Приставки автоматы к зарядным устройством. Электронный сигнализатор зарядки аккумуляторной батареи. А теперь проверяем работу

Эта приставка, схема которой изображена на рисунке, выполнена на мощном составном транзисторе и предназначена для зарядки автомобильной аккумуляторной батареи напряжением 12 В переменным асимметричным током. При этом обеспечивается автоматическая тренировка батареи, что уменьшает склонность ее к сульфатации и продляет срок службы. Приставка может работать совместно практически с любым двуполупериодным импульсным зарядным устройством, обеспечивающим необходимый ток зарядки, например, с промышленным Рассвет-2.

При соединении выхода приставки с батареей (зарядное устройство не подключено), когда конденсатор С1 еще разряжен, начинает течь начальный зарядный ток конденсатора через резистор R1, эмиттерный переход транзистора VT1 и резистор R2. Транзистор VT1 открывается, и через него протекает значительный разрядный ток батареи, быстро заряжающий конденсатор С1. С увеличением напряжения на конденсаторе ток разрядки батареи уменьшается практически до нуля.

После подключения зарядного устройства к входу приставки появляется зарядный ток батареи, а также небольшой ток через резистор R1 и диод VD1. При этом транзистор VT1 закрыт, поскольку падения напряжения на открытом диоде VD1 недостаточно для открывания транзистора. Диод VD3 также закрыт, так как к нему через диод VD2 приложено обратное напряжение заряженного конденсатора С1.

В начале полупериода выходное напряжение зарядного устройства складывается с напряжением на конденсаторе, и зарядка батареи происходит через диод VD2, что приводит к возврату энергии, накопленной конденсатором, в батарею. Далее конденсатор полностью разряжается и открывается диод VD3, через который теперь продолжается зарядка батареи. Снижение выходного напряжения зарядного устройства в конце полупериода до уровня ЭДС батареи и ниже приводит к смене полярности напряжения на диоде VD3, его закрыванию и прекращению зарядного тока.

При этом вновь открывается транзистор VT1 и происходит новый импульс разрядки батареи и зарядки конденсатора. С началом нового полупериода выходного напряжения зарядного устройства начинается очередной цикл зарядки батареи.

Амплитуда и длительность разрядного импульса батареи зависят от номиналов резистора R2 и конденсатора С1. Они выбраны в соответствии с рекомендациями, данными в [Л].

Транзистор и диоды размещают на отдельных теплоотводах площадью не менее 120 см 2 каждый. В приставке применен конденсатор К50-15 на максимально допустимую рабочую температуру +125 °С; его можно заменить конденсаторами больших размеров на номинальное напряжение не менее 160 В, например, К50-22, К50-27 или К50-7 (емкостью 500 мкФ). Резистор R1 -МЛТ-0,5, a R2 - С5-15 или изготовленный самостоятельно.

Кроме указанного на схеме транзистора КТ827 А, можно использовать КТ827Б, КТ827В. В приставке могут быть применены транзисторы КТ825Г - КТ825Е и диоды КД206А, но при этом полярность включения диодов, конденсатора, а также входных и выходных зажимов приставки нужно изменить на противоположную.

Например для для автомобильных аккумуляторов, можно значительно усовершенствовать если дополнить этой приставкой - автоматом, включающим его при понижении напряжения на аккумуляторной батарее до минимума и отключающим после зарядки. Особенно это актуально при долгосрочном хранении аккумулятора без работы - для предотвращения саморазряда. Схема приставки на рисунке ниже.

Максимальным напряжением для автомобильных аккумуляторов в пределах 14,2...14,5 В. Минимально допустимое при разряде - 10,8 В. После подключения батареи и включения сети нажимают кнопку SB1 "Пуск". Транзисторы VT1 и VT2 закрываются, открывая ключ VT3, VT4, включающий реле К1. Оно своими нормально замкнутыми контактами К1.2 отключает реле К2, нормально замкнутые контакты которого (К2.1), замыкаясь, подключают зарядное устройство к сети. Такая сложная схема коммутаций используется по двум причинам: во-первых, обеспечивается развязка высоковольтной цепи от низковольтной; во-вторых, чтобы реле К2 включалось при максимальном напряжении АБ и отключалось при минимальном, т.к. примененное реле РЭС22 имеет Напряжение включения 12 В.

