Схема зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов приведена на рисунке. В качестве силового трансформатора я обычно использовал сетевые трансформаторы от старых телевизоров, например ТС-180. С катушек трансформатора удаляются все вторичные обмотки, а в качестве первичной на 220 вольт, используются все витки первичной обмотки трансформатора.
Пример.
Трансформатор ТС-180 имеет полное количество витков первичной обмотки W1 = 866 = 375+58+375+58. Чем больше количество витков, тем меньше ток холостого хода трансформатора, тем менее ощутимы последствия бросков напряжения в первичной сети, поэтому я всегда использую максимально-возможное количество витков.
Далее находим количество витков на один вольт W1/220В = 866/220 = 4витка. Для получения 24В во вторичной обмотке трансформатора нам необходимо намотать W2 = 24×4 = 96 витков т.е. по 48 витков на каждой катушке и впоследствии соединить эти катушки синфазно последовательно. При этом диаметр провода вторичной обмотки равен В = 0,7 корней из тока обмотки трансформатора. Так как при однополупериодном выпрямлении во вторичной обмотке присутствует постоянная составляющая, которая дополнительно способствует разогреву трансформатора, то диаметр провода менее двух миллиметров выбирать не стоит. При отсутствии толстого провода, модно намотать каждую катушку по 96 витков и соединить их синфазно параллельно. При этом диаметр провода надо пересчитать.
Для вторичной обмотки мы выбрали провод диаметром 2мм. При этом площадь поперечного сечения его составит S₁ = π∙R² = π∙D²/4 = 3,14мм².
Находим площадь сечения нового провода S₂ = 3,14/2 = 1,57мм².
Вычисляем диаметр этого провода D ≈1,41мм.
Данные на другие сетевые трансформаторы от телевизоров можно узнать здесь
Резистор R2 — автомобильная лампочка на 21Вт. Она выполняет функцию нагрузки для разрядного тока между импульсами зарядного тока. Вместо лампочки можно применить резистор ПЭВ-25 сопротивлением примерно 30 Ом.
Диод в цепи управляющего электрода тиристора можно применить любой от выпрямителя старого телевизора. Переменный резистор — лучше бы проволочный.
Не каждый владелец авто имеет у себя в гараже зарядное устройство для аккумулятора . В этой статье описаны этапы создания своими руками качественного зарядного устройства , в котором можно регулировать выходное напряжение, и работать в нескольких режимах заряда аккумулятора. Схема зарядного устройства весьма проста и надежна.
Каждый начинающий радиолюбитель в состоянии создать такой нужный прибор. В зарядном устройстве используется трансформатор с выходной мощностью 200 – 300 Ватт.
Можно использовать трансформатор от советского лампового телевизора, так как на его сердечнике расположены две одинаковые обмотки рассчитаны на напряжение 6-7 В и силу тока 10 А. Для того, чтобы получить на выходе напряжение 12 – 24 В, необходимое для зарядки аккумуляторной батареи, нужно подключить обмотки последовательно. В электрической схеме изображенной в этой статье, используется трансформатор с мощностью 400 Ватт.
Сетевая обмотка трансформатора имеет сечение провода 0,5 мм и содержит 500 витков. Наматывать витки на сердечник нужно аккуратно, виток к витку. Каждые 100 витков необходимо ставить изоляцию из плотной бумаги. Вторичная обмотка намотана проводом диаметром 1,5-3 мм. 4-5 витков при рабочей частоте 50 Гц обеспечивает питание 1 В.
Таким образом нужно намотать обмотку на 18 В – это примерно 90 витков. С трансформатором мы уже разобрались, пришел черед электронной части зарядного устройства. Диодный мост очень мощный. Диоды, используемые в схеме взяты от генератора автомобиля, их нужно установить на радиатор, и обеспечить охлаждение конструкции. Перегрев диодов категорически не допускается.
