Зарядное устройство для автомобильного аккумулятора на TL494. Три простые схемы регулятора тока для зарядных устройств Зарядное устройство на шим регуляторе схема

Кто не сталкивался в своей практике с необходимостью зарядки батареи и, разочаровавшись в отсутствии зарядного устройства с необходимыми параметрами, вынужден был приобретать новое ЗУ в магазине, либо собирать вновь нужную схему?
Вот и мне неоднократно приходилось решать проблему зарядки различных аккумуляторных батарей, когда под рукой не оказывалось подходящего ЗУ. Приходилось на скорую руку собирать что-то простое, применительно к конкретному аккумулятору.

Ситуация была терпимой до того момента, пока не появилась необходимость в массовой подготовке и, соответственно, зарядке батарей. Понадобилось изготовить несколько универсальных ЗУ - недорогих, работающих в широком диапазоне входных и выходных напряжений и зарядных токов.

Предлагаемые ниже схемы ЗУ были разработаны для зарядки литий-ионных аккумуляторов, но существует возможность зарядки и других типов аккумуляторов и составных батарей (с применением однотипных элементов, далее - АБ).

Все представленные схемы имеют следующие основные параметры:
входное напряжение 15-24 В;
ток заряда (регулируемый) до 4 А;
выходное напряжение (регулируемое) 0,7 - 18 В (при Uвх=19В).

Все схемы были ориентированы на работу с блоками питания от ноутбуков либо на работу с другими БП с выходными напряжениями постоянного тока от 15 до 24 Вольт и построены на широко распространенных компонентах, которые присутствуют на платах старых компьютерных БП, БП прочих устройств, ноутбуков и пр.

Схема ЗУ № 1 (TL494)

На инверсный вход (вывод 2) этого же усилителя ошибки подается регулируемое посредством переменного резистора PR1, напряжение сравнения с встроенного в микросхему источника опорного напряжения (ИОН - вывод 14), меняющего разность потенциалов между входами усилителя ошибки.
Как только величина напряжения на R10 превысит значение напряжения (установленного переменным резистором PR1) на выводе 2 микросхемы TL494, зарядный импульс тока будет прерван и возобновлен вновь лишь при следующем такте импульсной последовательности, вырабатываемой генератором микросхемы.
Регулируя таким образом ширину импульсов на затворе транзистора VT2, управляем током зарядки АБ.

Транзистор VT1, включенный параллельно затвору мощного ключа, обеспечивает необходимую скорость разрядки затворной емкости последнего, предотвращая «плавное» запирание VT2. При этом амплитуда выходного напряжения при отсутствии АБ (или прочей нагрузки) практически равна входному напряжению питания.

При активной нагрузке выходное напряжение будет определяться током через нагрузку (её сопротивлением), что позволит использовать эту схему в качестве драйвера тока.

При заряде АБ напряжение на выходе ключа (а, значит, и на самой АБ) в течении времени будет стремиться в росте к величине, определяемой входным напряжением (теоретически) и этого, конечно, допустить нельзя, зная, что величина напряжения заряжаемого литиевого аккумулятора должна быть ограничена на уровне 4,1 В (4,2 В). Поэтому в ЗУ применена схема порогового устройства, представляющего из себя триггер Шмитта (здесь и далее - ТШ) на ОУ КР140УД608 (IC1) или на любом другом ОУ.

При достижении необходимого значения напряжения на АБ, при котором потенциалы на прямом и инверсном входах (выводы 3, 2 - соответственно) IC1 сравняются, на выходе ОУ появится высокий логический уровень (практически равный входному напряжению), заставив зажечься светодиод индикации окончания зарядки HL2 и светодиод оптрона VH1 который откроет собственный транзистор, блокирующий подачу импульсов на выход U1. Ключ на VT2 закроется, заряд АБ прекратится.

По окончании заряда АБ он начнет разряжаться через встроенный в VT2 обратный диод, который окажется прямовключенным по отношению к АБ и ток разряда составит приблизительно 15-25 мА с учетом разряда кроме того через элементы схемы ТШ. Если это обстоятельство кому-то покажется критичным, в разрыв между стоком и отрицательным выводом АБ следует поставить мощный диод (лучше с малым прямым падением напряжения).

Гистерезис ТШ в этом варианте ЗУ выбран таким, что заряд вновь начнется при понижении величины напряжения на АБ до 3,9 В.