Контакты К1.1 реле К1 переключаются в нижнее по схема положение. В процессе зарядки АБ напряжение на резисторах R1 и R2 возрастает, и при достижении на базе VT1 отпирающего напряжения, транзисторы VT1 и VT2 открываются, закрывая ключ VT3, VT4. Реле К1 отключается, включая К2. Нормально замкнутые контакты К2.1 размыкаются и обесточивают зарядное устройство. Контакты К1.1 переходят в верхнее по схеме положение. Теперь напряжение на базе составного транзистора VT1, VT2 определяется падением напряжения на резисторах R1 и R2. По мере разряда АБ напряжение на базе VT1 снижается, и в какой-то момент VT1, VT2 закрываются, открывая ключ VT3, VT4. Снова начинается цикл зарядки. Конденсатор С1 служит для устранения помех от дребезга контактов К1.1 в момент переключения.

Регулировку устройства проводят без аккумулятора и зарядного устройства. Необходим регулируемый источник постоянного напряжения с пределами регулировки 10...20 В. Его подключают к выводам схемы вместо GB1. Движок резистора R1 переводят в верхнее положение, а движок R5 - в нижнее. Напряжение источника устанавливают равным минимальному напряжению батареи (11,5...12 В). Перемещением движка R5 добиваются включения реле К1 и светодиода VD7. Затем, поднимая напряжение источника до 14,2...14,5 В, перемещением движка R1 достигают отключения К1 и светодиода. Изменяя напряжение источника в обе стороны, убеждаются, что включение устройства происходит при напряжении 11,5...12 В, а отключение - при 14,2...14,5 В. На фото показано самодельное зарядное устройство для автоаккумуляторов, со встроенной приставкой.

Эта конструкция подключается как приставка к зарядному устройству, разнообразных схем которых в интернете уже описано немало. Она выводит на жидкокристаллический дисплей значение входного напряжения, величину тока зарядки аккумулятора, время зарядки и ёмкость зарядного тока(которая может быть или в Ампер-часах или в миллиампер-часах - зависит только от прошивки контроллера и применённого шунта). (См. Рис.1 и Рис.2 )

Рис.1

Рис.2

Выходное напряжение зарядного устройства не должно быть менее 7 вольт, иначе для данной приставки потребуется отдельный источник питания.

Основу устройства составляет микроконтроллер PIC16F676 и жидкокристаллический 2-строчный индикатор SC 1602 ASLB-XH-HS-G.

Максимальная зарядная ёмкость составляет 5500 ма/ч и 95,0 А/ч соответственно.

Принципиальная схема приведена на Рис 3.

Рис.3. Принципиальная схема приставки для измерения ёмкости зарядки

Подключение к зарядному устройству - на Рис 4 .

Рис.4 Схема подключения приставки к зарядному устройству

При включении микроконтроллер сначала запрашивает требуемую ёмкость зарядки.
Устанавливается кнопкой SB1. Сброс - кнопкой SB2.
На выводе 2 (RA5)устанавливается высокий уровень, который включает реле P1, которое в свою очередь включает зарядное устройство (Рис.5 ).
Если кнопку не нажимать более 5 секунд - контроллер автоматически переходит в режим измерений.

Алгоритм подсчёта ёмкости в данной приставке следующий:
1 раз в секунду микроконтроллер измеряет напряжение на входе приставки и ток, и если величина тока больше единицы младшего разряда - увеличивает счётчик секунд на 1. Таким образом часы показывают только время зарядки.

