Пульсирующее зарядно-восстановительное устройство
Владимир Коновалов
При длительной эксплуатации аккумуляторных батарей с несоблюдением правил эарядно-разрядного режима на пластинах возникают крупнокристаллические труднорастворимые кристаллы-дендриды, которые приводят электроды аккумуляторов к преждевременному износу, межэлектродным замыканиям и короблению пластин, ускоренный саморазряд снижает рабочую емкость в первые часы хранения.
Повышенное внутреннее сопротивление, вызванное кристаллизацией, приводит к снижению напряжения аккумулятора при минимальной нагрузке.
Принудительное повышение напряжения заряда при восстановлении аккумулятора приводит к кипению электролита, раннему наступлению процесса электролиза в электролите, повышенной температуре элементов и их возможному механическому разрыву при обильном выделении газа. Заряженные таким методом аккумуляторы не в состоянии долго и качественно работать.
Регенерация пластин пульсирующим током позволяет существенно улучшить техническое состояние элементов аккумуляторов, внутреннее сопротивление после непродолжительного восстановления снижается до рабочего состояния, при рабочей температуре. Кристаллы переходят после восстановления в аморфное состояние металла, устраняются межэлектродные замыкания. Исследования, проведенные в лаборатории "Автоматики и телемеханики" ИОЦТТУ в течение нескольких лет, подтвердили надежность и простоту технологии пульсирующего заряда. Были в кратчайшее время восстановлены и заряжены NiCd аккумуляторы емкостью до 1 А/ч, свинцовые аккумуляторы от 10 до 240 А/ч, аккумуляторы железных дорог до 110 В и мощные аккумуляторы на напряжение в 2,5 В и ток более 2000 А на элемент. Положительное влияние технологии пульсирующего зарядно-восстановительного процесса позволяет продолжить эксплуатацию элементов аккумуляторов с высокими экслуатационньми показателями в течение длительного времени.
Технология зарядки пульсирующим током состоит в проведении зарядно-восстановительных работ импульсом тока, коротким по времени и высоким по амплитуде.
Накладка пульсирующего зарядно-восстановительного тока на небольшой постоянный подзарядный ток существенно улучшает старую технологию зарядки аккумуляторов постоянным током.
Пульсирующее зарядно-восстановительное устройство, описанное в данной статье, разработано для бытовых условий и имеет все положительные качества при низкой цене и небольших габаритах.
Принципиальная схема устройства состоит из генератора прямоугольных импульсов на аналоговом таймере с регулировкой скважности и предварительной установкой напряжения зарядного тока, схема устройства питается от сетевого блока питания на трансформаторе и диодном мосте.
Применение интегрального таймера DA1 в генераторе прямоугольных импульсов позволяет довольно просто добиться приемлемых характеристик с обеспечением стабильной частоты и минимального энергопотребления.
| Характеристика устройства: |
| напряжение сети, В | 220 |
| мощность, Вт | |
| ток зарядного цикла, А | 50 |
| ток подзаряда, А | 1 |
| время цикла заряда, мс | 4,7 |
| время цикла покоя, мс | 10...470 |
| напряжение аккумуляторов, В | 9...24 |
| количество элементов, шт | 6...18 |
| время восстановления, ч | 3...6 |
Временные интервалы импульсов при заряде и разряде конденсатора С1 зависят от емкости конденсатора и сопротивления резисторов R1 и R2. Заряд происходит через резистор R1, а разряд - через резистор R2 и внутренний разрядный транзистор микросхемы DA1. Диод VD2 устраняет возможность непроизвольного разряда конденсатора С1 через цепи нагрузки выхода таймера.
При включении устройства напряжение на конденсаторе С1 равно нулю и по мере зарядки растет, а при достижении напряжения на выводе 2 нижнего компаратора микросхемы DA1 ниже или равном 1/3 напряжения питания (Uп) выход 3-DA1 имеет высокий уровень в течении времени Т1 = 1,1×R1×C1, пока конденсатор не зарядится до напряжения на верхнем компараторе (вывод 6) до величины 2/3Uп.
Зарядка конденсатора С1 в это время происходит с высокого уровня выхода 3 таймера.
При достижении высокого уровня напряжения на конденсаторе С1 (2/3Uп) срабатывает верхний компаратор, выход 3-DA1 переключается в нулевое состояние, в этот момент внутренний разрядный транзистор микросхемы переходит в открытое состояние, и начинается разряд конденсатора С1 со временем Т2 = 0.7×R2×C1, зависящим от сопротивления переменного резистора R2. Поскольку значение резистора R2 в сотню раз больше чем R1, то и интервал времени длиннее во столько же раз. Изменением номинала резистора R2 можно добиться уменьшения времени периода Т2 до величины равной Т1, то есть регулировка временных интервалов происходит изменением скважности D = Т1/Т, где Т = Т1+Т2. [Отношение периода, когда на выходе присутствует напряжение к полному периоду, называется скважностью или рабочим циклом].