Это ЗУ можно использовать и для заряда последовательно соединенных литиевых (и не только) АБ. Достаточно откалибровать с помощью переменного резистора PR3 необходимый порог срабатывания.
Так, например, ЗУ, собранный по схеме 1, функционирует с трехсекционной последовательной АБ от ноутбука, состоящей из сдвоенных элементов, которая была смонтирована взамен никель-кадмиевой АБ шуруповерта.
БП от ноутбука (19В/4,7А) подключен к ЗУ, собранному в штатном корпусе ЗУ шуруповерта взамен оригинальной схемы. Зарядный ток «новой» АБ составляет 2 А. При этом транзистор VT2, работая без радиатора нагревается до температуры 40-42 С в максимуме.
ЗУ отключается, естественно, при достижении напряжения на АБ=12,3В.

Гистерезис ТШ при изменении порога срабатывания остается прежним в ПРОЦЕНТНОМ отношении. Т.е., если при напряжении отключения 4,1 В, повторное включение ЗУ происходило при снижении напряжения 3,9 В, то в данном случае повторное включение ЗУ происходит при снижении напряжения на АБ до 11,7 В. Но при необходимости глубину гистерезиса можно изменить.

Калибровка порога и гистерезиса зарядного устройства

Настройка токового режима еще проще.
1. Отключаем пороговое устройство любыми доступными (но безопасными) способами: например, «посадив» движок PR3 на общий провод устройства или «закорачивая» светодиод оптрона.
2. Вместо АБ подключаем к выходу ЗУ нагрузку в виде 12-вольтовой лампочки (например, я использовал для настройки пару 12V ламп на 20 Вт).
3. Амперметр включаем в разрыв любого из проводов питания на входе ЗУ.
4. Устанавливаем на минимум движок PR1 (максимально влево по схеме).
5. Включаем ЗУ. Плавно вращаем ручку регулировки PR1 в сторону роста тока до получения необходимого значения.
Можете попробовать поменять сопротивление нагрузки в сторону меньших значений ее сопротивления, присоединив параллельно, скажем, ещё одну такую же лампу или даже «закоротить» выход ЗУ. Ток при этом не должен измениться значительно.

В процессе испытаний устройства выяснилось, что частоты в диапазоне 100-700 Гц оказались оптимальными для этой схемы при условии использования IRF3205, IRF3710 (минимальный нагрев). Так как TL494 используется неполно в этой схеме, свободный усилитель ошибки микросхемы можно использовать, например, для работы с датчиком температуры.

Следует иметь в виду и то, что при неправильной компоновке даже правильно собранное импульсное устройство будет работать некорректно. Поэтому не следует пренебрегать опытом сборки силовых импульсных устройств, описанном в литературе неоднократно, а именно: все одноименные «силовые» соединения следует располагать на кратчайшем расстоянии относительно друг друга (в идеале - в одной точке). Так, например, точки соединения такие, как коллектор VT1, выводы резисторов R6, R10 (точки соединения с общим проводом схемы), вывод 7 U1 - следует объединить практически в одной точке либо посредством прямого короткого и широкого проводника (шины). То же касается и стока VT2, вывод которого следует «повесить» непосредственно на клемму "-" АБ. Выводы IC1 также должны находиться в непосредственной «электрической» близости к клеммам АБ.

Схема ЗУ № 2 (TL494)

Как видно, для быстрой смены токового режима и работы с разным количеством последовательно соединенных элементов, введены фиксированные настройки с подстроечными резисторами PR1-PR3 (установка тока), PR5-PR7 (установка порога окончания зарядки для разного количества элементов) и переключателей SA1 (выбор тока зарядки) и SA2 (выбор количества заряжаемых элементов АБ).
Переключатели имеют по два направления, где вторые их секции переключают светодиоды индикации выбора режима.

Ещё одно отличие от предыдущего устройства - использование второго усилителя ошибки TL494 в качестве порогового элемента (включенного по схеме ТШ), определяющего окончание зарядки АБ.

Ну, и, конечно, в качестве ключа использован транзистор р-проводимости, что упростило полное использование TL494 без применения дополнительных компонентов.

Методика настройки порогов окончания зарядки и токовых режимов такая же , как и для настройки предыдущей версии ЗУ. Разумеется, для разного количества элементов, порог срабатывания будет меняться кратно.