Далее микроконтроллер высчитывает средний ток за минуту. Для этого показания зарядного тока делятся на 60. Целое число записываются в счётчик, а остаток от деления потом прибавляется к следующему измеренному значению тока,и уже потом эта сумма делится на 60. Сделав, таким образом, 60 измерений за 1 минуту в счётчике будет число среднего значения тока за минуту.
При переходе показаний секунд через ноль среднее значение тока в свою очередь делится на 60(по такому же алгоритму). Таким образом счётчик ёмкости увеличивается 1 раз в минуту на величину одна шестидесятая от величины среднего тока за минуту. После этого счётчик среднего значения тока обнуляется и подсчёт начинается сначала. Каждый раз, после подсчёта ёмкости зарядки, производится сравнение измеренной ёмкости и заданной, и при их равенстве на дисплей выдаётся сообщение - "Зарядка завершена", а во второй строке - значение этой ёмкости зарядки и напряжение. На выводе 2 микроконтроллера (RA5) появляется низкий уровень, что приводит к отключению реле. Зарядное устройство отключится от сети.

Рис.5

Наладка устройства сводится только к установке правильных показаний зарядного тока (R1 R5) и входного напряжения (R4) с помощью эталонного амперметра и вольтметра.

Теперь о шунтах.
Для зарядного устройства на ток до 1000 мА можно использовать блок питания на 15 в, в качестве шунта резистор на 0.5-10 Ом мощностью 5Вт (меньшее значение сопротивления будет вносить меньшую погрешность в измерение, но затруднит точную настройку тока при калибровки прибора), и последовательно с заряжаемым аккумулятором переменное сопротивление на 20-100 Ом, которым и будет выставляться величина зарядного тока.
Для зарядного тока до 10А потребуется изготовить шунт из высокоомной проволоки подходящего сечения на сопротивление 0,1 Ом. Проведённые испытания показали, что даже при сигнале с токового шунта равным 0,1 вольт настроечными резисторами R1 и R3 можно легко установить показания тока в 10 А.

Печатная плата для данного устройства разрабатывалась под индикатор WH1602D. Но можно использовать любой подходящий индикатор, сотвественно перепаяв провода. Плата собрана таких же размеров как и жидкокристаллический индикатор и закреплена сзади. Микроконтроллер устанавливается на панельку и позволяет быстро поменять прошивку для перехода на другой ток зарядного устройства.

Перед первым включением подстроечные резисторы установить в среднее положение.

В качестве шунта для варианта прошивки на малые токи можно применить 2 параллельно соединенных резистора млт-2 1 Ом.

В приставке можно применить индикатор WH1602D , но придется поменять местами выводы 1 и 2. А вообще- лучше свериться с документацией на индикатор.

Индикаторы фирмы МЭЛТ не будут работать, из-за несовместимости работы по 4-х битному интерфейсу.

При желании, можно подключить подсветку индикатора через токоограничительный резистор 100 Ом

Эту приставку можно использовать для определения емкости заряженного аккумулятора.

Рис.6. Определение емкости заряженного аккумулятора

В качестве нагрузки можно использовать любую нагрузку (Лампочку, резистор...), только при включении нужно выставить любую заведомо большую емкость аккумулятора и при этом следить за напряжением аккумулятора, чтобы не допускать глубокой разрядки.

