IN+, от внешнего источника, например микроконтроллера, импульсный сигнал программируемой скважности, а на второй (IN-) - постоянное напряжение, значение которого лежит между низким и высоким уровнями импульсов.

Усилитель станет работать как компаратор, а сигналы на выходах микросхемы TL594ID E1 и E2 станут повторять внешние импульсы, заполненные внутренними высокочастотными импульсами. Изменение скважности внешних импульсов приведёт к изменению среднего числа импульсов, пропускаемых на выходы TL594ID в единицу времени, как показано на рис. 2 для случая использования регулирования усилителя рассогласования № 2 (что и сделано в рассматриваемом блоке). Реализуется метод числоимпульсного управления напряжением источника питания.

Рис. 2. Изменение скважности внешних импульсов

Достоинства этого метода - отсутствие дополнительных элементов (в предыдущем случае требовался ЦПР) и возможность достичь очень мелкого шага регулирования. К примеру, при формировании управляющих импульсов 16-разрядным таймером микроконтроллера может быть получен такой же шаг, как с помощью 65536-шагового ЦПР.

Регулировочные характеристики обоих методов идентичны. Однако при скважности внешнего управляющего сигнала более 8,5...9 при числоимпульсном регулировании начинается область нестабильной работы источника питания. Недопустимо растёт уровень пульсаций выходного напряжения из-за больших пауз между пачками импульсов на выходах микросхемы TL594ID, алгоритм стабилизации перестаёт работать должным образом.

Поэтому метод числоимпульсного регулирования, несмотря на простоту реализации и высокую точность регулирования, тоже не может самостоятельно использоваться для точного регулирования напряжения. Выход из такой ситуации - использование обоих описанных выше методов, что и реализовано в предлагаемом зарядном устройстве.

На вход DTC микросхемы A1 .DA3 подаётся напряжение с "движка" 64-шагового ЦПР MCP4021-502E/SN (A1 .DA4), с помощью которого выполняется грубая установка напряжения. Микроконтроллер блока A2 управляет ЦПР через изолятор интерфейса ADuM1300ARW (A1 .U2), используя два из трёх каналов последнего.

На неинвертирующий вход 2IN+ усилителя сигнала рассогласования второго канала микросхемы A1.DA3 через третий канал изолятора A1 .U2 поступает управляющий импульсный сигнал, скважность которого изменяется с девятиразрядной точностью (512 возможных состояний). Первоначально она установлена равной 2, что соответствует середине интервала регулирования.

Процесс получения требуемого значения напряжения проиллюстрирован графиком на рис. 3. Он состоит из двух этапов: установки и коррекции. На этапе установки напряжение на выходе источника питания увеличивается путём перемещения "движка" ЦПР, пока оно не превысит заданный уровень. Затем начинается этап коррекции, в ходе которого микроконтроллер, изменяя в небольших пределах скважность импульсов на входе 2IN+, приводит напряжение к требуемому значению.

Рис. 3. График процесса получения требуемого значения напряжения

Типовое значение точности установки напряжения при токе нагрузки 0,3 А - ±0,02...0,04 В, что более чем достаточно. Для выключения основного источника питания достаточно подать на вход 2IN+ микросхемы A1.DA3 вместо импульсного управляющего сигнала постоянный логически высокий уровень напряжения.

Вспомогательный источник питания малой мощности (1,5 Вт) состоит из понижающего трансформатора A1.T1, диодного моста A1 .VD2-A1 .VD5, конденсаторов A1.C1, A1.C3 и интегрального стабилизатора напряжения A1.DA2. Он предназначен для выработки нестабилизированного напряжения +8...11 В и стабилизированного +5 В, изолированных от находящейся под сетевым напряжением части основного источника питания. Напряжение +5 В используется для питания изолированной части изолятора интерфейса A1.U2 и преобразователя постоянного напряжения в постоянное A1.U1, который формирует изолированное от вспомогательного источника напряжение питания + 12 В для микросхем A1.DA1 и A1 .DA3. Кроме того, выходные напряжения этого источника питают элементы блока A2.

Чертёж печатных проводников платы A1 представлен на рис. 4, а расположение деталей на ней - на рис. 5. Диоды A1.VD8-A1.VD11 снабжены индивидуальными ребристыми теплоотводами, имеющими площадь теплоотводящей поверхности около 40 см² каждый. Транзисторы A1.VT1, A1 .VT2 установлены на общем ребристом теплоотводе с площадью теплоотводящей поверхности 130 см². Плата закреплена в корпусе зарядного устройства так, что находящиеся на ней теплоотводы обдувает вентилятор, нагнетающий воздух в корпус.