Транзистор КТ819 нужно брать в металлическом корпусе. Вместо КТ819 можно использовать КТ814, но только в крайнем случае. Этот элемент электрической схемы также устанавливаем на радиатор. Переменный резистор для схемы подбираем из расчета необходимого сопротивления в 150 Ом и номинальной рабочей мощностью 5 Ватт.
Для таких целей хорошо подойдет тиристор отечественного производства КУ202Н, или же другой аналог. Переменный резистор регулирует нужное выходное напряжение, что позволяет работать устройству в нескольких режимах: быстрая зарядка – 18 В, средняя зарядка – 16 В, умеренная зарядка – 14 В.
Устройство нужно оснастить куллером . Для этих целей отлично подойдет куллер от компьютерного блока питания. Охлаждение трансформатора необходимо, так как витки вторичной обмотки выполнены из алюминия, и в процессе быстрой зарядки аккумулятора могут перегреться. Вентилятор непосредственно подключен к выходу зарядного устройства, его обороты возрастают с установленным напряжением зарядки.
Правильный заряд аккумуляторной батареи является одним из наиболее важных условий, позволяющих обеспечить длительный срок их службы. Важно правильно спроектировать зарядное устройство, чтобы обеспечить оптимальный режим заряда батареи для восстановления номинальной ёмкости, определяющей количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор. Заряд аккумуляторной батареи, как правило, осуществляется в две ступени. На первой ступени рекомендуется заряжать аккумулятор неизменным по значению током IЗ = 0,25САБ. При этом аккумулятор получает основную часть энергии, в пределах 95 %. Зарядка аккумулятора на второй ступени происходит при стабильном напряжении. Этот режим обычно называют режимом подзаряда и используют для компенсации уменьшения емкости аккумулятора, вызванного токами саморазряда.
Зарядное устройство выполнено на базе непосредственного преобразователя постоянного напряжения НПН понижающего типа. Регулирование выходного напряжения в нем осуществляется за счет изменения относительной длительности открытого состояния силового транзистора при использовании широтно-импульсного регулирования. Частота преобразования зарядного устройства fЗУ = 22 кГц.
Исходными данными для расчета зарядного устройства являются входное напряжение, выходное напряжение, ток и характеристики АБ. Используем в качестве питающего выпрямленное напряжение сети. Заряд аккумуляторной батареи может осуществляться только при условии, что напряжение питающей сети находится в допустимом диапазоне.
Для однофазной питающей сети переменного тока с бестрансформаторным входом для СГЭП выберем мостовую схему выпрямителя с индуктивно-ёмкостным фильтром . При учете диапазона изменения напряжения питающей сети (отклонение вниз от номинала на 10%) значение напряжения на выходе входного фильтра не превышает UВХmin = 1,41Uсmin = 1,41·99 = 139 В даже на холостом ходу (конденсатор входного фильтра заряжен до напряжения, равного амплитуде напряжения питающей сети). В рабочем режиме UВХmin будет еще ниже на величину падения напряжения на диодах выпрямителя. Так как вход выпрямителя бестрансформаторный, коммутационными потерями можно пренебречь и величину выпрямленного напряжения можно считать по соотношениям для идеального выпрямителя.
Наибольшее значение напряжения на выходе фильтра определится из выражения (холостой ход - конденсатор фильтра заряжен до амплитуды входного напряжения):
Выходные параметры зарядного устройства определяются параметрами АБ. Выходное напряжение зарядного устройства для заряда АБ типа FG20721 c номинальным напряжением UАБ = 12·3 = 36 В и емкостью САБ = 6,5 Ач, работающей в цикличном режиме, определяется по выражению:
где 2,45 В - максимальное напряжение на элементе АБ;
m = 6 - количество элементов в секции;
n = 3 - количество секций в батарее.
Для выбора величины тока заряда АБ необходимо знать не только емкость АБ, но и интервалы времени между аварийными режимами (время, предоставленное для восстановления необходимой емкости АБ). Статистические данные выхода напряжения сети переменного тока за допустимые пределы - 1-2 раза в сутки. В этом случае для восстановления емкости АБ зарядный ток можно выбрать равным 0,2 САБ = 1,3А.