(От автора) Приставка испытывалась с современным импульсным зарядным устройством для автомобильных аккумуляторов,
Данные устройства обеспечивают стабильное напряжение и ток с минимальными пульсациями.
При подсоединении же приставки к старому зарядному устройству (понижающий трансформатор и диодный выпрямитель) мне не удалось настроить показания зарядного тока из-за больших пульсаций.
Поэтому было решено изменить алгоритм измерения зарядного тока контроллером.
В новой редакции контроллер делает 255 измерений тока за 25 милисекунд (при 50Гц - период составляет 20 милисекунд). И из сделанных измерений выбирает самое большое значение.
Также происходит измерение входного напряжения, но выбирается наименьшее значение.
(При нулевом зарядном токе напряжение должно быть равно ЭДС аккумулятора.)
Однако при такой схеме перед стабилизатором 7805 необходимо поставить диод и сглаживающий конденсатор (>200 мкФ)на напряжение не менее выходного напряжения зарядного
устройства. Плохо сглаженное напряжение питания микроконтроллера приводило к сбоям в работе.
Для точной установки показаний приставки рекомендуется использовать многооборотные подстроечные резисторы или ставить дополнительные резисторы последовательно с подстроечными (подобрать экспериментально).
В качестве шунта для приставки на 10 А я пробовал использовать кусок аллюминиевого провода сечением 1,5 мм длиной около 20 см -прекрасно работает.

Данное устройство подключается как приставка к зарядному устройству, разнообразных схем которых в интернете уже описано немало. Оно выводит на жидкокристаллический дисплей значение входного напряжения, величину тока зарядки аккумулятора, время зарядки и емкость зарядного тока(которая может быть или в Ампер-часах или в миллиампер-часах - зависит только от прошивки контроллера и примененного шунта). Выходное напряжение зарядного устройства не должно быть менее 7 вольт, иначе для данной приставки потребуется отдельный источник питания. Основу устройства составляет микроконтроллер PIC16F676 и жидкокристаллический 2-строчный индикатор SC 1602 ASLB-XH-HS-G. Максимальная зарядная емкость составляет 5500 ма/ч и 95,0 А/ч соответственно.

Принципиальная схема приведена на Рис 1.

Подключение к зарядному устройству - на Рис 2.

При включении микроконтроллер сначала запрашивает требуемую емкость зарядки. Устанавливается кнопкой SB1. Сброс - кнопкой SB2.

Если кнопку не нажимать более 5 секунд - контроллер автоматически переходит в режим измерений. На выводе 2 (RA5)устанавливается высокий уровень.

Алгоритм подсчета емкости в данной приставке следующий:

1 раз в секунду микроконтроллер измеряет напряжение на входе приставки и ток, и если величина тока больше единицы младшего разряда - увеличивает счетчик секунд на 1. Таким образом часы показывают только время зарядки.

Далее микроконтроллер высчитывает средний ток за минуту. Для этого показания зарядного?ока делятся на 60. Целое число записываются в счетчик, а остаток от деления потом прибавляется к следующему измеренному значению тока,и уже потом эта сумма делится на 60. Сделав, таким образом, 60 измерений в счетчике будет число среднего значения тока за минуту.

Далее среднее значение тока в свою очередь делится на 60(по такому же алгоритму). Таким образом, счетчик емкости увеличивается 1 раз в минуту на величину одна шестидесятая от величины среднего тока за минуту.

После этого счетчик среднего значения тока обнуляется и подсчет начинается сначала. Каждый раз, после подсчета емкости зарядки, производится сравнение измеренной емкости и заданной, и при их равенстве на дисплей выдается сообщение - "Зарядка завершена", а во второй строке - значение этой емкости зарядки и напряжение. На выводе 2 микроконтроллера (RA5) появляется низкий уровень, что приводит к гашению светодиода. Данный сигнал можно использовать для включения реле, которое, например, отключает зарядное устройство от сети (см Рис 3).

Наладка устройства сводится только к установке правильных показаний зарядного тока (R1 R3)и входного напряжения (R2)с помощью эталонного амперметра и вольтметра. Для точной установки показаний приставки рекомендуется использовать многооборотные подстроечные резисторы или ставить дополнительные резисторы последовательно с подстроечными (подобрать экспериментально).

Теперь о шунтах.

Для зарядного устройства на ток до 1000 мА можно использовать блок питания на 15 в, в качестве шунта резистор на 5-10 Ом мощностью 5Вт, и последовательно с заряжаемым аккумулятором переменное сопротивление на 20-100 Ом, которым и будет выставляться величина зарядного тока.

