Зарядное устройство из импульсного БП

При использовании кислотных аккумуляторов в автомобиле или системах бесперебойного питания, необходима их зарядка, желательно в автоматическом режиме. Конечно, зарядка должна быть предусмотрена производителем устройства. Полностью обеспечивать необходимые режимы для продолжительной работы и хорошего состояния аккумулятора установленного в нем. Однако, бывают ситуации, когда возникает потребность дополнительного заряда и обслуживания батареи:
1. Такие ситуации возникают, в холодное время года, когда авто продолжительное время стоит в гараже и аккумулятор теряет заряд. Бывает, водитель не отключил потребителей и на следующий день авто не заводится.
2. В системах бесперебойного питания, ситуация значительно лучше. Устройство постоянно следит за зарядом аккумулятора, правильно его заряжает и не позволяет разряжаться больше, чем нужно. Пока в него не влезает пытливый ум, для улучшения характеристик.
У меня дело пошло по второму сценарию.

Как-то раз, зимой, ситуация с энергоснабжением резко ухудшилась. Вскоре стало ясно, что это надолго, и я достал бесперебойник. В нем стоял аккумулятор на 7 А/Ч, чего с трудом хватало на десятиватный светодиод освещения. Свет выключали на 2-4 часа, иногда не было электричества и 6 часов. Несколько раз включали электричество днем на два часа, но он не успевал заряжаться. Да и хотелось телевизор посмотреть, ведь выход 220 В. простаивал без дела.
Позже я купил БУ аккумулятор на 75 А/Ч, и озаботился его зарядкой. Нужно было заряжать его быстро и без присмотра людьми. Причем зарядное должно быть дешевым и хорошим.
Трансформатор отменил сразу, так как сетевое напряжение менялось в широких пределах, временами опускаясь до 140 В. У меня был в наличии недорогой импульсный китайский блок питания 12 В., 60 Вт, под названием "S 60-12". Впрочем, приобрести такой не составит труда в интернет магазине или в местном магазине светотехники.
Блок имеет отличные основные характеристики:

После подключения к аккумулятору, начали возникать неприятности:
1. напряжения 13.2 В недостаточно для заряда
2. очень большой ток, когда на батарее низкое напряжение
3. разряд батареи в блок питания

Рассмотрим выходные цепи нашего блока, и определим что можно сделать для решения проблем:
1. Увеличить выходное напряжение можно зашунтировав резистор с управляющего вывода TL431 на общий провод (R15, SVR1)
2. Ток можно уменьшить, установив мощный токоограничительный резистор на выходе, или уменьшив выходное напряжение
3. Разряд батареи исключим последовательным диодом​

У меня был слабый аккумулятор на 7 а/ч, для него разряд в блок питания (~50 мА) был существенным, и я установил последовательно с выходом ИБП связку диодов. Позже, от диодов отказался, когда перешел на большую батарею.
Для начала нужно увеличить выходное напряжение установкой параллельно R15 (см первый рисунок) резистора номиналом 12 кОм. После этого максимальное напряжение на выходе ИБП станет 16 В., без учета падения на диодах. Ток ограничительный резистор изготовил из толстой нихромовой проволоки. При отсутствии такой, можно купить готовый резистор. Напряжение следует выставить на выходных клеммах после диода, нагруженных на лампу освещения, для учета падения на диодной сборке.  В таблице указано номинальное сопротивление (R) и максимальная рассеиваемая мощность (Pmax) резистора, для напряжения заряда 13,8 В. (Umax), минимального напряжения на аккумуляторе 11 В. (Umin) и максимального тока заряда 20% от ёмкости (с). Это безопасный режим, так как ток будет линейно падать, по мере заряда. Можно самостоятельно рассчитать сопротивление резистора:

R=(Umax-Umin)/0.2*c, 

и максимальную мощность на нем:

Pmax=(Umax-Umin)²/R

В целом система получилась надежная, не требующая обслуживания, но и с недостатками. Конечно резистор, который безбожно греется на больших токах. Долгая зарядка и невозможность полной зарядки.
После приобретения аккумулятора на 75 А/Ч и работы его в режиме постоянного просмотра телевизора (плюс усилитель звука 2*5Вт, тюнер Т2, модем с роутером, зарядка телефона/планшета, освещение), резистивная схема перестала успевать восстанавливать растраченный заряд.  