Для расчета параметров и выбора элементов силовой цепи зарядного устройства необходимо определить диапазон изменения относительной длительности открытого состояния транзистора зарядного устройства:
Для выбора величины индуктивности дросселя, кроме величины гmin, необходимо определиться с амплитудой пульсаций зарядного тока. Так как АБ не предъявляет особых требований к форме зарядного тока, то выберем величину пульсаций произвольно - допустим 10%.
Определим величину индуктивности по выражению:
Соединим параллельно три дросселя Д17-2 с параметрами: L = 2 мГн; Iподм = 6,3 А; Rобм = 0,3 Ом при последовательном соединении двух обмоток дросселя.
Т.к. АБ в СГЭП подключена постоянно, то выходной конденсатор ЗУ применяется для подавления высокочастотных помех. Выбираем конденсатор С10 - К73-17 - 100В - 1 мкФ±5%.
Рассчитаем параметры силового транзистора зарядного устройства. Максимальное напряжение, прикладываемое к силовому транзистору VT1 в закрытом состоянии определяется наибольшим выпрямленным напряжением:
Ток, протекающий через транзистор, равен току заряда:
Выбираем MOSFET-транзистор VT1 - IRF624 фирмы International Rectifier с параметрами: UСИmax = 250 В; IСmax = 4,4 А; RСИ = 1,1 Ом, tВКЛ = 20 нс, tВЫКЛ = 32 нс.
Статические потери в транзисторе:
Используя линейную аппроксимацию временной зависимости тока и напряжения в режиме переключения транзистора, определим динамические потери в нем по выражению:
Суммарные потери мощности на транзисторе:
не требуют установки транзистора на радиатор.
Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду VD4 определяется наибольшим выпрямленным напряжением:
Среднее значение тока, протекающего по диоду, равно:
Выбираем диод VD4 - MUR240 фирмы ON Semiconductor, имеющий характеристики: UОБРmax = 400 В; IПР = 2 А; IИМП = 25 А; UПР = 1,05 В; tВОССТ = 65 нс.
Для ограничения сквозного тока, протекающего через диод при включении транзистора за время восстановления запирающих свойств диода, устанавливают балластный (ограничительный) дроссель L5, индуктивность которого определяют по выражению:
Выбираем дроссель Д13-3 с параметрами: L = 5 мкГн; Iподм = 4 А; Rобм = 0,015 Ом при последовательном соединении двух обмоток дросселя.
Сопряжение цепи управления силовым ключом зарядного устройства с выходом схемы управления (микроконтроллером) требует обеспечения гальванической развязки и согласования управляющего сигнала по мощности. Для этого воспользуемся микросхемой драйвера нижнего уровня с ограничением тока DA1 - IR2121 фирмы International Rectifier и трансформатором TV1. Основные параметры драйвера приведены в таблице 2.1 .
Выберем фильтрующие конденсаторы по цепи питания микросхемы драйвера C1, C2 - К10-79 - 25В - 1 мкФ±20% Н30.
Конденсатор C5 необходим для создания напряжения разной полярности на трансформаторе драйвера TV1:
Выбираем конденсатор C5 - К10-79 - 25В - 2 мкФ±5%.
Таблица 2.1 - Основные параметры драйвера IR2121
|
Параметр |
Значение |
|
150 нс / 150 нс |
|
Рассчитаем трансформатор драйвера TV1. Для данного трансформатора выберем тип конструкции - тороид, магнитный материал сердечника - прессованный ферроматериал марки 2000НМ.
Коэффициент трансформации k = 1.
Средние значения напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора U1 = U2 = 12 В.
Наибольшее среднее значение тока в первичной обмотке I1 = I2 = IД гmax = 0,5 А.
Рассчитаем габаритную мощность трансформатора:
По известным токам и напряжениям обмоток и габаритной мощности трансформатора выбирается сердечник и определяются параметры обмоток, при этом число витков первичной обмотки рассчитывается исходя из наибольшего напряжения, прикладываемого к ней, чтобы исключить режим насыщения (замагничивания) сердечника трансформатора.