Для зарядного тока до 10 А (max 25,5 A) потребуется изготовить шунт из высокоомной проволоки подходящего сечения на сопротивление 0,1 Ом. Проведенные испытания показали, что даже при сигнале с токового шунта равным 0,1 вольт настроечными резисторами R1 и R3 можно легко установить показания тока в 10 А. Однако, чем больше сигнал с датчика тока, тем легче настроить правильные показания.

В качестве шунта для приставки на 10 А я пробовал использовать кусок аллюминиевого провода сечением 1,5 мм длиной 30 см -прекрасно работает.

Печатная плата для данного устройства из-за простоты схемы не разрабатывалась, оно собрано на макетной плате таких же размеров как и жидкокристаллический индикатор и закреплен сзади. Микроконтроллер устанавливается на панельку и позволяет быстро поменять прошивку для перехода на другой ток зарядного устройства.

Зарядное устройство-приставка, т.е. зарядное устройство (ЗУ или ЗУ-приставка) не имеющее собственного источника питания.

Источником питания для устройства могут выступать ИИП, БП, трансформаторы, солнечные батареи, ветрогенераторы, аккумуляторы, бортсети транспорта, напряжением от 20 до 60 Вольт постоянного тока или от 18 до 42 Вольт переменного тока. Можно увеличить верхний диапазон, но для этого необходимо будет изменить номиналы комплектующих входного каскада и входное напряжение внутренних стабилизаторов напряжения на +12 и +5 В.

Зарядное устройство может работать в нескольких режимах:

1. Заряжать/разряжать любые аккумуляторы, по выбранному, пользователем, алгоритму, токами и напряжениями, на каждом из этапов алгоритма, в диапазоне 0-40В и 0-50А. Разрядник до 18А, а при наличии внешней активной нагрузки, устанавливаемой вместо предохранителя F3 и замене номиналов токовых резисторов с 0.33 Ома на 0.15 Ома 10Вт, то до 40А.
2. Выступать в роли лабораторного БП или программируемого источника питания, в диапазоне 0-40В и 0-50А.
3. МРРТ-контроллер - заряд АКБ, когда источником является солнечные батареи или ветрогенератор (поддержано железом, но пока не реализовано в ПО)
4. В холостую, быть включенным, но не выдавая на выход не чего - гальванически отключенная нагрузка и выключенный силовой преобразователь.

Алгоритмы заряда аккумуляторов:

