Зарядные устройства для герметичных свинцовых кислотных аккумуляторов
В последнее время в продаже появились герметичные свинцовые кислотные аккумуляторы (SLA). Их используют в блоках резервного питания компьютеров (UPS), охранных и измерительных системах, фонарях и других приборах, требующих автономного питания. Из всего диапазона выпускаемых аккумуляторов в радиоэлектронных устройствах чаще всего используются аккумуляторы небольшой емкости 1,3—12 А-ч на напряжение 6 или 12 В. Устройства для их заряда, и предлагается вашему вниманию.
По сравнению с никель-кадмиевыми SLA аккумуляторы (АК) имеют более низкую цену и в то же время более удобны в эксплуатации, особенно в тех случаях, когда нужна большая емкость. Подобные АК выпускают многие производители, и их параметры могут отличаться, поэтому перед использованием конкретного АК желательно изучить документацию на него.
Для устройств, предлагаемых в данной статье, все расчеты, выбор номинальных и максимальных зарядных токов производились на основе документации на АК широко известной фирмы Panasonic [1] Режимы заряда АК других фирм могут отличаться, и прежде всего, по максимально допустимому зарядному току. Но если принять за правило — заряжать АК зарядным током около 0,1 от их емкости, то можно с уверенностью сказать, что предлагаемыми зарядными устройствами можно заряжать SLA аккумуляторы любых производителей.
В импортной документации принято обозначать зарядные/разрядные токи выражением — 0,1 С; 0,2С и т. п., при этом буква С обозначает емкость АК в А - ч. Это выглядит более удобным, чем писать “0,1 от емкости АК”, и в дальнейшем мы будем придерживаться этих обозначений.
Первый вариант зарядного устройства представлен на рис. 1. За его основу взята схема, опубликованная в [3].
Исходное устройство было рассчитано на зарядку никель-кадмиевых аккумуляторов током до 350 мА и использовало "заряд постоянным напряжением с ограничением тока”.
Суть метода заключается в том, что сначала на разряженный аккумулятор подается номинальный ток.
По мере зарядки напряжение на АК растет, а ток остается неизменным.
Затем, при достижении напряжением установленного порога, дальнейший его рост прекращается, а ток начинает снижаться.
К моменту окончания зарядки, зарядный ток равен току саморазряда, и в этом состоянии АК может находиться в зарядном устройстве сколь угодно долго без перезаряда. Самое интересное, что некоторые фирмы-изготовители аккумуляторов рекомендуют именно этот метод для заряда SLA и не рекомендуют для Ni-Cd АК.
При переработке исходной схемы было принято решение создать универсальное зарядное устройство, предназначенное для зарядки 6- и 12-вольтовых SLA аккумуляторов наиболее распространенных емкостей. Для этого пришлось пересчитать токозадающие резисторы и изменить узел стабилизации напряжения. Использование всего двух зарядных напряжений позволило отказаться отделителя напряжения и заменить его на обычные подстроечные резисторы.
Кроме того, для облегчения теплового режима устройства, работающего при более высоких зарядных токах, и для повышения КПД микросхемы интегральных стабилизаторов КР142ЕН12 были заменены на более современные микросхемы КР142ЕН22. Главное отличие этих микросхем заключается в существенно более низкой разности напряжений вход/выход, при которой они могут работать. Для КР142ЕН12 это напряжение равно 3,5 В [4]. а для КР142ЕН22 — 1,1В [5]. Это позволило снизить напряжение на вторичных обмотках трансформатора и уменьшить размеры радиаторов, на которые устанавливаются микросхемы.
Функционально устройство можно разделить на две части—узел ограничения максимального тока (DA1.R1—R6) и стабилизатор напряжения (DA2, R7—R9). Обе эти части выполнены по типовым схемам и в пояснении не нуждаются.
Переключателем SB3 выбирают максимальный зарядный ток, a SB2—конечное напряжение на АК. При этом секция SB2. 1 переключает вторичную обмотку трансформатора, снижая напряжение при зарядке 6-вольтовых АК.
