Ступенчатое зарядно-разрядное устройство

Эксплуатация свинцовых аккумуляторов всегда сопряжена с ростом сульфатации пластин. Поверхностная сульфатация устраняется во время зарядки аккумулятора. Для устранения сульфатации губчатой структуры пластин требуется определённая технология восстановления сульфата свинца в чистый свинец.

Аккумулятор в автомобиле или в стационарной установке со временем приходит в негодность и не в состоянии отдать стартовый ток. Сульфат свинца, создавая высокое внутреннее сопротивление, препятствует выходу тока из внутренних слоёв пластин.

 Увеличение ёмкости аккумулятора, для компенсации потерь, приводит к увеличению веса и габаритов установки. Хороший результат в электрохимическом восстановлении застарелой сульфатации достигается применением циклического зарядно-разрядного метода с падающей характеристикой зарядного тока.

 При адсорбции органических поверхностно-активных веществ на отрицательных пластинах единственно возможным способом восстановления ёмкости является периодическое изменение полярности пластин аккумулятора; сгорают поверхностно-активные вещества, вызывающие сульфатацию пластин. Использование зарядно – разрядных циклов в соотношении токов 1:10 -1:20 позволяет восстановить аккумулятор до рабочего состояния за 3-5 часов.

Производить доливку раствора серной кислоты в аккумулятор перед восстановлением не требуется, при низком уровне электролита вследствие электролиза, следует долить дистиллированной воды.

Установка электронной схемой зарядного устройства определённого времени заряда и разряда устраняет перезаряд, нагрев электролита, коробление и замыкание пластин, осыпание обмазки.

Уменьшение площади поверхности пластин покрытых сульфатом свинца, позволяет зарядно - разрядному току проникнуть в более глубокие слои активной массы электродов аккумулятора.

Диагностика аккумуляторов после восстановления указывает на резкое снижение внутреннего сопротивления уже через час восстановления. Недостаток такой технологии состоит в том, что необходимо контролировать ток заряда, который растёт по мере снижения внутреннего сопротивления, и по необходимости вручную его снижать.

На практике при восстановлении аккумуляторов с общим напряжение цепи 110 вольт (питание автоматики подстанции железных дорог), ток за время не более часа возрос до величины превышающей начальный в несколько раз, что привело к перегоранию сетевого предохранителя. Аккумуляторы имели высокую сульфатацию, ранее заряжались с постоянным электролизом при повышенным напряжением заряда. Электролиз электролита привёл к глубокой сульфатации внутренних слоёв губчатой структуры пластин. Помещение содержало повышенную концентрацию паров серной кислоты, водорода и кислорода, что могло привести к отравлению обслуживающего персонала. Наличие принудительной вентиляции не в состоянии удалить сереводородную смесь, которая может привести к взрыву от случайного нарушения контакта на клеммах аккумуляторных банок. Установка зарядно - восстановительного оборудования со ступенчатым зарядно-разрядным циклом позволило устранить отрицательные параметры. Повышение напряжения на аккумуляторе GB1, при возникновении электролиза, приводит к автоматическому снижению зарядного тока, благодаря цепи отрицательной обратной связи с аккумулятора GB1 на модифицированный вход компаратора таймера 5DA2.

Параметры зарядного тока стабилизируются, и аккумулятор приходит в рабочее состояние.

Регенерация пластин аккумуляторов циклическим током снижает температуру электролита почти до температуры воздуха помещения, уменьшается до рабочего состояния внутреннее сопротивление - кристаллы сульфата свинца переходят в аморфное состояние. Выделение смеси газа не превышает естественного испарения при полном использовании элементов в химической реакции.

Автоматическое ступенчатое снижение зарядного тока приводит к качественному восстановлению электродов аккумуляторов.

Характеристики устройства:
Напряжение сети 220 Вольт
Мощность трансформатора 180 Ватт
Ток заряда средний до 8 Ампер
Ток заряда амплитудный до 20 Ампер
Ток разряда 0,2 – 1 Ампер
Буферный ток подзаряда 0,14 Ампера
Напряжение аккумуляторов 12 Вольт
Ёмкость аккумуляторов до 180 А/час
Время зарядного цикла 2-6 мк.сек.
Время разрядного цикла 0.5 -3 мк.сек.
Время полного заряда от 3 до 5 часов

Электронная схема устройства ступенчатого восстановления зарядно-разрядным током конструктивно состоит из нескольких блоков: мультивибратора прямоугольных импульсов на цифровой микросхеме DD2, таймера временных интервалов на 14-разрядном асинхронном цифровом счётчике (счётчике пульсаций) - DD2, дающем на своих выходах Q0-Q13 16384 двоичных отсчётов.

