В радиолюбительской практике в быту и на работе иногда возникает необходимость в резервировании питания различных устройств. Речь не идет об источниках бесперебойного питания (НРБ), а об аварийном освещении, устройствах охранной сигнализации, любительских метеостанциях, рекламных щитах, радиолюбительских репитерах, туристических палатках, т.е. в устройствах и системах, где в качестве резервного или основного питания применяется аккумулятор без преобразования напряжения. Для таких целей обычно применяют аккумуляторы малой емкости с гелевым электролитом. Они более безопасны в эксплуатации, чем обычные кислотные аккумуляторы, но имеют некоторые особенности зарядки. В данной статье рассмотрено несложное зарядное устройство для таких аккумуляторов.
Для аварийного питания ряда устройств автор использует гелевую аккумуляторную батарею (АКБ) типа ТР 7-12 (фото 1) емкостью 7 А·ч с рабочим напряжением 12 В. Для ее заряда и поддержания в заряженном состоянии было разработано рассмотренное в статье устройство.
В сети Интернет можно найти достаточно много схем различных устройств для заряда гелиевых аккумуляторов. В основном они имеют одинаковые схемотехнические решения и выполнены, обычно, на микросхемах LM317 и L200С. Иногда для управления режимом работы зарядного устройства применяется микроконтроллер (МК). Примером подобного ЗУ может служить конструкция, описанная в [1]. Применение МК позволяет более качественно контролировать процесс зарядки, управлять им автоматически, что продлевает срок службы аккумуляторной батареи.
Разработанное автором зарядное устройство является, собственно, приставкой к заводскому блоку питания с выходным напряжением 20 В. Это ЗУ также имеет в своем составе микроконтроллер IC5 типа РIС12F675 (см. схему рис.1). МК автоматизирует процесс зарядки АКБ.
Наличие МК позволяет, при необходимости, изменить алгоритм работы зарядного устройства доработкой программного обеспечения. Микроконтроллер IC5 тактируется внутренним тактовым генератором 4 МГц. Назначение выводов МК IC5 РIС12F675, с учетом записанной в него программы, приведено в таблице.
Регулирующим элементом устройства служит регулируемый стабилизатор IC2 типа LM317Т. Его отечественный аналог — КР142ЕН12.
Рассматриваемое зарядное устройство отличается от подобных и от рассмотренного в [1] также тем, что по окончанию основного заряда большим током, равным приблизительно 0,1С (где С — емкость АКБ), ЗУ не отключается, а продолжает подзарядку малым током до максимально допустимого значения напряжения на АКБ (около 14,8… 15 В). Только после этого зарядка полностью отключится. При понижении напряжения ниже этого уровня снова включится подзарядка аккумулятора. Ток подзарядки выбирают на уровне тока саморазряда аккумулятора, он составляет около 0,01 С. Это необходимо при использовании аккумуляторной батареи для обеспечения резервного питания устройств, поддерживая АКБ всегда в заряженном состоянии.
Транзистор Q3 — это ключ отключения режимов зарядки и подзарядки, а Q2 — ключ включения режима подзарядки. Для соответствующей индикации режима используются два светодиода НL1 и НL2.
Когда оба светодиода погашены, напряжение на выходе IС2 и ток заряда АКБ максимальны. Они задаются делителем напряжения R2R5.
Когда светодиод НL1 погашен, а НL2 светится, напряжение на выходе 1С2 и ток заряда уменьшаются, подзаряжая АКБ (режим подзаряда малым током), так как транзистор Q2, открывшись, подключит резистор R4 параллельно R5.
Зарядка и подзарядка осуществляются в импульсном (прерывистом) режиме с периодом 2 с. Причем по мере заряда АКБ длительность импульсов напряжения на выходе IС2 уменьшается, а длительность паузы между ними растет. Это осуществляется программно. МК использует для анализа часть напряжения на АКБ, которое поступает на вход АЦП МК (вывод 7 IС5) через делитель R6RV1R9.
К выводу 6 МК IС1 подключен цифровой датчик температуры IC4 типа DS18B20, обеспечивающий дополнительную автоматизацию и контроль. Его можно использовать для управления режимом работы вентилятора обдува. В этом случае обеспечивается дополнительное охлаждение, поэтому можно уменьшить площадь радиатора микросхемы IC2 LM317. Можно установить также этот датчик непосредственно на аккумуляторе, а ЗУ подключить через реле. В этом случае нормально замкнутая контактная группа реле RL1 включается в разрыв питания MC IC2 LM317T. При аварийной ситуации, когда аккумулятор будет перегреваться и его температура достигнет 50°С, зарядное устройство отключится. Включение-выключение реле RL1 осуществляется транзисторным ключом Q1 по команде с вывода 5 МК (IC5).