где SО - площадь окна сердечника магнитопровода [см2];
SС - поперечное сечение сердечника [см2];
kф - коэффициент формы напряжения (для прямоугольного сигнала - kф = 1);
kс - коэффициент заполнения сердечника сталью (для трансформаторов, выполненных на сердечниках из прессованных ферроматериалов kс = 1);
д - плотность тока в обмотках трансформатора (среднее значение для многовитковых трансформаторов равно 2,5 А/мм2);
у - коэффициент заполнения окна сердечника медью (для проводов круглого сечения в пределах от 0,2 до 0,35), примем у = 0,3;
Bм - индукция в магнитопроводе (для трансформаторов, выполненных на сердечниках из прессованных ферроматериалов индукция не превышает 0,2 Тл).
Выбираем сердечник из стандартного ряда магнитопроводов К16х8х6, имеющий SОSС = 0,12 см4, SО = 0,501 см2, SС = 0,24 см2.
Число витков в обмотках трансформаторов:
Диаметры проводов обмоток:
выбираем по одному проводу для каждой обмотки ПЭВ-1 с диаметром провода без изоляции равным 0,51 мм (диаметр провода с изоляцией равен 0,56 мм).
Диод VD2 служит для предотвращения появления на выходе микросхемы драйвера выбросов выходного напряжения ниже уровня земли во время процесса выключения. Максимальное обратное напряжение на диоде UОБРmax = 12 В, максимальный средний ток диода равен IVDmax = 0,5 А. Выбираем диод VD2 - КД289А с параметрами: UОБРmax = 25 В; IVDmax = 1 А; fmax = 100 кГц.
Конденсатор C6, а также диод VD3 необходимы для восстановления формы и амплитуды управляющих сигналов с драйвера после трансформатора TV1. Конденсатор C6 = C5 = 2 мкФ.
Максимальное обратное напряжение на диоде VD3 UОБРmax = 12 В, максимальный средний ток диода равен IVDmax = 0,5 А.Выбираем диод VD3 - КД289А (UОБРmax = 25 В; IVDmax = 1 А; fmax = 100 кГц).
Резистор в цепи затвора необходим для ограничения тока управления силовым транзистором ЗУ. Примем максимальное значение тока затвора транзистора IЗmax = 1 А. Рассчитаем сопротивление ограничивающего резистора:
Мощность, рассеиваемая на резисторе:
Выбираем резистор R3 - С2-33 - 0,125 - 12 Ом ±5%.
Неоднократно автолюбитель сталкивался с проблемой зарядки свинцового аккумулятора автомобиля. С учетом типа и емкости стартерных аккумуляторов (45-120 Ампер/часов) нужно подобрать довольно мощное зарядное устройство, которое может долговременно обеспечивать зарядный ток.
Зарядный ток кислотного аккумулятора должен составлять десятую часть емкости самого аккумулятора, иными словами, если аккумулятор на 60 Ампер/часов, то зарядное устройство должно заряжать его током 6 Ампер. Такой ток получить довольно сложно, если задействовать сетевой трансформатор.
Давайте сделаем небольшой подсчет. Напряжение зарядного устройства составляет 14-14.4 Вольт, с учетом тока 6 ампер, вам будет нужен трансформатор с примерной мощностью 14.5х6 ватт, с учетом потерь в узла управления, трансформаторе и диодах транс должен быть как минимум на 100 ватт и это только для аккумуляторов не более 60 Ампер.
Для строения универсального зарядного устройства трансформаторы нужны ватт на 150-200 ватт.
Сетевой трансформатор на такую мощность найти можно, но опять же – рулят импульсные схемы из-за низкой стоимости, малых размеров, легкого веса и это еще не все.