 Счётчик имеет выходной каскад, формирующий тактовые импульсы и сбрасывает выходные сигналы в нуль при напряжении высокого уровня на входе сброса R. При замыкании кнопки SA1 входа R м/с DD1 на шину питания включается счётчик и выключается при достижении заданного резистором R1 времени, при высоком уровне на выходе 3DD2.

 Аналоговый таймер компаратора на микросхеме DA2 позволяет с помощью внешних цепей управлять амплитудой и временными интервалами импульсов зарядного и разрядного тока. Ступенчатое снижение тока заряда зависит от прошедшего времени с начала восстановления аккумулятора и уровня напряжений на выходах счётчика DD2. Коммутация токов заряда и разряда выполняется ключами на полевых транзисторах разной структуры - VT1,VT2. В отличии от ключей на биполярных транзисторах они менее нагреваются из-за низкого сопротивления перехода сток - исток, единственное условие - входное напряжение затвора не должно превышать напряжение питания. Один из ключей разряжает аккумулятор на нагрузку в виде мощного резистора R17, второй подаёт зарядный ток в аккумулятор с сетевого выпрямителя. Очерёдность переключения режимов, длительность импульсов, скважность и частота зависит от параметров внешних цепей компаратора таймера DA2. Параллельный стабилизатор на аналоговом таймере DA1 устанавливает напряжение на прямом входе 5 DA2 в зависимости от текущего времени заряда и поддерживает заданный уровень зарядно – разрядного тока.

Индикация состояния цепей выполнена на светодиодах разного цвета свечения, а алгебраическая сумма токов заряда и разряда определяется на гальваническом приборе постоянного тока В1.

Генератор временных интервалов выполнен на цифровых элементах 2 ИЛИ -НЕ DD1.1, DD1.2. Только совпадение низких уровней на входах элементов даёт высокий уровень на выходе инвертированного сигнала. Внешние элементы: резистор R1 и конденсатор С1 позволяют изменять частоту мультивибратора в широких пределах F=0,44/R1C1.

Частота мультивибратора устанавливается плавно резистором R1 около одного герца. Светодиод HL1 мигая индицирует ход отсчёта времени. Время заряда аккумулятора устанавливается резистором R1. Вход 6 элемента DD1.2 позволяет выполнить остановку работы мультивибратора по окончанию назначенного времени восстановления аккумулятора. После появления высокого уровня на выходе 3 DD2 генератор на микросхеме DD1 прекращает работу.

Импульс счёта с периодом, зависящим от значений R1, C1 поступает с мультивибратора на вход С асинхронного счётчика DD2, выходы счётчика Q0-Q13 переключаются на высокий уровень, каждый через определённое время.

Напряжения высокого уровня с выходов счётчика Q10-Q13 через резисторы R4-R7 и обратные диоды VD1-VD4 суммируется на резисторе R9 - чем больше прошло времени с начала отсчёта, тем выше напряжение. При максимальной величине напряжения на резисторе R9, прецизионный аналог стабилитрона с регулируемым напряжением стабилизации DA1 максимально откроется управляющим напряжением по входу 1DA1 и напряжение на модифицированном входе 5DA2 будет ограничено только резистором R12 до нижнего уровня стабилизации DA1 в 2,5 вольта, что ниже 1/3 напряжения питания, таймер DA2 - управления зарядом аккумулятора GB1, отключит заряд аккумулятора.

На практике это условие выполнять не обязательно, достаточно чтобы оставался небольшой ток буферного подзаряда.

Частичное снижение опорного напряжения по входу 5DA2 увеличивает частоту генерации таймера DA2, без изменения скважности импульса, что приводит к снижению тока заряда на данной ступени зарядно -разрядного цикла.

Компаратор таймера DA2 позволяет устанавливать максимальные токи заряда и разряда с помощью регуляторов R11- «Заряд» и R13 - «Разряд».

Резистором R9 устанавливается буферный ток подзаряда аккумулятора при высоких уровнях на всех выходах счётчика и цепи отрицательной обратной связи.

Перезаряда аккумулятора не произойдёт по нескольким причинам: ступенчатая падающая характеристика зарядно-разрядного цикла, со снижением тока через определённые счётчиком промежутки времени; остановка счёта по окончании заданного времени восстановления; автоматическое отключение заряда аккумулятора в случае: его отсутствия; слабого контакта в зажимах или неверной полярности подключения; питание микросхем от аккумулятора.

В схеме можно предусмотреть снижение тока заряда от повышения окружающей температуры или трансформатора, заменой резистора R10 на терморезистор типа ММТ-1.