При изготовлении этого устройства можно рекомендовать следующие типы деталей и их замены. Токозадающие резисторы R2— R6 применены типа С5-1 6В. С5-1 6МВ соответствующих мощностей. Как показала практика, на мощности лучше не экономить. Устройство рассчитано на длительную непрерывную работу, и все элементы желательно выбирать с запасом. Это, помимо увеличения надежности, позволит улучшить тепловой режим. При отсутствии указанных резисторов их можно изготовить самостоятельно из высокоомного провода. Точность изготовления здесь не играет большой роли, т. к. величина начального зарядного тока может быть до 0.25С (производители для некоторых типов АК допускают максимальный зарядный ток до 0,4С).
Для самостоятельного расчета токозадающих резисторов используется формула: где R — сопротивление резистора в омах, UQ,, — внутреннее опорное напряжение микросхемы в вольтах (для КР142ЕН22 и КР142ЕН12— 1 ,25В), 1мр макс— максимальный ток заряда для данного типа АК (до 0,25С) в амперах
В качестве подстроенных резисторов желательно взять многооборотные СП5-2, СП5-3 или их импортный аналог — 3296W. При снижении точности установки выходного напряжения можно применить и более дешевые, однооборотные. Конденсатор С1 — К50-16, К50-35 или импортный аналог. В качестве
конденсаторов С2, СЗ можно применить металлопленочные типа К73 или, при увеличении стоимости, керамические—К10-17. КМ-6. При наличии свободного места в корпусе импортные диоды типа 1N5400 (3А, 50 В) крайне желательно заменить на отечественные диоды в металлических корпусах типа Д231, Д242, КД203 и т. п. Эти диоды хорошо рассеивают тепло своими корпусами, и при работе в данном устройстве их нагрев практически незаметен (что не скажешь о примененных диодах в пластмассовом корпусе).
Понижающий трансформатор должен обеспечивать максимальный зарядный ток длительное время без перегрева. Напряжение на обмотке II составляет 12В (заряд 6-вольтовых АК). Напряжение на обмотке III, включаемой последовательно с обмоткой 11 при заряде 12-вольто-вых АК—8 В. Удобно применить для этих целей трансформаторы из серии ТН (трансформатор накальный). Они имеют несколько вторичных обмоток и при соответствующей коммутации позволяют получить необходимые напряжения.
При отсутствии микросхем КР142ЕН22 можно установить КР142ЕН12, но при этом надо учесть, что выходные напряжения на вторичных обмотках трансформатора придется увеличить на 5В. Кроме того, придется установить диоды, защищающие микросхемы от обратных токов [3].
Налаживание устройства следует начать с установки резисторами R8 и R9 необходимых напряжении на выходных клеммах устройства без подключения нагрузки. Резистором R8 устанавливается напряжение в пределах 14,5... 14,9В для заряда 12-вольтовых батарей. и R9—7,25. .7.45В для 6-вольтовых. Затем подключив нагрузочный резистор сопротивлением 4,7 Ом и мощностью не менее 10 Вт в режиме заряда 6-вольтовых батарей проверяют по амперметру выходной ток при всех положениях переключателя SB3.
Второй вариант устройства (рис. 2) выполнен на специализированной микросхеме фирмы SGS-Thompson.
Эта микросхема имеет в своем составе стабилизатор напряжения и цепи ограничения тока.
Наличие этих двух узлов в одном корпусе позволило создать более простое и экономичное зарядное устройство.
Подробную информацию на эту микросхему можно найти на сайте фирмы-изготовителя [6).
Можно конечно воспользоваться информацией из справочника, изданного фирмой “Додэка” [5], но следует учесть, что там она опубликована в урезанном виде и в ней нет части исходных данных для расчета.
Опорное напряжение узла ограничения тока этой микросхемы существенно ниже, чем у каскада, выполненного на стабилизаторах КР142ЕН12, КР142ЕН22.