Хотя и свинцовые аккумуляторы малочувствительны к параметрам зарядного устройства, но желательно иметь стабилизированное зарядное устройство. Если к примеру собрать зарядку для аккумулятора на основе сетевого трансформатора, добавить к нему диодный выпрямитель (который будет недурно нагреваться в ходе работы) далее собрать узел регулировки тока заряда и добавить напоследок стабилизацию, то мы получим как минимум 20% потерь на тепло. Те же функции можно без проблем реализовать с импульсными блоками питания, но уже с минимальными потерями.
LED драйверы для светодиодных лент сегодня довольно популярны. В продаже можно встретить такие блоки буквально любой мощности – от пару десятков ватт до 1киловатт. Эти блоки удобны тем, что выдают на выходе стабилизированное напряжение, которое можно регулировать в пределах 9-14,5 Вольт – то, что нам нужно. В моем варианте для обзора был куплен блок питания с током 15 Ампер, заявленная производителем мощность составляет 180 ватт. Все, что нам нужно, это сетевой шнур, амперметр с током 10-15 Ампер (цифровой или стрелочный, можно и простой мультиметр в режиме амперметра)
Подключаем сетевой шнут к соответствующим контактным клеммам блока питания, подключаем БП в сеть 220 Вольт. Дальше должен гореть зеленый светодиод, что свидетельствует о наличии выходного напряжения бп.
Далее последовательным образом подключаем в разрыв плюсовой шины наш амперметр, минус с блока питания напрямую подключается к минусу аккумулятора. Этим процесс завершен. Ток по сути зависит от напряжения заряда, а напряжение мы можем выставит с помощью переменника, который имеется на плате блока питания.
Несколько слов о конструкции драйвера (блока питания) светодиодных лент.
Такие драйверы для светодиодных лент выпускаются в алюминиевых корпусах, со всеми удобствами, следовательно, в дополнительном корпусе нет нужды. Все активные компоненты укреплены на теплоотвод, в роль которого играет корпус блока питания.
Схема схожа с компьютерным блоком питания – тот же полумостовой понижающий иип построенный на ШИМ контроллере ТЛ494. В качестве силовых ключей задействованы мощные высоковольтные биполяшки серии MJE13009.
Спереди размещена контактная площадка с клеммами входа сетевого питания и выходных шин 12 Вольт.
Рядом с контактами имеется небольшой регулятор, которым можно выставить выходное напряжение в пределах 9-14.5 Вольт.
На плате бп также реализован довольно хороший сетевой фильтр, встроенный на плату предохранитель и разрядная цепь для мощных конденсаторов полумоста. Параллельно вторичной и первичной обмотке можно увидеть цепи снаббера.
Регулировка выходного напряжения осуществляется микросхемой ТЛ431 – довольно часто применяют в импульсных источниках питания.
При желании заменой одного резистора в обвязке TL431 можно поднять выходное напряжение блока питания до 22-х Вольт, но в таком случае нужно заменить выходные электролиты, которые рассчитаны на 25 Вольт.
Сетевой фильтр на входе питания состоит из дросселя с двумя независимыми обмотками. Перед и после дросселя стоят пленки 0,1мкФ. Параллельно этим конденсаторам стоят разряжающие резисторы на пару сотен килоом, для разрядки конденсаторов после отключения бп.
Также в цепи сетевого питания стоит варистор, который предназначен для снижения пускового тока блока, в момент подачи сетевого напряжения.
Также в блоке питания предусмотрено заземление.
Рассчитывать трансформатор меня научили еще в профессиональном училище в 1972году.Расчет приблизительный, но его вполне достаточно для практических конструкций радиолюбителей. Все результаты расчета округляются в ту сторону, при которой обеспечивается наибольшая надежность. И так начнем. Вам например нужен трансформатор на 12В и ток 1А т.е. на мощность Р2 = 12В х 1А = 12ВА. Это мощность вторичной обмотки. Если обмоток не одна, то общая мощность равна сумме мощностей всех вторичных обмоток.