Рис. 4. Чертёж печатных проводников платы A1

Рис. 5. Расположение деталей платы A1

A1 .RKI-терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и максимальным током 3 А. Конденсаторы A1 .C7- A1 .C9 - плёночные.

Трансформатор A1.T1 - BVEI 322 2020 мощностью 1,5 ВА и с напряжением вторичной обмотки 6 В (под нагрузкой 250 мА). Трансформатор А1.Т2 - силовой мощностью 230 Вт от блока питания АТХ PM-230 фирмы MaxUs. У него удалены семь витков обмотки I (первичной). Для такой переделки трансформатор не требуется разбирать, достаточно снять слой изолирующей ленты, которой покрыта катушка трансформатора, и отмотать семь витков наружного слоя обмотки, после чего восстановить изоляцию.

Блок A2 реализует все необходимые алгоритмы работы зарядного устройства во всех его режимах, формирует сигналы управления работой остальных частей устройства и отображает на индикаторе информацию о ходе исполняемого алгоритма.

Схема блока изображена на рис. 6. Его ядро - микроконтроллер ATxmega256A3U-AU (A2.DD1). На первый взгляд применение здесь столь высокопроизводительного микроконтроллера экономически не оправдано - управление зарядкой аккумуляторной батареи не использует больших вычислительных ресурсов. Программы, реализующие рабочие алгоритмы зарядного устройства, не требуют высокой скорости работы процессора и больших объёмов памяти программ и данных. В принципе, они могут быть реализованы на микроконтроллерах семейства ATmega, имеющих 14...18 Кбайт памяти программ, встроенные модули часов реального времени и как минимум 40-выводный корпус. Последнее диктуется необходимостью иметь достаточно большое число линий ввода- вывода для связи с периферией.

Рис. 6. Схема блока А2

Этим требованиям вполне соответствует микроконтроллер ATmega32, который на 15...25 % дешевле, чем ATxmega256A3U. Однако для управления эквивалентом нагрузки нужен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). В микроконтроллерах семейства ATxmegaA3 встроенный ЦАП есть, а с ATmega32 придётся использовать отдельную микросхему. Поэтому по сравнению с комплектом из ATmega32 и внешнего ЦАП применение ATxmega 256A3U следует признать выгодным и экономически, и технологически - значительно проще разместить на печатной плате одну микросхему, чем две.

Микроконтроллер A2.DD1 тактируется от встроенного RC-генератора на частоте 32 МГц, а его система реального времени - от встроенного микро-мощного генератора, работающего на частоте 32768 Гц. Часы реального времени требуются для учёта количества электричества полученного или отданного аккумуляторной батареей в режимах зарядки и разрядки.

Для отображения информации о работе зарядного устройства в блоке A2 установлен графический ЖКИ WO240128A-TFH (A2.HG1). Значительные ресурсы применённого микроконтроллера позволяют отображать на этом ЖКИ информацию тремя различными по размеру шрифтами с учётом её важности, выводить большое число информационных сообщений, одним словом, делают работу пользователя максимально комфортной.

Основную долю потребляемой блоком A2 энергии (более 90 %) расходует подсветка индикатора. Ввиду этого реализовано программное управление подсветкой с помощью ключа на транзисторе A2.VT1. Чтобы уменьшить потребление, подсветка в необходимых случаях может быть отключена, а для привлечения внимания оператора переведена в мигающий режим.

Управляют работой зарядного устройства с помощью четырёх кнопок: A2.SB1 "Отмена", A2.SB2 "-", A2.SB3 "+", A2.SB4 "ОК". Они подключены к линиям PD0-PD3 микроконтроллера.

Для измерения напряжения основного источника питания, а также подключённой к зарядному устройству аккумуляторной батареи использован нулевой канал АЦП порта А микроконтроллера (его вход - линия РАО). Измеряемое напряжение +U поступает с разъёма A3.XP1 и через делитель A2.R5, A2.R6 подаётся на вход АЦП. Значение зарядного тока, а в режиме источника питания - тока его нагрузки микроконтроллер определяет замером первым каналом АЦП порта А микроконтроллера (вход - линия РА2) падения напряжения на находящемся в блоке A3 резистивном датчике тока.

Микроконтроллер управляет основным источником питания, формируя и передавая в блок A1 сигналы управления перемещения движка ЦПР и коррекции напряжения/выключения источника. Управление вентиляторами происходит по линиям РВ6 и РС1 микроконтроллера. Электронные ключи, управляющие подачей питания на вентиляторы, находятся в блоке А3.