Это, с одной стороны, заставляет применять еще более низкоомные, а значит и еще более дефицитные резисторы, но с другой стороны позволяет снизить их мощность. Формула для расчета токозадающих резисторов идентична приведенной выше формуле (1). При ее использовании для этой микросхемы следует в качестве Uon использовать величину 0,45В [6].
Микросхема стабилизатора включена по типовой схеме, рекомендуемой изготовителем. Резисторы R1—R5 задают максимальный зарядный ток, причем R5. задающий ток 150 мА, включен постоянно, и его параллельное подключение резисторам R1—R4 следует учитывать при расчетах Диод VD5 защищает АК от разряда через цепи микросхемы. Резистор R6 в паре с R7 или R8 образует узел установки выходного напряжения, конденсатор С2 обеспечивает стабильность работы.
Настройка этого устройства аналогична описанной выше. Сначала соответствующими резисторами без подключения нагрузки устанавливают номинальные напряжения на выходе, а затем при подключенной нагрузке проверяют выходной ток. Следует отметить, что устройство приведенное по схеме на рис 2, более чувствительно к сопротивлению всей токозадающей цепи, что связано с более низким опорным напряжением. Поэтому в изготовленном устройстве сопротивление проводников печатной платы, соединительных проводов и контактов переключателя SB3, складываясь с сопротивлением токозадающих резисторов может привести к заметному снижению зарядного тока (чем больше зарядный ток, тем больше влияет сопротивление токозадающей цепи) Для компенсации этой погрешности в каждом конкретном устройстве может потребоваться уменьшение сопротивления резисторов R1 —R5 относительно указанных на схеме величин.
При работе с описанными устройствами сначала устанавливают необходимые величины зарядного тока и напряжения, затем подключают АК и устройство включают в сеть. Возможность выбора зарядного тока позволяет в некоторых случаях ускорить заряд АК, установив ток более 0.1 С. Так, к примеру. АК емкостью 7,2 А ч можно заряжать током 1,5 А. не превышая при этом максимально допустимый зарядный ток 0,25С.
В заключение следует сказать несколько слово конструкции предложенных устройств. Корпус желательно использовать металлический. Это повысит пожаробезопасность устройства, которое зачастую работает без присмотра. Если в качестве понижающего будет использоваться трансформатор серии ТН. то его лучше всего выбрать пропитанным компаундом. Радиаторы для микросхем специально не рассчитывались, а, как часто бывает в радиолюбительской практике, выбирались из того, что есть. Для микросхем DA1.DA2 (рис 1 используются ребристые радиаторы (по одному на каждую микросхему) размерами 90x60 мм с высотой ребер 15 мм. Для второго варианта устройства используется один такой радиатор.
и желательной замене диодов говорилось выше. Здесь же хочется отметить, что не стоит использовать вместо них доступные сейчас монолитные диодные мосты. Попытка поставить в одно из изготовленных устройств мост типа КВРС101 (3А, 100 В), и КВРС801 (8 А, 100 В) привело к необходимости установки на него радиатора.
С. Малахов
Литература:
1. Panasonic Valve Regulated Lead Acid Batteries http://www.panasonic.comfindustrial/ battery/oem/chem/seal/index. htm!
2. Кислотно-свинцовые аккумуляторные батареи широкого применения. — Радио. 2000, № 12. с. 43; 2001, № 1с. 45.
3. С. А. Бирюков. Устройства на микросхемах. Цифровые измерительные приборы, источники питания, любительские конструкции. — М.:Символ-Р. 1998. с. 150—162.
4. Микросхемы КР142ЕН12 —Радио, 1993, №8,с.41
5. Микросхемы для линейных источников питания и их применение —М.:Доджа, 1998г
6. SGS-Tomphson. Adjustable Voltage and Current Regulator http://www.st.com/stonline/ books/pdf/docs/1318.pdf
материал подготовил Ю. Замятин (UA9XPJ).
Исходный материал:
http://www.qrx.narod.ru/arhn2/zsa.htm