Для получения короткого положительного импульса на выходе микросхемы DA1 цепи заряда и разряда времязарядного конденсатора С1 в схеме разделены импульсным диодом VD2.
Напряжение высокого уровня с выхода таймера через индикаторный светодиод НL1 и ограничительный резистор R5 также управляет работой мощного транзисторного ключа VT2 для передачи цикла тока в аккумулятор GB1.
Питание на микросхему подается с параметрического стабилизатора на стабилитроне VD1 и ограничительном резисторе R3.
Вывод 5 в микросхеме таймера позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3Uп, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы, в данном случае для регулирования выходного напряжения при установке аккумуляторов разного типа и напряжения, а также для установки тока подзарядки.
Поскольку напряжение на базе транзистора VT1 изменяется с изменением напряжения на аккумуляторе, то такая отрицательная обратная связь с выхода устройства на управляющий элемент позволяет стабилизировать напряжение заряда и защищает аккумулятор от перезаряда.
Для защиты выходного транзистора от случайных коротких замыканий в цепи нагрузки установлен плавкий предохранитель F1.
Стабилитрон VD4 защищает транзистор VT1 от превышения напряжения на базе.
Состояние работы схемы пульсирующего зарядно-восстановительного устройства индицируется светодиодами:
- HL1 "Заряд" указывает на прохождение прямоугольных импульсов циклического тока,
- HL2 - на возможное перегорание предохранителя,
- HL3 - на правильную полярность подключения клемм аккумулятора в схему.
Магнитоэлектрический прибор PA1 позволяет визуально контролировать величину тока в цепи заряда.
Напряжение постоянного тока на выходе силового блока питания выбрано большой величины, это позволяет увеличить амплитуду тока рабочего цикла, а средний ток заряда не превысит паспортных значений.
Детали
Устройство не содержит дефицитных радиокомпонентов. Постоянные резисторы - типа МЛТ-0,125, переменные - типа СП-29. Конденсаторы - типа КМ и К50-35 (оксидные). Транзистор VT1 - типа КТ815Б или КТ817Б, VT2 - КТ829А с возможной заменой на транзистор с током коллектора не менее 8 А и напряжением коллектор-эмиттер выше 100 В. VT2 необходимо снабдить радиатором размерами 50×60 мм. Диодный мост VD5...VD8 можно составить из диодов типа КД202 или КД213.
Силовой трансформатор Т1 рассчитан на напряжение 22...27 В и номинальный ток более 3А: типа ТПП120-27 В4А или 2×18 В 2×3 А. Все радиодетали, кроме силового трансформатора, амперметра, регулятора тока заряда предохранителя и светодиодов расположены на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита.
Настройка
Регулировки в схеме несложные. При правильной сборке вместо аккумулятора следует установить нагрузку - лампочку от автомобиля на напряжение 12 В и мощность 30...60 Вт. Изменяя положение регуляторов R2 "Ток заряда" и R7 "Установка Uвых", добиться плавного изменения яркости лампочки.
Через непродолжительное время проверить на нагрев силовой транзистор, при температуре выше 60°C установить радиатор большего объема.
Подключить в цепь заряда любой аккумулятор на напряжение 12 В, движок резистора R2 вывести в нижнее положение, а регулятором R7 установить ток подзаряда около 0,3...1 А. Регулятором R2 добавить ток до уровня в 0,05 от емкости аккумулятора. К примеру, для аккумулятора типа 6СТ55 ток подзаряда устанавливается на уровне 0,55 А, а общий ток на уровне 2,75 А.
Время регенерации пластин аккумулятора выбрать 3...5 ч. По окончанию проверить состояние внутреннего сопротивления нагрузочной вилкой; если падение напряжения еще велико, то после перерыва провести дополнительный цикл восстановления пластин аккумулятора.
Восстановление пластин NiCd аккумулятора состоит в очистке электродов от кристаллизации и снятия "эффекта памяти", после чего также провести диагностику подключением разрядной нагрузки и уточнение внутреннего сопротивления по формуле:
R = (Е - U) / I
где Е - напряжение на аккумуляторе без нагрузки, U - под нагрузкой с током I.
Печатная плата (в формате Sprint Layout)
Радиолюбитель №4 2007, стр. 30