Замечу, что программа для МК составлена так, что датчик температуры можно и не подключать. Контроллер сам анализирует отсутствие или наличие этого датчика и корректирует алгоритм работы ЗУ. Когда датчика температуры нет, не будет включаться исполнительное реле RL1, которое управляет включением вентилятора или отключением зарядки АКБ.
Зарядный ток аккумулятора регулируется подбором сопротивления R1 (2 Вт) и выбирается из расчета 0,1 емкости аккумулятора. Например, аккумулятор емкостью 7 А·ч заряжается током 700 мА, а емкостью 8,5 А·ч заряжается током 850 мА. Следует помнить, что максимальный допустимый ток для LM317T равен 1500 мА.
Ток подзарядки (0,01С) регулируется подбором сопротивления резистора R4.
В ЗУ можно использовать блоки питания заводского изготовления типов RS-24-25 или RS-15-25. Они имеют небольшие размеры и достаточно стабильны в работе. Внешний вид этих блоков показан на фото 2.
При использовании блока RS-24-25 выходное напряжение следует уменьшить до 20 В, а при использовании блока RS-15-25 увеличить, что осуществляется встроенными в эти блоки подстроечными резисторами. Можно применять и другие блоки питания, подходящие по параметрам.
В качестве реле RL1 автор использовал в экспериментах реле типа OVI-CH-112L. К транзисторам Q1-Q3 особые требования не предъявляются. Вместо ВС548, указанных на схеме, можно использовать даже КТ315.
Заметим также, что при использовании ЗУ для заряда АКБ емкостью более 5 А·ч (ток зарядки >500 мА) микросхему LM317T нужно устанавливать на радиатор, а в случае использования заземленного радиатора корпус этой MC должен быть изолирован от радиатора прокладкой.
Работа с устройством
Для включения устройства нажимаем и удерживаем нажатой кнопку S1 около двух секунд. В качестве подтверждения загорится и погаснет светодиод «Зарядка выкл.». Далее происходит процесс измерения напряжения на клеммах аккумулятора, и, в зависимости от результатов, автоматически устанавливается определенный режим работы.
Если напряжение аккумулятора менее 6,0 В, оба светодиода будут мерцать приблизительно 1 раз в 2 с. Если напряжение аккумуляторной батареи меньше 14,4 В, но больше 6 В, включится основной режим работы, светодиод «Статус» будет мерцать 1 раз в 2 с. Ток зарядки аккумулятора будет около 750 мА (зависит от сопротивления R4).
Если напряжение аккумулятора в пределах 14,4… 14,8 В включится режим подзарядки малым током. Светодиод «Зарядка выкл.» будет мерцать 1 раз в 2 с, а «Статус» будет гореть постоянно.
Если напряжение аккумулятора более 14,8 В, зарядка АКБ полностью отключится. Светодиоды «Зарядка выкл.» и «Статус» будут гореть постоянно.
Выключение устройства производится также удержанием кнопки управления устройством S1 около двух секунд. В качестве подтверждения зажжется светодиод «Зарядка выкл.» и погаснет светодиод «Статус».
Настройка зарядного устройства
Настройка устройства сводится к подбору сопротивлений R1 и R4, устанавливающих зарядный ток аккумулятора и ток подзарядки соответственно.
Кроме того, потенциометром RV1 устанавливают напряжение срабатывания схемы при окончании зарядки и переход ЗУ в режим подзарядки. Для этого предварительно необходимо установить напряжение на выходе ЗУ (без аккумулятора) равным 14,4 В, а затем установить движок потенциометра RV1 в такое положение, при котором светодиоды «Зарядка выкл.» и «Статус» будут поочередно моргать 1 раз в 2 с.
На этом настройка зарядного устройства закончена, и оно готово к работе.
Файл прошивки (НЕХ-файл) и проект в формате программы Proteus (скачать)
Ссылки:
1. Носов Т. Автоматическое зарядное устройство для герметичных кислотных аккумуляторов. Режим доступа: http://labkit.ru/html/power_supply_ shm?id=236.
Автор: Николай Викторов, г. Рыбинск
Источник: Радиоаматор №11/12, 2014