Линия РСО использована как информационная интерфейса 1-Wire, по которому микроконтроллер связан с датчиком температуры BK1.

Питаются микроконтроллер и индикатор (кроме цепи его подсветки, которую питают напряжением 5 В) напряжением 3,3 В, формируемым интегральным стабилизатором напряжения L78L33ABUTR (A2.DA1). На вход стабилизатора поступает через диод A2.VD1 напряжение +U с выхода основного источника либо в его отсутствие - через диод A2.VD2 напряжение +8 В от вспомогательного источника. Это обеспечивает работоспособность блока A2 при выключенном программно основном источнике питания и не подключённой к зарядному устройству аккумуляторной батарее.

Если батарея подключена, то при пропадании сетевого напряжения в цепи +U сохраняется напряжение, поступающее от батареи, и работоспособность блока A2 не нарушается. Гаснет лишь подсветка индикатора, а в правом верхнем углу экрана выводится мигающая надпись "!СЕТЬ!". В таком состоянии зарядное устройство потребляет от присоединённой к нему аккумуляторной батареи ток всего 5 мА. Микроконтроллер запоминает состояние алгоритма зарядки на момент отключения сетевого напряжения, а с его включением возобновляет зарядку с учётом уже выполненной её части.

Программа микроконтроллера следит за наличием напряжения в сети, анализируя логический уровень напряжения на входе PC5 микроконтроллера. Если напряжение в сети есть, уровень поступающего на этот вход напряжения с делителя A2.R4, A2.R3 высокий, а если нет, - низкий.

Чертёж печатной платы блока A2 представлен на рис. 7, а расположение элементов на ней - на рис. 8. Индикатор A2.HG1 приклеивают к свободной от печатных проводников стороне платы, как показано на рис. 8. При этом выводы индикатора должны оказаться напротив предназначенных для них контактных площадок, находящихся на стороне печатных проводников. Гибкие выводы 1-23 изгибают и припаивают к соответствующим площадкам. Жёсткие выводы A и K припаивают, не изгибая. Кнопки A2.SB1-A2.SB4 - тактовые DTS-644.

Рис. 7. Чертёж печатной платы блока A2

Рис. 8. Расположение элементов на печатной плате блока А2

Так как большая часть свободной поверхности платы занята индикатором, пришлось отказаться от установки на ней разъёмов. Вместо них предусмотрены группы контактных площадок, к которым припаивают провода идущих к разъёмам плоских кабелей. Один из этих кабелей идёт к не показанному на схеме разъёму для подключения датчика температуры BK1. Сам датчик располагают в отдельном выносном корпусе, основное требование к которому - надёжный тепловой контакт датчика с заряжаемой аккумуляторной батареей.

Блок A3 содержит эквивалент нагрузки для предварительной разрядки аккумуляторной батареи, а также электронные ключи для управления двумя внутренними вентиляторами зарядного устройства. Схема блока приведена на рис. 9.

Рис. 9. Схема блока А3

Эквивалент нагрузки собран по схеме источника тока управляемого напряжением (ИТУН), описанной в [1]. От оригинала он отличается способом формирования управляющего напряжения, подаваемого на неинвертирующий вход ОУ A3.DA2. В рассматриваемом устройстве его задают программно с помощью встроенного ЦАП микроконтроллера A2.DD1, выходом которого служит линия PВ2.

Из логики работы узла следует, что до тех пор, пока ОУ A3.DA2 работает в линейном режиме, выполняется равенство

I_c· R_{ш =}U_упр

где I_c - ток стока транзистора A3.VT3 (ток разрядки аккумуляторной батареи); R_ш, - общее сопротивление соединённых параллельно резисторов A3.R8- A3.R17, равное 0,1 Ом; U_упр - управляющее напряжение на неинвертирующем входе ОУ A3.DA2. Отсюда следует, что

I_c= 10 · U_упр

ЦАП микроконтроллера формирует управляющее напряжение, лежащее в интервале 0...1 В, следовательно, эквивалент разряжает батарею током 0...10 А.

Определённый недостаток этого решения - даже при нулевом входном коде ЦАП на неинвертирующий вход ОУ поступает небольшое напряжение (5...7 мВ), что вызывает протекание через эквивалент тока 50...70 мА. Следовательно, оставленная подключённой к зарядному устройству аккумуляторная батарея будет до окончания зарядки непрерывно разряжаться этим током.