Импульсный блок питания (ИБП) стабилизирует выходное напряжение с помощью управляемого стабилитрона SHR1 TL431, часть схемы выходных цепей показана на первом рисунке. Открытие этого стабилитрона происходит при превышении напряжения на управляющем выводе более 2,5В. Можно сказать, что в нормальном режиме, напряжение в этой точке всегда равно 2,5 В. Наша схема будет воздействовать на этот вывод, для изменения выходного напряжения. Следует учесть, что диапазон выходных напряжений этого ИБП ограничен. Не желательно повышать выходное напряжение более 16 В., а при понижении меньше 10 В. он отключается и предпринимает попытки запуска. Это значит, что аккумулятор, разряженный менее 10 В., это зарядное устройство зарядить не сможет. Так же, как и нельзя это ЗУ использовать в качестве лабораторного БП, по причине невозможности регулировки напряжения на выходе в широких пределах и стабилизации тока при коротком замыкании.

На скорую руку была собрана схема стабилизации тока и исключен диод. Конструкция и схема представлены ниже:

Схема представляет из себя усилитель постоянного тока и работает следующим образом:
Напряжение шунта, пропорциональное выходному току, усиливается дифференциальным усилителем IC1A, для исключения влияния паразитных потенциалов. Далее сигнал дополнительно усиливается вторым ОУ, с регулировкой усиления резистором R7. Когда напряжение на выходе IC1B станет достаточным для открытия диода D1 (~3 В.), через него и резистор R11,  потечет ток. Потенциал в точке REG повысится и ИБП начнет снижать выходное напряжение. Выходной ток понизится, что приведет к снижению напряжения на шунте, на выходе IC1B, закрытию диода D1 и снижению потенциала в точке REG. Диод D1, также необходим для исключения влияния схемы, на режим стабилизации напряжения. Резистор R11 для ограничения тока в цепи, во избежание выхода из строя TL431, установленного в ИБП.
Настройка сводится в установлению выходного напряжения ИБП, подстроечным резистором SVR1 (см. первый рисунок). 13-13,8 В. для систем бесперебойного питания, или 14,4 В. для однократной зарядки автомобильного аккумулятора. Если диапазона регулировки резистора не хватает, следует доработать выходной делитель напряжения ИБП, как описано выше. После этого при подключенном аккумуляторе нужно настроить ток заряда подстроечным резистором R7.

У представленной схемы, отмечено несколько недостатков. 
1. Невозможность оперативной регулировки тока
2. Плохая точность стабилизации тока, зависящая от его уровня и напряжения на выходе
3. Отсутствие индикации окончания процесса, для быстрого заряда автомобильных батарей

Схема отработала 4 месяца без неисправностей. Единственное обслуживание - это постоянно сгнивающие провода на клеммах аккумулятора (не надежно подключал)

Теперь, когда необходимость в аккумуляторном питании отпала и появилось свободное время, я решил усовершенствовать устройство. Была введена регулировка тока внешним переменным резистором. Добавлен усилитель ошибки для повышения точности. Введена светодиодная индикация режима работы.

ВНИМАНИЕ - допайка резистора увеличивающего выходное напряжение ИБП , в этом варианте схемы управления не требуется. Его функцию выполняет R10

В результате принципиальная схема усложнилась незначительно. Второй ОУ IC1B, работает в режиме интегратора/усилителя ошибки, сравнивая напряжение на выходе IC1A, пропорциональное выходному току с опорным напряжением в точке RES.2, установленным регулятором.  На его выходе (выв. 7 IC1B), напряжение может находится в двух состояниях. Около нуля, когда ток не может достигнуть установленного резистором значения. И, около 3,5 В., когда произведен захват и стабилизация выходного тока, то есть идет заряд. Светодиод "Заряд" подключенный к точке LED индицирует состояние устройства. Параллельный стабилизатор на стабилитроне VR1 TL431 обеспечивает опорное напряжение для резистора регулятора тока. На его катоде напряжение должно составлять 2,5 В.  Два резистора R7, R8 вместо одного, установлены для снижения рассеиваемой мощности на них.
Величина сопротивление шунта (Rsh) совместно с коэффициентом усиления IC1A (k) и напряжением в точке RES.1 (Vref), определяют максимальное значение тока зарядки (Imax) регулятора:

Imax=Vref/(k*Rsh).