Диод VD5 в цепи разряда конденсатора С5, установлен для разделения зарядной (R10, R11) и разрядной R13 - цепей. При зарядке конденсатора С5 до уровня в 2/3 Uп, внутренний триггер таймера переключит верхний компаратор по входу 6DA2 на разряд конденсатора, напряжение на выводе 7DA2 снизится до нуля, полевой транзистор VT1 - прямой проводимости, откроется, аккумулятор GB1 начнёт разряжаться через резистор R17 с периодом времени Т1= 0,69 R13C5. Светодиод HL2 индицирует наличие разрядного тока. По окончании цикла разрядки внутренний транзистор таймера закроется и возобновится цикл зарядки конденсатора С5, с ростом напряжения от 1/3 Uп до 2/3 Uп. Происходит зарядка аккумулятора, при высоком уровне напряжения на выходе 3DA2 и закрытом ( с высоким сопротивлением) выходе 7DA2. Полевой транзистор VT2 открыт и заряжает аккумулятор GB1 от сетевого источника питания с периодом Т2= 0.69C5(R10+R11). Разрядка аккумулятора в это время не происходит, амперметр B1 указывает на общий ток цепи заряда аккумулятора.

Перегрузки в цепи зарядного тока индицируются как аварийная ситуация индикатором HL3.
Питание микросхем устройства ступенчатого заряда выполнено от аккумулятора GB1 через аналоговый стабилизатор напряжения DA3. В отсутствии аккумулятора или неправильной его коммутации схема останется без питания. Отсутствие или яркое свечение светодиода HL4 также укажет на неверное подключение аккумулятора.

Для зарядки аккумуляторов в 180 А/час достаточно тока не более 5-8 ампер, при мощности трансформатора в 150-200 ватт типа ТС-180, ТН -55,ТН- 61.

Полевые транзисторы для защиты от перегрева необходимо обеспечить алюминиевыми радиаторами размерами 60*58*40 мм.

Наладку схемы надлежит начать с проверки напряжений питания микросхем и сетевого блока питания.

Следует учесть, что микросхемы и разрядный транзистор VT1 питаются от аккумулятора GB1, зарядная цепь на транзисторе VT2 - от сетевого источника тока на трансформаторе T1.

Для ускорения проверки работы микросхем конденсатор С1 временно заменить ёмкостью 0,01 мкФ. После нажатия кнопки «Пуск» счёт запустится, о чём укажет индикатор HL 1 «Счёт».

Работа таймера DA2 устанавливается отдельно, предварительно перевести движок резистора R9 в нижнее, по схеме, положение, при этом напряжение на выводе 5DA2 будет максимального значения, резистором R11 установить максимальный ток заряда Iз = 0,05С по амперметру в соответствии с ёмкостью аккумулятором GB1, где С - ёмкость аккумулятора.

Цепь отрицательной обратной связи с аккумулятора на резистор R9 через резистор R8 позволяет автоматически снижать зарядный ток, при возникновении электролиза электролита и сопутствующем росте напряжения на аккумуляторе. Приемлемый номинал резистора R8 устанавливается по устранению процесса электролиза путём понижения номинала.

Радиодетали в схеме ступенчатого зарядно-разрядного устройства общего применения: микросхемы серии К561 или К176, прецизионный аналог стабилитрона серии КР142ЕН19А, аналоговый таймер типа КР1006ВИ1. Полевые транзисторы прямой проводимости VT1 - на ток до пяти ампер при напряжении 100 вольт, обратной проводимости VT2 - на ток свыше 20 ампер при напряжении 150 вольт.

Литература:
1. В.Коновалов, А.Разгильдеев. Восстановление аккумуляторов. Радиомир 2005 №3 с.7.
2 .В.Коновалов. А.Вантеев. Технология гальванопластики. Радиолюбитель №9.2008.
3. В.Коновалов. Пульсирующее зарядно-восстановительное устройство Радиолюбитель № 5 /2007г. стр.30.
4. В.Коновалов. Ключевое зарядное устройство. Радиомир №9/2007 с.13.
5. Д.А.Хрусталёв. Аккумуляторы.г. Москва. Изумруд.2003 г.
6. В.Коновалов «Измерение R-вн АБ».«Радиомир» №8 2004 г. стр.14.
7. В.Коновалов «Эффект памяти снимает вольтдобавка.» «Радиомир» №10.2005 г. стр. 13.
8. В.Коновалов «Зарядно – восстановительное устройство для NI-Cd аккумуляторов.». «Радио» №3 2006 г. стр.53

Авторы: Коновалов Владимир, Вантеев Александр (Творческая лаборатория «Автоматика и связь» ИРК ПО)

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Зарядное устройство