Для борьбы с этим явлением в качестве A3.DA2 применён ОУ с входом выбора кристалла (CS). Высокий логический уровень напряжения на этом входе переводит выход ОУ в высоко-импедансное состояние, и регулирующий транзистор A3.VT3 гарантированно закрывается нулевым потенциалом, поступающим на его затвор через резистор A3.R5. Управляет уровнем напряжения на входе CS сигнал управления вентилятором 2, который охлаждает теплоотвод транзистора A3.VT3.

Таким образом, для включения эквивалента нагрузки требуется записать в регистр ЦАП микроконтроллера код значения тока нагрузки и включить вентилятор 2. Кроме исключения паразитного тока, это ещё и повышает безопасность - случайный обрыв в цепи подачи сигнала включения вентилятора 2 или сбой его формирования программой автоматически вызовет отключение тока нагрузки.

Чертёж печатной платы блока A3 и расположение элементов на ней изображены на рис. 10. Транзистор A3.VT3 находится на игольчатом теплоотводе размерами 100x100 мм. Площадь его теплоотводящей поверхности около 400 см². Расположен он рядом с платой в потоке воздуха, втягиваемом вентилятором 2. Резисторы A3.R8- A3.R17 - типоразмера 2515 для поверхностного монтажа, остальные - аналогичные типоразмера 1206.

Рис. 10. Чертёж печатной платы блока A3 и расположение элементов на ней

Зарядное устройство собрано в стандартном корпусе Gainta G717. Его общий вид показан на рис. 11. В передней панели корпуса сделаны отверстия для экрана ЖКИ A2.HG1 и толкателей кнопок A2.SB1-A2.SB4. Там же установлены зажимы для подключения аккумуляторной батареи и разъём для выносного датчика температуры этой батареи. Размещение узлов и блоков внутри корпуса видно на рис. 12. Сетевой разъём и держатель плавкой вставки FU1 находятся в центре задней стенки корпуса зарядного устройства. Справа от них (по рис. 12) установлен вентилятор 1, а слева - вентилятор 2. Их тип - EC6010H12B.

Рис. 11. Общий вид зарядного устройства, собраного в стандартном корпусе Gainta G717

Рис. 12. Размещение узлов и блоков внутри корпуса

Включение и налаживание. Собирая блок А1, место для установки терморезистора A1.RK1 на его плате следует оставить свободным. После сборки и проверки монтажа присоедините кабельную розетку A2.XS2 к вилке А1 .XP1. Затем подключите блок A1 к сети и проверьте напряжение на выводе 1 интегрального стабилизатора A1.DA2 (+8...11 В) и на его выводе 3 (+5 В ±10%). Если напряжения в норме, то разъём A2.XP1 подключите к программатору и загрузите коды из приложенного к статье файла Zar_XM EGA- 512.hex в микроконтроллер A2.DD1. Конфигурацию микроконтроллера установите в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Разряды

Сост.

Значение

BODACT[1.0]

11

BOD disabled

BODPD[1:0]

11

BOOTRST

1

Applic. reset

WDPER[3:0]

0000

8 мс при 3,3 В

WDWPER[3:0]

0000

8 мс при 3,3 В

BODLEVEL[2:0]

1111

1,6 В

JTAGUID{7:0]

Любое состояние

SUT[1:0]

11

0 мс

JTAGEN

1

Не запрогр.

DVSDON

1

Не запрогр.

EESAVE

0

Запрогр.

RSTDISBL

1

Не запрогр.

WDLOCK

1

Не запрогр.

После программирования на экране ЖКИ должно появиться меню выбора типа заряжаемой аккумуляторной батареи. Нужный пункт меню выделяют нажатиями на кнопку A2.SB3 "+" или A2.SB2 "-". Нажав на кнопку A2.SB4 "ОК", выбирают выделенный пункт.

Далее проверьте работу основного источника питания. Для этого зарядное устройство отключите от сети, вместо терморезистора A1.RK1 подключите лампу накаливания на 230 В мощностью 40...60 Вт. Нагрузку к выходу источника не подключайте. При включении зарядного устройства в сеть лампа должна вспыхнуть и погаснуть. Постоянное свечение лампы свидетельствует об ошибках монтажа или имеющихся в устройстве неисправных элементах.

Если проверка прошла успешно, то отключите зарядное устройство от сети, установите терморезистор A1.RK1 на своё место, отключив лампу накаливания, и проверьте работу основного источника под нагрузкой.

