Устройства мониторинга аккумуляторных батарей

В статье рассматривается применение ИМС TL431 как основного компонента монитора со­стояния аккумуляторных батарей.

Как известно, для продления срока эксплуата­ции аккумуляторных батарей (особенно свинцо­вых и никель-кадмиевых) необходимо выполнять три важных условия. Первое – не допускать глу­бокого разряда батареи. Второе – не допускать перезаряд батареи. Третье – эксплуатировать батарею при полном цикле разряд-заряд. Что имеется в виду? Первые два момента ясны и не требуют особых пояснений. А вот третий – требу­ет. Для правильной эксплуатации необходимо, чтобы цикл заряда батареи начинался только тог­да, когда она будет разряжена до некоторого оп­ределенного уровня. Это продлевает срок служ­бы батареи примерно на 30%.

Автор имел возможность проверить это ут­верждение на практике. Действительно, пра­вильно заряжаемые батареи эксплуатировались пять лет и более (отдельные экземпляры до 8) вместо обычных трех-четырех. Если рассматри­вать герметические необслуживаемые (их иногда называют гелевые) свинцовые аккумуляторы (на­пример, 12 В 12 А·ч NP12-12 производства YUASA), то в циклическом режиме эксплуатации при нормальной температуре окружающей сре­ды (+20°С), для этих батарей требуется разряд до примерно 10,20 В и последующий заряд до до­стижения на батареи напряжения 14,5 ±3% В. Ве­личина этого напряжения зависит от температу­ры, оно изменяется на корректирующий фактор, равный -24 мВ/°С [1]. Если батарея работает в буферном режиме (напряжение хранения для NP12-12 13,65 В), то желательно, чтобы она пе­риодически (раз в 28…30 дней) была разряжена до минимально допустимого уровня напряжения и заряжена до напряжения 14,5 В ±3%. Важность этой процедуры подчеркивает тот факт, что в со­временных агрегатах бесперебойного питания (UPS) ведущих изготовителей (например, АРС) предусмотрен принудительный периодический, полный разряд батареи с последующим ее заря­дом до номинального уровня.

Имеющиеся на рынке индикаторы состояния батарей, индицируют только некое условное на­пряжение на батареи. Их схемотехника, особен­но светодиодных столбиков (автор имел опыт их настройки и ремонта), не обеспечивает требуе­мой точности измерений и мало информативна. В большинстве такие индикаторы – это просто украшение салона автомобиля, отвлекающее во­дителя, и не более того.

Предлагаемое автором решение мониторинга состояния аккумуляторных батарей первона­чально было разработано для свинцовых аккуму­ляторов, используемых в качестве буфера в сис­теме солнечной батареи. Базовое решение впер­вые было опубликовано автором в [2]. В основе схемы лежит необычный триггер Шмитта, выпол­ненный на ИМС TL431. Эта недорогая и недефи­цитная ИМС представляет собой управляемый напряжением стабилитрон, или, точнее, парал­лельный стабилизатор напряжения. Она содер­жит высокостабильный точный источник опорно­го напряжения 2,5 В, операционный усилитель, выходной транзистор с открытым коллектором (ток до 100 мА) и элементы защиты.

Вариант монитора со световой сигнализацией

Электрическая принципиальная схема про­стейшего варианта монитора за состоянием ак­кумуляторной батареи показана на рис.1.

Устройство, как сказано выше, выполнено на базе TL431ACLP (здесь и далее имеются в виду ИМС TL431 производства Fairchild Semiconductor Corporation) [3].

Верхнее напряжение срабатывания триггера (VT+) равно

VT+=Vref · (1+R1/R3),

где Vref=2,5 В – напряжение внутреннего ис­точника опорного напряжения ИМС TL431.

Когда напряжение на батареи выше, чем по­роговое напряжение VT+, через ИМС TL431 (D1) потечет ток, а напряжение на ее катоде умень­шится до уровня приблизительно 2 В [3], транзи­стор V1 откроется, и светодиод HL1 включится. Напряжение отпускания триггера VT рассчитыва­ется по формуле:

VT-=Vref · (1+R1 R2/(R1+R2)1/R3).

Когда напряжение на батареи будет меньше напряжения VТ-, ток через ИМС ТL431 (D1) уменьшится до величины менее чем 1 мкА [3], а напряжение на ее катоде станет равно напряже­нию батареи. Транзистор VT закроется, а свето­диод НL1 погаснет. Светодиод НL1 включится снова только тогда, когда напряжение на батареи после зарядки снова будет больше, чем пороговое напряжение VТ+. То есть батарея будет находиться в своем полностью заряженном состоянии. Предлагае­мый монитор по­казывает не теку­щее напряжения на батареи (как большинство упо­мянутых выше мо­ниторов), а имен­но тот факт, что ба­тарея была полно­стью заряжена и выключится только при заданном ми­нимально допусти­мом напряжении на батареи, то есть полный цикл заряд-разряд будет пройден (что, собственно, и продлевает срок службы батарей). Это и отличает предлагаемый монитор от суще­ствующих индикаторов.