При испытании этой схемы был замечен более сильный нагрев ключа на транзисторе VT2 (при макетировании использую транзисторы без радиатора). По этой причине следует использовать другой транзистор (которого у меня просто не оказалось) соответствующей проводимости, но с лучшими токовыми параметрами и меньшим сопротивлением открытого канала, либо удвоить количество указанных в схеме транзисторов, включив их параллельно с раздельными затворными резисторами.

Использование указанных транзисторов (в «одиночном» варианте) не критично в большинстве случаев, но в данном случае размещение компонентов устройства планируется в малогабаритном корпусе с использованием радиаторов малого размера или вовсе без радиаторов.

Схема ЗУ № 3 (TL494)

Схема ЗУ № 3а (TL494)

Схема ЗУ № 4 (TL494)

Такой модуль всегда пригодится для стендовых испытаний как АБ, так и прочих устройств. Имеет смысл использование встроенных приборов (вольтметр, амперметр). Формулы расчета накопительных и помеховых дросселей описаны в литературе. Скажу лишь, что использовал готовые различные дроссели (с диапазоном указанных индуктивностей) при испытаниях, экспериментируя с частотой ШИМ от 20 до 90 кГц. Особой разницы в работе регулятора (в диапазоне выходных напряжений 2-18 В и токов 0-4 А) не заметил: незначительные изменения в нагреве ключа (без радиатора) меня вполне устраивали. КПД, однако, выше при использовании меньших индуктивностей.
Лучше всего регулятор работал с двумя последовательно соединенными дросселями 22 мкГн в квадратных броневых сердечниках от преобразователей, интегрированных в материнские платы ноутбуков.

Схема ЗУ № 5 (MC34063)

Схема ЗУ № 6 (UC3843)

В схемах 5 и 6, при экспериментах использовались те же наборы компонентов (включая дроссели). По результатам испытаний все перечисленные схемы мало в чем уступают друг другу в заявленном диапазоне параметров (частота/ток/напряжение). Поэтому схема с меньшим количеством компонентов предпочтительнее для повторения.

Схема ЗУ № 7 (TL494)

Применено реле для коммутации батареи из режима «заряд» в режим «нагрузка».

Работа с ЗУ аналогична работе с предыдущими устройствами. Калибровка осуществляется переводом тумблера в режим «калибровка». При этом контакт тумблера S1 подключает пороговое устройство и вольтметр к выходу интегрального регулятора IC2. Выставив необходимое напряжение для предстоящей зарядки конкретной АБ на выходе IC2, с помощью PR3 (плавно вращая) добиваются зажигания светодиода HL2 и, соответственно, срабатывания реле К1. Уменьшая напряжение на выходе IC2, добиваются гашения HL2. В обоих случаях контроль осуществляется встроенным вольтметром. После установки параметров срабатывания ПУ, тумблер переводится в режим заряда.

Схема № 8

Конструкция зарядного устройства

Сконструировал несколько, различных по функционалу и элементной базе, цифровых измерителей длительности импульсов.

Более 30-ти рацпредложений по модернизации узлов различного профильного оборудования, в т.ч. - электропитающего. С давних пор все больше занимаюсь силовой автоматикой и электроникой.

Почему я здесь? Да потому, что здесь все - такие же, как я. Здесь много для меня интересного, поскольку я не силен в аудио-технике, а хотелось бы иметь больший опыт именно в этом направлении.

Читательское голосование

Статью одобрили 77 читателей.

Регулировка оборотов электродвигателей в современной электронной технике достигается не изменением питающего напряжения, как это делалось раньше, а подачей на электромотор импульсов тока, разной длительности. Для этих целей и служат, ставшие в последнее время очень популярными - ШИМ (широтно-импульсно модулируемые ) регуляторы. Схема универсальная - она же и регулятор оборотов мотора, и яркости ламп, и силы тока в зарядном устройстве.

Схема ШИМ регулятора

Указанная схема отлично работает, прилагается.

Без переделки схемы напряжение можно поднимать до 16 вольт. Транзистор ставить в зависимости от мощности нагрузки.

Можно собрать ШИМ регулятор и по такой электрической схеме, с обычным биполярным транзистором:

А при необходимости, вместо составного транзистора КТ827 поставить полевой IRFZ44N, с резистором R1 - 47к. Полевик без радиатора, при нагрузке до 7 ампер, не греется.