Для этого к выходным зажимам зарядного устройства подключите, например, автомобильную лампу накаливания на 12 В, 20 Вт. Затем зарядное устройство включите в сеть и переведите в режим источника питания. После выбора этого режима источник должен включиться, и на его выходе появиться начальное напряжение 5 В.

Точная установка выходного напряжения занимает значительное (до 1...2 с) время, что обусловлено наличием в выходной цепи источника конденсаторов большой ёмкости. Пока напряжение не соответствует заданному, его значение выводится на индикатор шрифтом размерами 8x8 пкс (рис. 13,а). Размеры шрифта увеличиваются до 16x16 пкс (рис. 13,б) после того, как программа стабилизации установит заданное значение напряжения с точностью ±0,1 В.

Рис. 13. Размеры шрифта на индикаторе в зависимости соответствия заданного значения напряжения

Нажимая на кнопку A2.SB3 "+" или A2.SB2 "-", проверьте изменение выходного напряжения в пределах от 5 до 14 В. Но если нагрузкой служит автомобильная лампа, поднимать напряжение выше 12,5 В не следует, лампа может сгореть.

Далее проверьте и при необходимости скорректируйте погрешность измерения напряжения с помощью АЦП микроконтроллера. Согласно схеме блока A2 (см. рис. 6), измеряемое напряжение поступает на АЦП через резистивный делитель A2.R5, A2.R6. Коэффициент передачи напряжения этим делителем равен

K_U= A2.R6/(A2.R5 + A2.R6)

поэтому при измерении напряжения U_изм напряжение на входе АЦП будет равно

U_АЦП = U_изм/ K_U

Сопротивление резисторов A2.R5 и A2.R6, как и других, применённых в устройстве, может отклоняться от номинала на ±5 %. Чтобы скомпенсировать это отклонение, программа умножает результат работы АЦП на константу K_u, значение которой задают с учётом фактических значений сопротивления резисторов. В авторском варианте оно равно 19,272.

Для проверки измерьте образцовым вольтметром точное значение выходного напряжения после того, как оно будет установлено системой стабилизации (отображено крупным шрифтом), и сравните его с выведенным на экран ЖКИ. Следует заметить, что выходное напряжение источника постоянно меняется в интервале примерно ±0,05 В, поэтому следует брать его усреднённое значение. Если разница показаний вольтметра и ЖКИ превышает 0,1 В, необходимо изменить соответствующим образом значение константы в строке программы и, повторно транслировав программу, загрузить её новый вариант в микроконтроллер.

Алгоритм зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют весьма существенный температурный коэффициент напряжения. Он равен примерно -4 мВ/^оС на один аккумулятор (элемент аккумуляторной батареи). Для батареи из шести последовательно соединённых аккумуляторов (общее напряжение - около 12 В), этот коэффициент равен -24 мВ/^оС.

Следовательно, напряжение на выводах такой батарея существенно зависит от её температуры - на каждые 10 ^оС температуры напряжение на выводах батареи изменяется на 0,24 В. При охлаждении батареи оно увеличивается, а при нагревании - уменьшается.

Этим объясняется наблюдаемый многими автолюбителями эффект хронической недозарядки аккумуляторной батареи в зимнее время в ходе её эксплуатации наавтомобиле, особенно при непродолжительных поездках. Причина в том, что регулятор напряжения генератора современного автомобиля обычно установлен на корпусе генератора, который быстро нагревается после пускадвигателя, ааккумуляторная батарея располагается вдали от источников тепла и, вдобавок, довольно массивна, поэтому прогревается очень медленно. В результате напряжение генератора оказывается недостаточным для создания требуемого тока зарядки батареи.

Для полноценной зарядки аккумуляторной батареи зарядное устройство (а автоматическое - особенно) должно отслеживать её температуру, так как в процессе зарядки батарея нагревается. В описываемом устройстве температура батареи контролируется на всех этапах зарядки, для чего в нём имеется датчик температуры. По результатам измерения температуры автоматически производится необходимая коррекция режима зарядки. Впрочем, зарядное устройство может работать и без подключения датчика температуры. В этом случае температура батареи считается постоянной и равной 20 ^оС. Качество зарядки в этом случае не гарантируется.

В начале работы программа предлагает подключить аккумуляторную батарею к зажимам зарядного устройства, установить на её корпусе датчик температуры и ввести значение ёмкости батареи, кратное 5 А·ч. После этого измеряется температура батареи. Если она не лежит в интервале -15...+40^оС, то зарядку производить нельзя, программа останавливается.