1. IUoU - поэтапная стабилизация, сначала тока ("I" - стабилизация тока) - этап основного заряда, до достижения, на клеммах АКБ, напряжения следующего этапа стабилизации по напряжению ("U" - стабилизация напряжения) - этап заряда при стабилизированном напряжении, стабилизация по напряжению удерживается до значения минимального зарядного тока ("о" - тока отключения), после отключения ЗУ, ожидается падение напряжения на клеммах АКБ до значения напряжения следующего этапа стабилизации напряжения ("U" - стабилизация напряжения) - этап хранения, удерживая значение напряжения на клеммах АКБ бесконечно долго, пока АКБ подключен к ЗУ. Если, на любом из этапов алгоритма, произойдёт отключение источника питания, то при возобновлении питания, ЗУ возобновит работу заданного алгоритма, с этапа, который был до выключения. Все программируемые значения токов, напряжений, алгоритма и его этапов хранятся в энергонезависимой памяти EEPROM.
2. IUIoU - поэтапная стабилизация, сначала тока ("I" - стабилизация тока) - этап основного заряда, до достижения, на клеммах АКБ, напряжения следующего этапа стабилизации по напряжению ("U" - стабилизация напряжения) - этап заряда при стабилизированном напряжении, стабилизация по напряжению удерживается до значения зарядного тока следующего этапа стабилизации тока ("I" - стабилизация тока) - этап так называемой "добивки" и продолжается до тех пор пока напряжение на клеммах АКБ не достигнет значения ограничения напряжения или напряжение не будет расти в течении 2 часов, после чего происходит отключение АКБ от ЗУ ("о" - отключение), после отключения, ожидается падение напряжения на клеммах АКБ до значения напряжения следующего этапа стабилизации напряжения ("U" - стабилизация напряжения) - этап хранения, удерживая значение напряжения на клеммах АКБ бесконечно долго, пока АКБ подключен к ЗУ. Если, на любом из этапов алгоритма, произойдёт отключение источника питания, то при возобновлении питания, ЗУ возобновит работу заданного алгоритма, с этапа, который был до выключения. Все программируемые значения токов, напряжений, алгоритма и его этапов хранятся в энергонезависимой памяти EEPROM.
3. IUo - тоже, что и в пункте 1, но без этапа хранения - АКБ отключается в конце заряда
4. IUIo - тоже, что и в пункте 2, но без этапа хранения - АКБ отключается в конце заряда
5. "Качели" - заряд с ограничением тока и напряжения, т.е. заряд заданным током, до заданного напряжения, с последующим отключением и ожиданием до заданного напряжения падения, далее по кругу (циклу), пока зарядный ток не упадет до заданного тока отключения.
6. "Ассиметричный" - чередование, заряда заданным током, до заданного напряжения и разрядом заданным током, в соотношении времени заряд/разряд.
7. Разряд заданным током, до заданного напряжения, при достижении которого напряжение стабилизируется, а ток уменьшается, до тех пор пока ток не упадёт до заданного значения.
8. Комбинации алгоритмов - КТЦ (разряд заряженного АКБ + последующий заряд по алгоритму IUIo), три КТЦ подряд.

Схема подключения микроконтроллера:

Схема усиленного блока разряда (с увеличенным макс. током разряда):

Фото устройства:

Принцип работы устройства:

При включении устройства все ЦАП устанавливаются в нулевое значение, блокируются ШИМ-контроллер и драйвер полумоста, производится проверка, программно, нет ли не завершенных процессов, если есть включается их продолжение, если нет остаётся выключенным, программа (ПО) выходит в основное меню. Из основного меню пользователь задаёт значения напряжений и токов, для каждого из этапов, выбранного алгоритма работы с АКБ или указывает ток и напряжение для режима лабораторного БП. А так-же, из основного меню, пользователь может установить настройку даты и времени, откалибровать датчик тока и проверить работоспособность EEPROM.

Во время процессов работы МК задаёт, соответствующим ЦАП-ам, уровни напряжения, которые подаются на соответствующие ОУ-ошибки ШИМ-контроллера TL494 или ОУ разрядника. ОУ ошибки сравнивает уровни ЦАП-ов с уровнями поступающие с выходного каскада, выставляя соответствующую скважность ШИМ. Сигнал ШИМ поступает на драйвер полумоста IR2184 и поочерёдно включает/выключает ключи полумоста, с заданным мертвым временем. Тем самым обеспечивая работу синхронного понижающего DC-DC преобразователя (Чоппер). МК измеряет, при помощи АЦП, выходное напряжение, ток, напряжение источника, напряжение нагрузки, сравнивая с заданными значениями, пользователем, напряжений и тока, корректируя уровни заданных ЦАП-ов. МК отображает всю полученную информацию на дисплее, "в реальном времени". Пользователь во время процесса может корректировать значения заданных напряжений и тока. При возникновении не штатных ситуаций, МК отключает преобразователь, АКБ от ЗУ гальванически и информирует пользователя о, обрыве цепи АКБ, превышении значений напряжения или тока.

Пользователь самостоятельно может обновлять прошивку с компьютера по USB, при помощи программы AVRProg и бутлоадера в МК.

Схемы и прошивка (ПО) распространяются бесплатно только для индивидуального повтора, коммерческое использование запрещено.

Исходный код ПО (прошивки) не распространяется и является интеллектуальной собственностью Автора.

С Уважением Торопов Роман Юрьевич, г. Пермь.

Список радиоэлементов