Для показанной на Figur 1 схемы соответст­венно выбрано VТ+=14,01 В и VТ-=10,18 В, что соответствует типовым величинам для обычной 12-вольтовой свинцовой аккумуляторной бата­реи при температуре 25°С.

Контроль батареи в периодически включаемой аппаратуре

Если требуется контроль батареи в периоди­чески включаемой аппаратуре, то есть батарея не работает постоянно в буферном режиме или требуется выход на схему управления, то к схеме Figur 1 опционально добавляется ряд элементов, и она приводится к виду, показанному на рис.2.

Конденсатор С1 (выбирают с малым током утечки) обеспечивает анализ батареи в момент включения устройства, питание которого осуще­ствляется от контролируемой батареи. Емкость конденсатора С1 выбирают исходя из необходи­мого времени анализа, которое должно быть

примерно 3…6 с. В момент включения питающее напряжение от батареи по­ступает на вход R микросхемы D1 че­рез делитель напряжения R1 R2, R3 (С1 еще не заряжен, и резисторы R1, R2 в этот момент включены параллельно). Если уровень напряжения на входе R микросхемы D1 меньше, чем напряже­ние ее внутреннего источника опорно­го напряжения (Vref=2,5 В), то ток че­рез микросхему практически отсутст­вует. В этом случае светодиод не све­тится. Это показывает, что батарея (за­метьте, именно для конкретной нагруз­ки) находится в недостаточно заряжен­ном состоянии и нуждается в подза­рядке. Индикатор НL1 светится, если

уровень напряжения на входе 01 больше, чем на­пряжение ее внутреннего источника опорного напряжение (Vref=2,5 В). В этом случае через TL431 течет ток, а транзисторы V1 и V2 открыты. Транзистор V1 соединяет резистор R2 с входом TL331, и порог действия триггера изменен в сто­рону уменьшения. Индикатор HL1 не светится, если напряжение на батарее меньше заданного минимального уровня.

Таким образом, мы имеем устройство, кото­рое указывает состояние батареи для работы на заданную нагрузку непосредственно при вклю­чении устройства, другими словами, ее конди­ционное или некондиционное состояние. Пред­лагаемый монитор не требует регулировки, по­тому что отклонение величины напряжения внут­реннего источника опорного напряжения для TL431A (производства Fairchild) не превышает 1% (для TL431 – 2%) [3], у других изготовителей, например Motorola, есть варианты TL431 с допу­ском ±0,4%.

Монитор, показанный на рис.2, был разрабо­тан для контроля батареи из четырех NI-MH акку­муляторов и имеет верхнее напряжение 5,5В (индикатор включен) и низкое напряжение 4,4 В (индикатор выключен). Сигнал с выхода 3 (Control) использовался для управления заряд­ным устройством. Если этот сигнал должен быть подан на логическую ИС, то необходимо принять меры к сопряжению уровней сигна­лов. Светодиодный индикатор НL1 может быть подключен непосредственно к катоду ТL431 с подходящим резистором (как это показано на Figur 1), при использовании схемы для 6-, 9- или 12-вольтовых батарей. При необходимос­ти, в любой из приведенных схем легко можно использовать опторазвязку монитора от сис­темы управления. Излучающий диод оптрона может быть подключен отдельно или включен последовательно с индикаторным светодио­дом или вместо него.

Монитор для автомобильной батареи

Следующая схема (рис.3) была разработана для стандартной автомобильной аккумуляторной батареи 13,8 В. Устройство позволяет осуществ­лять контроль батареи и исправность зарядного устройства.

Состояние батареи индицируется двумя ин­дикаторами: зеленым – «батарея кондиционно заряжена» (HL1 «Battery ОК»), красным – ава­рия зарядного устройства (HL1 «Alarm!»), он

включается при перезарядке батареи из-за от­каза реле-регулятора. Цепь (полимерный самовосстанавливающийся предохранитель) С1 С2V1 обеспечивает защиту монитора от бросков напряжения в бортсети автомобиля. Как правило, такая цепь защиты отсутствует в массовых индикаторах, что приводит к их выхо­ду из строя, так как в бортсети автомобиля мо­гут присутствовать короткие экспоненциально спадающие импульсы напряжения от -90 до +150 В и относительно длительное повышение напряжения до +18 В. Последнее не представ­ляет опасности для данного монитора даже без защиты. Каскад, выполненный на ИМС D1, по­дробно рассмотрен выше. Каскад, анализиру­ющий аварийную ситуацию, выполнен на ИМС D2 и работает следующим образом. При пре­вышении напряжения на батарее ИМС D2 начи­нает проводить ток и включает индикатор HL2, открывается транзистор V3, который блокиру­ет индикатор HL1.