Если измеренная температура находится в допустимых пределах, то программа анализирует состояние батареи, измерив два её параметра: ЭДС и внутреннее сопротивление. Значение ЭДС батареи свидетельствует о степени её заряженности, как показано в табл. 2 [2]. Внутреннее сопротивление батареи существенно зависит как от степени заряженности, так и от степени сульфатации её пластин. Чем ниже заряженность и чем больше сульфатация, тем больше внутреннее сопротивление.

Таблица 2.

ЭДС, В

Заряженность, %

12,7

100

12,4

75

12,2

50

12,0

25

11,9

0

Если замерить ЭДС батареи несложно, то измерение её внутреннего сопротивления - непростая задача. Дело в том, что оно весьма мало - около 0,007 Ом у исправной полностью заряженной батареи ёмкостью 50...60 А·ч [2]. Закона, по которому изменяется внутреннее сопротивление батареи в зависимости от её состояния, автору обнаружить в литературе не удалось, поэтому пришлось вывести приближённую зависимость самостоятельно.

В [3] отмечено, что при нагрузке автомобильной аккумуляторной батареи стартёрным током напряжение на её выводах не должно падать ниже 9,5 В. Следовательно, предельное значение падения напряжения на внутреннем сопротивлении равно 12,7 - 9,5 = 3,2 В, в противном случае состояние батареи должно быть оценено как неудовлетворительное.

Значение стартёрного тока для батареи ёмкостью 50...60 А·ч лежит в пределах 140...160 А (в среднем 150 А). Исходя из этого, можно считать, что максимально допустимое внутреннее сопротивление такой батареи R_{I max}= 3,2 В/150 А = 0,021 Ом.

Исходя из собственного предположения, что внутреннее сопротивление зависит от состояния аккумуляторной батареи линейно, автор реализовал в программе его оценку по табл. 3. Программа находит разность между ЭДС батареи и напряжением на её зажимах при нагрузке током 10 А и на основании этого рассчитывает значение внутреннего сопротивления.

Таблица 3

Состояние батареи

R_i, Ом

Отличное

<0,007

Хорошее

0,008 ...0,013

Удовлетворительное

0,014...0,02

Неудовлетворительное

>0,02

Следует отметить, что внутреннее сопротивление батареи измеряется прибором весьма приблизительно ввиду малости измеряемых величин и существенного влияния на результат сопротивления подводящих проводов и особенно контактов. Доверять выводам программы о состоянии батареи можно при её ёмкости не более 60 А·ч. У батарей большей ёмкости внутреннее сопротивление ниже, и результаты его измерения уходят за черту достоверности.

Проанализировав степень заряженности и состояние аккумуляторной батареи, программа предлагает зарядить её в оптимальном (по её мнению) режиме. Но это предложение - не догма. Имеется возможность выбрать режим по своему усмотрению.

Всего предусмотрено четыре режима зарядки:

- нормальный;

- асимметричным током 1;

- асимметричным током 2;

- контрольно-тренировочный циклический.

В нормальном режиме на первом этапе батарея заряжается стабильным током 0,1·С. Поскольку по мере зарядки её ЭДС растёт, для поддержания зарядного тока неизменным программа постепенно увеличивает напряжение, подаваемое на выводы батареи. Этот этап продолжается до тех пор, пока зарядное напряжение не увеличится до 14,4 В.

После этого начинается второй этап - зарядка батареи при неизменном, равном 14,4 В, зарядном напряжении. Теперь зарядный ток постепенно падает. Критерий завершения зарядки - уменьшение зарядного тока до 0,01·С либо (как альтернатива) постоянство его значения в течение часа.

Зарядка асимметричным током состоит из таких же этапов. Различие в том, что на первом этапе зарядка чередуется с разрядкой (отсюда название - "асимметричный ток"). Это позволяет устранить сульфатацию пластин аккумуляторов.

Разница между двумя режимами асимметричного тока состоит лишь в том, что доля времени разрядки в общей продолжительности первого этапа различна. Она составляет 25 % в режиме асимметричного тока 1 и 33 % в режиме асимметричного тока 2. Режим асимметричного тока 2 следует использовать при сильной сульфатации пластин аккумулятора.

Контрольно-тренировочная циклическая зарядка-разрядка применяется для восстановления батарей, находящихся в плохом состоянии (частичная потеря ёмкости, существенная сульфатация пластин и, как следствие, высокое внутреннее сопротивление). Зарядить такие батареи в ранее рассмотренных режимах, как правило, невозможно. Суть тренировки состоит в неоднократном повторении циклов "зарядка - полная разрядка" аккумуляторной батареи. Она позволяет частично восстановить её свойства [2].