Где коэффициент усиления дифференциального усилителя:

k=R5/R1, при R1=R2, R5=R3.

В нашем случае:

Rsh=0.1 Ом/3=0,0333 Ом, 
k=1500 Ом/100 Ом=15,
Imax=2,5 В/(15*0,0333 Ом)=5 А.

После проверки правильности монтажа платы управления, нужно правильно подключить ее к ИБП. Я постарался изобразить наглядно, что бы не возникло проблем в подключении. Провод управления следует подключать к разобранному блоку, предварительно отключив его от сети 220 В.!! Перед включением необходимо установить кожух БП на штатное место и настроить резистор R10 в максимальное большое сопротивление. Включаем. настраиваем выходное напряжение ИБП, для работы в составе устройства бесперебойного питания, при разомкнутых контактах кнопки "Режим" , резистором SVR1 (см. первый рисунок) на уровне 13-13,8 В. При нажатии кнопки "Режим", следует установить выходное напряжение 14,4 В. резистором R10, для однократной зарядки аккумулятора. Проверяем напряжение на крайних выводах резистора регулировки, оно должно составлять 2.5 В. Подключив исправный аккумулятор проверим регулировку выходного тока. Максимальный ток не должен превышать 5 А. для данного ИБП. Если ток не достаточный нужно изменить усиление усилителя на  IC1A. Впрочем после этого усилителя можно поставить подстроечный резистор на общий провод и движок этого резистора подключить к 5 выв. IC1. для подстройки максимума. Минимум будет около нуля ампер и в подстройке не нуждается. Для проверки выходного тока можно использовать мощный резистор или спираль от электроплитки, но стабилизация тока будет происходить только в небольшом диапазоне напряжений от приблизительно 10 В. до 13 или 14.4 В., в зависимости от настроек переключателя. 

Зарядное устройство имеет особенности:
 -  При зарядке до 14.4 В. необходимо наблюдать за состоянием светодиода "Заряд".  По окончании заряда он потухнет, и следует отключить ЗУ от батареи.
 -  В случае неисправности аккумулятора и напряжении на нем менее 10 В., светодиод будет мигать, а заряда не будет.
 -  При коротком замыкании выходных клемм светодиодной индикации не будет, но в ИБП сработает внутренняя защита.
 -  От переполюсовки клемм аккумулятора данное ЗУ защиты не имеет и желательно на выходе установить предохранитель 5 А.

Конструкция блока управления выполнена на макетной печатной плате выводными компонентами. В схеме использованы широко распространенные элементы. Вместо стабилитрона VR1 можно использовать обыкновенный стабилитрон на напряжение 3,3-5,1 В. (Vref), изменив коэфф. усиления дифф. усилителя по вышеприведенной формуле. Светодиод ультраяркий красный в прозрачном корпусе, такие при малом токе хорошо светят. Переменный резистор регулятора любого удобного типа с номиналом 1-10 кОм.
В качестве токового шунта я использовал резисторы 0,1 Ом 1 Вт., они достаточно распространены и не дефицитны. Подключение к шунту производилось, как показано на рисунке и фотографии. Можно использовать готовый шунт или резисторы низкого сопротивления 0,03-0,01 Ом мощностью 3 и более ватт, например MPR-5W, BPR56. В крайнем случае можно использовать моток медного провода низкого сечения, но параметры будут меняться с прогревом.

Литература 
http://at-systems.ru/quest/new-quest/battery-charging.shtml
http://www.kuppol.ru/infozarbat

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ИБП
• Зарядное устройство
• Авто ЗУ
• Автоматика
• Блок питания