Упрощенные мониторы для автомобильного аккумулятора

Fahren (рис.3) может быть упрощена заменой каскада на ИМС D2 на стабилитрон V* с включе­нием, показанным на рис.4,а. Это удешевляет устройство, но снижает и точность срабатывания индикатора аварии «Alarm!». Дополнить схему можно каскадом на элементах HL*, R*, V* (жела­тельно диод Шоттки), показанным на рис.4,b. Эта доработка будет сигнализировать (индика­тор «Low Battery» HL* желтого цвета свечения) о некондиционном состоянии батареи, то есть для случая, когда напряжение на батареи ниже ее ми­нимально допустимого уровня. Недорогой, но точный индикатор состояния батареи, выполняю­щий функцию индикатора включения, может быть выполнен по схеме рис.4,с. Он будет указывать только то, что напряжение батареи для данной нагрузки не ниже заданного.

При необходимости устройство можно до­полнить компенсатором, который будет изме­нять пороги индикации в зависимости от усло­вий эксплуатации батареи. В этом случае после­довательно к резистору R9 подключают резис­тор номиналом 3 кОм, который замыкается на­коротко в режиме эксплуатации при нормаль­ной температуре окружающей среды 15…35°С и включается в цепь при температурах ниже от 0°С. Доработка изменяет порог срабатывания индикатора с 14,09 В до 14,77 В. При необходи­мости между выводом 1 ИМС D2 и плюсовым проводом может быть подключен звуковой сиг­нализатор «buzzer».

Преимущества предлагаемых технических решений состоят в следующем:

1. Однополярное питающее напряжение от 3,3 В до 36 В непосредственно от контролиру­емой батареи. Источники опорного напряже­ния, дополнительные питающие напряжения не требуются.
2. Высокая температурная и временная ста­бильность (50 ppm/°С типовая).
3. Опционно дополнительный сигнал управле­ния (с коллектора транзистора V2 для схемы рис.2), позволяющий отключать нагрузку от ба­тареи, тем самым, предотвращая ее недопусти­мо глубокий разряд. Управляющий сигнал может использоваться и для того, чтобы подключать ба­тарею к зарядному устройству только после ее полного разряда для обеспечения полноценных циклов заряд-разряд и т.д.
4. Светодиодный индикатор дает информа­цию о корректной работе системы в целом с уче­том нагрузки батареи.
5. При необходимости гальванической развяз­ки схемы мониторинга со схемой управления вме­сто индикатора может быть подключен оптрон.
6. Простая компоновка на односторонней пе­чатной плате малой площади 28×28 мм для схемы Figur 3 при использовании ИМС в корпусах 8-SOP.
7. Низкая себестоимость.
8. Может использоваться как вставка в акку­муляторную батарею.
9. Гибкость и простота схемотехнического ре­шения.

Achtung! Резистор в цепи катода ИМС TL431 (резистор R5+R4 на Figur 1, резистор R5 на рис.2 и R2+R6, R3+R7 на рис.3) не может быть удален или заменен цепочкой «резистор» – «све­тодиод» или «резистор» – «полупроводниковый переход». Это необходимо для надлежащего функционирования ИМС TL431. В любом случае, к цепочке «резистор» – «светодиод» или «резис­тор» – «полупроводниковый переход» должен быть обязательно подключен параллельно неко­торый катодный резистор (например, R5 в схеме рис.2 или R4+R5 в схеме на Figur 1), обеспечива­ющий обязательный для должного функциониро­вания схем минимальный начальный ток через ИМС не менее 1 мА во включенном состоянии [3]. Необходимо также учитывать, что у разных изго­товителей (например, у Fairchild и Motorola) суф­фиксы, определяющие полные спецификации, тип корпуса и диапазон рабочих температур ИМС TL431, не совпадают. Имеются и аналоги этой ИМС с другими названиями, например, LM431 производства National Semiconductor. У этого производителя есть вариант рассматриваемой микросхемы в удобном малогабаритном корпусе SOT-23, например, LM431BCM3/N1D.

Fachliteratur

1. NP SERIES – NP12-12 Data Sheet Yuasa Battery Sales (UK) Ltd yuasa-battery.co.uk.
2. Vladimir Rentyuk. Shunt regulator monitors battery voltage, EDN Sept 18, 2008, pg58edn.com/article/471845-Shunt_regulator_ monitors_battery_voltage. php.
3. TL431/L431A Programmable Shunt Regu­lator, fairchildsemi.com/ds/TL%2FTL431.pdf.

Autor: Владимир Рентюк, г. Запорожье
Источник: Радиоаматор №9/2016