Батарею заряжают током 0,05·С ввиду того, что зарядка малым током благоприятна для восстановления её свойств. Зарядка производится асимметричным током, только параметры его иные: 5 мин - зарядка, 1 мин - разрядка. Отображение текущей операции на индикаторе такое же, как в режиме асимметричного тока.

После того как зарядное напряжение поднимется до 14,4 В, устройство переключается в режим разрядки батареи до напряжения 11,9 В тем же током (0,05·С). При этом программа фиксирует отданное АКБ количество электричества и по окончании разрядки подсчитывает её ёмкость в выполненном цикле.

Начиная со второго цикла, программа вычисляет прирост ёмкости по сравнению с предыдущим циклом. Если он более 5 %, принимается решение о выполнении следующего цикла. Но если прирост ёмкости менее 5 % (батарея восстанавливается слишком медленно), дальнейшие действия зависят от абсолютного значения достигнутой ёмкости:

- если она более 80 % номинальной, программа считает батарею восстановленной, прекращает контрольнотренировочный цикл и выполняет полную зарядку батареи в режиме асимметричного тока 2;

- если она не превышает 30 % номинальной, программа считает такую батарею неисправной и прекращает работу;

- если она находится в интервале 30...80 % номинальной, программа сообщает, что тренировка малоэффективна и предлагает пользователю принять окончательное решение: либо считать батарею неисправной, либо зарядить её и использовать с достигнутой ёмкостью. В последнем случае окончательная зарядка будет также выполнена в режиме асимметричного тока 2.

Столь сложная логика принятия решения продиктована тем, что тренировка - очень длительный процесс. Одно повторение цикла может длиться более суток. Поэтому в сложных случаях окончательное решение целесообразно принимать человеку.

Алгоритм зарядки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Из многообразия методов зарядки таких батарей выбран скоростной метод [1], обеспечивающий быструю, менее чем за час, зарядку. Алгоритм построен на основе анализа зарядной кривой никель-кадмиевой батареи, показанной на рис. 14. Из неё следует, что по достижении полной заряженности ЭДС батареи (E) начинает уменьшаться, а температура батареи (T) - быстро растёт. В этот момент зарядка должна быть прекращена, в противном случае начнётся "тепловой разгон" батареи, так как она больше не принимает заряд, а энергия зарядного тока полностью превращается в тепло.

Рис. 14. Зарядная кривая никель-кадмиевой батареи

Критическими значениями, свидетельствующими о достижении состояния полной заряженности, принято считать спад ЭДС на 15 мВ на элемент или 0,15 В на батарею напряжением 12 В и скорость роста температуры более 1 ^оС/мин. Но следует учитывать, что в течение первых пяти минут после начала зарядки на кривой зарядки наблюдается ещё один участок спада ЭДС. Он обусловлен особенностью протекания электрохимических процессов в батарее во время её "прогрева" зарядным током.

Весьма неприятная особенность никель-кадмиевых аккумуляторных батарей - наличие у них эффекта памяти. Его суть в том, что батарея "запоминает", какое количество электричества она получила при последней зарядке и при следующей примет его не больше. Чтобы избежать этого, нельзя допускать неполной зарядки батареи, а перед хранением нужно полностью её разряжать.

После старта программа попросит подключить батарею к зарядному устройству и указать её ёмкость с точностью до 0,1 А·ч, после чего предложит выбрать либо зарядку батарея, либо её разрядку.

Режим разрядки позволяет полностью разрядить батарею перед хранением, чтобы избежать в дальнейшем отрицательных последствий, связанных с эффектом памяти. В ходе разрядки программа подсчитает отданное батареей количество электричества и по окончании разрядки выведет результат на ЖКИ. Это даёт возможность оценить состояние батареи.

Работа программы зарядки начинается с измерения ЭДС батареи. У полностью разряженной она равна 10 В. При ЭДС менее 10 В производится инициализация батареи зарядным током 0,3·С в течение минуты. Если батарея была разряжена не полностью, то производится её разрядка. В последнем случае инициализация перед зарядкой не производится.

Далее в течение шести минут зарядный ток нарастает до номинального значения, равного 1,5·С, после чего начинается основной этап зарядки таким током. В его ходе программа ежеминутно контролирует ЭДС аккумуляторной батареи, её температуру, а также количество электричества, принятого батареей. Если в процессе зарядки температура батареи поднимется выше 40 ^оС, то зарядный ток будет снижен до 1·С.