Так как КПД трансформатора примерно 85%, то мощность забираемая от первичной сети первичной обмоткой будет в 1,2раза больше мощности вторичных обмоток и равна Р1 = 1,2 х Р2 = 14,4ВА. Далее, исходя из полученной мощности можно примерно прикинуть, какой нужен сердечник.
Sс=1,3√Р1, где Sс — площадь сечения сердечника, Р1 — мощность первичной обмотки.Данная формула справедлива для сердечников с Ш-образными пластинами и с обычным окном т.к. не учитывает площади последнего. От величины, которой в той же степени, что и от площади сердечника, зависит мощность трансформатора.
Для сердечников с уширенным окном этой формулой пользоваться нельзя. Так же в формулах заложена частота первичной сети 50Гц. Итак мы получили:Sс = 1,3 х √14,4 = 4,93см. Примерно 5 квадратных сантиметров. Можно конечно взять сердечник и побольше, что обеспечит бо"льшую надежность. Зная площадь сечения сердечника можно определить число витков на один вольт. W1вольт = 50/Sс это для нашего случая значит, чтобы получить на выходе трансформатора 12 вольт нам надо намотать W2 = U2 х 50/Sс= 12 х 50/5= 120 витков. Естественно количество витков первичной обмотки будет равно W1вольт х 220 вольт. Получаем 2200 витков.
D2 = 0,7 х √I2 ; где I2 — ток вторичной обмотки в амперах.
D2 = 0,7 х √1 = 0,7 мм.
Для определения диаметра провода первичной обмотки находим ток через её протекающий. I1 = Р1/U1 = 0,065А.
D1 = 0,7 х √0,065 = 0,18 мм.
Вот и весь расчет. Главным недостатком его является то, что нет возможности определить уберутся ли обмотки в окне сердечника, в остальном все в порядке.
И еще чуть-чуть. От коэффициента «50» в формуле расчета количества витков на один вольт зависит общее количество витков обмоток, в конкретном случае, чем больше вы выбираете этот коэффициент, тем больше витков в первичной обмотке, тем меньше ток покоя трансформатора, тем меньше его разогрев, тем меньше внешнее магнитное поле рассеяния, тем меньше наводок на монтаж радиоаппаратуры. Это очень актуально, когда вы занимаетесь аналоговыми системами. Однажды, давным-давно, когда ревербераторы были еще магнитофонными, ко мне обратились друзья одного из ВИА. У ревербератора, который они приобрели был повышенный фон переменного напряжения и довольно сильный. Увеличение емкости электролитических конденсаторов в фильтре блока питания ни к чему не привело. Пробовал экранировать платы — ноль. Когда открутил транс и стал менять его расположение относительно монтажа, стало ясно, что причиной фона является его магнитное поле рассеяния. И вот тогда я и вспомнил про этот «50». Разобрал тр-р. Определил, что для расчета количества витков использовался коэффициент 38. Пересчитал тр-р с коэфф. равным 50, домотал к обмоткам необходимое число витков(благо место позволяло) и фон пропал. Так что, если вы занимаетесь УНЧ аппаратурой и тем более имеющей чувствительные входа, то советую выбирать этот коэффициент вплоть до 60.
И еще чуть-чуть. Это уже о надежности. Допустим, что вы имеете трансформатор с числом витков первичной обмотки на 220В для коэффициента равного 38, а я намотал число витков для коэффициента 55. Т.е. мое количество витков будет больше вашего примерно в полтора раза, значит и перегрузка сети в 220 х 1,45 = 318 вольт будет ему «по плечу». При увеличении этого коэффициента уменьшается напряжение между соседними витками и между слоями обмотки, a это уменьшает вероятность межвитковых и междуслоевых пробоев. Между тем его увеличение ведет к увеличению активного сопротивления обмоток, увеличению затрат на медь. Так что все должно быть в разумных пределах. Для расчета трансформаторов написано уже много программ и анализируя их, приходишь к выводу, что многие авторы выбирают минимальный коэффициент. Если у Вашего трансформатора, есть место для увеличения количества витков, обязательно увеличьте. До свидания. К.В.Ю.