Основные критерии окончания зарядки:

- падение ЭДС на 0,15 В и более за минуту;

- рост температуры батареи на 0,85

^о

С и более за минуту.

Необходимо отметить, что учёт только этих критериев для определения момента окончания зарядки недостаточен. Падение ЭДС невелико и сильно зависит от условий зарядки. При токе зарядки менее 1·С его вообще может не быть. Кроме того, автором отмечено его практическое отсутствие при зарядке батареи, сильно потерявшей ёмкость ввиду неправильной эксплуатации. При подключённом датчике температуры её рост фиксируется надёжно, однако датчик может быть случайно или намеренно отключён.

Поэтому программа использует и дополнительные критерии, не допускающие перезарядки батареи и повышающие безопасность процесса зарядки. Она будет остановлена, если батарее сообщён заряд более 130 % её номинальной ёмкости или если ЭДС батареи превысит 16 В.

Следует иметь в виду, что информация о значениях приращений напряжения (ΔU) и температуры (ΔТ) появляется на ЖКИ через минуту после начала основного этапа зарядки.

Алгоритм зарядки литий-ионных аккумуляторных батарей. Для таких батарей реализована двухэтапная зарядка. Кривая зарядки, иллюстрирующая процесс, приведена на рис. 15. Первый этап - зарядка при фиксированном токе, равном 1·С. В ходе этого этапа ЭДС батареи растёт, поэтому для поддержания зарядного тока неизменным программа постепенно увеличивает зарядное напряжение.

Рис. 15. Кривая зарядки, иллюстрирующая процесс зарядки литий-ионных аккумуляторных батарей

Когда оно достигнет 12,1 В, начинается второй этап - зарядка при фиксированном напряжении. В ходе этого этапа программа поддерживает зарядное напряжение равным 12,1 В, а зарядный ток по мере роста заряженности батареи спадает. Критерий завершения зарядки - уменьшение зарядного тока до 0,1·С.

После старта программа предлагает подключить аккумуляторную батарею к зарядному устройству, запрашивает её ёмкость, после чего измеряет её ЭДС. У нормально разряженной батареи ЭДС равна 9 В. Если ЭДС менее 9 В, проводится предварительная зарядка батареи малым током (0,2·С), пока её ЭДС не вырастет до 9 В.

Затем программа начинает основной этап зарядки при фиксированном токе 1·С. Следует заметить, что литий-ионные батареи очень чувствительны к перезарядке, поэтому контроль параметров (зарядного напряжения и температуры батареи) производится с периодом 20 с.

Если температура батареи превысит 50 ^оС, то зарядка прекращается, так как это может быть только следствием неполадок в зарядном устройстве либо неисправности батареи.

По достижении зарядным напряжением 12,1 В программа переходит к второму этапу - зарядке батареи при фиксированном напряжении. Он продолжается, пока зарядный ток не упадёт ниже 0,1·С. Следует отметить, что второй этап занимает много времени, его длительность может превысить продолжительность первого этапа, в течение которого батарея набирает приблизительно 70 % своей ёмкости, а в течение второго - всего 30 %. Иначе говоря, литий-ионная батарея быстро получает основную часть заряда, но долго доза-ряжается.

Так как литий-ионная батарея не имеет эффекта памяти, то остановить процесс зарядки можно в любое время без вреда для неё. Эта особенность часто используется в промышленных зарядных устройствах для аккумуляторных батарей от электроинструмента. Они выполняют только первый этап зарядки. При этом батарея заряжается хоть и не полностью, но зато быстро - за 40...60 мин.

При использовании описываемого зарядного устройства также вполне допустимо при необходимости остановить зарядку вручную по окончании её первого этапа и использовать батарею по назначению, а дозарядить её позже в любое удобное время.

Последнее замечание. Следует иметь в виду, что использовать предлагаемое зарядное устройство в качестве источника питания целесообразно лишь для электродвигателей, источников света и других потребителей, не требующих высокостабильного напряжения. Так как основная цель этого устройства - зарядка аккумуляторных батарей, то никаких особых мер по повышению качества выходного напряжения в нём не предусмотрено. Если необходимо питать от этого источника электронную аппаратуру, следует применять дополнительную фильтрацию, а в необходимых случаях и стабилизацию его выходного напряжения.

Автор: А. Савченко, пос. Зеленоградский Московской обл.

Платы и прошивка в архиве.

23 декабря, 2015