Работа ШИМ регулятора

Таймер на микросхеме NE555 следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR. Как только оно достигнет максимума - открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS на землю. При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю - система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт. Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь.

Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R2->верхнее плечо R1 ->D2«, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS. Когда вращаем переменный резистор R1, у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе. Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1. Меняя отношение сопротивлений заряда/разряда - меняем скважность. Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором. Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень.

Диоды можно ставить любые, конденсаторы примерно такого номинала, как на схеме. Отклонения в пределах одного порядка не влияют существенно на работу устройства. На 4.7 нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно.

Если после сборки схемы греется ключевой управляющий транзистор, то скорее всего он полностью не открывается. То есть на транзисторе большое падение напряжения (он частично открыт) и через него течет ток. В результате рассеивается большая мощность, на нагрев. Желательно схему параллелить по выходу конденсаторами большой емкости, иначе будет петь и плохо регулировать. Чтобы не свистел - подбирайте С1, свист часто идет от него. В общем область применения очень широкая, особенно перспективным будет её использование в качестве регулятора яркости мощных светодиодных ламп, LED лент и прожекторов, но про это в следующий раз. Статья написана при поддержке ear, ur5rnp, stalker68.

Контроллер в первом приближении можно сравнить с вентилем водопроводного крана. Он регулирует ток заряда аккумуляторных батарей от фотоэлектрических модулей

Автономная система электроснабжения, имеющая в своем составе аккумуляторные батареи, должна содержать в себе контроллер заряда и разряда аккумуляторов. Если аккумулятор разряжен до критической отметки выше 50% то срок его службы резко сокращается. Если аккумулятор заряжен, но через него продолжает протекать зарядный ток, то это может привести в закипанию электролита, газовыделению или к вспучиванию герметичных аккумуляторных батарей.

Поэтому в систему автономного электроснабжения вводятся устройства, которые отключают нагрузку от аккумуляторных батарей если они недопустимо разряжены, а также отключают источник энергии (фотоэлектрическую батарею, генератор) если аккумуляторы заряжены. Контроллеры заряда отличаются по алгоритму заряда на последней стадии заряда при достижении напряжения зараженного аккумулятора.

Простейшие контроллеры просто отключают источник энергии (солнечную батарею) при достижении напряжения на аккумуляторной батарее примерно 14,4 В (для АБ номинальным напряжением 12В). При снижении напряжения на АБ до примерно 12,5-13 В снова подключается солнечная батарея и заряд возобновляется. При этом максимальный уровень заряженности АБ при этом составляет 60-70%. При регулярном недозаряде происходит резкое сокращение срока службы АБ.

ШИМ-заряд

На нашем сайте представлены более продвинутые контроллеры американской компании Morningstar которые на завершающей стадии заряда используют так называемую широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) тока заряда или английская аббревиатура PWM (Pulse Width Modulation). При этом возможен заряд АБ до 100%. Вкратце стадии заряда АКБ можно описать так

АКБ получает весь ток, поступающий от солнечных модулей. С течением времени напряжение на АКБ возрастает.

ШИМ-заряд. По мере заряда АКБ (возрастанию напряжения) ток уменьшается. Контроллер начинает поддерживать постоянное напряжение за счет широкоимпульсной модуляции тока заряда. Это предотвращает перегрев батареи.

Поддерживающий заряд. Когда АКБ полностью заряжена напряжение уменьшается. Батарея поддерживается в заряженном состоянии.

Функция МРРТ

В контроллерах последнего поколения появилась очень ценная функция – поиск точки максимальной мощности (Maximal Power Point Tracking, MPPT). Этой функцией обладают контроллеры MorningStar TriStar MRRT. Суть ее заключается в том, чтобы вырабатываемая солнечными батареями электроэнергия максимально использовалась в нагрузке (разумеется, если это не приведет к отклонению от заданных норм эксплуатации аккумуляторов). Солнечная батарея имеет вольт-амперную характеристику, изображенную на рисунке.

Крайними точками на ней являются точка напряжения холостого хода (I=0), отражающая ЭДС батареи, и точка тока короткого замыкания. Солнечные батареи не боятся коротких замыканий, так что измерить ток короткого замыкания можно, просто подключив амперметр к клеммам батареи. При этом вся вырабатываемая энергия будет выделяться на самой батарее в виде тепла. То же самое происходит, если к батарее вообще не подключена нагрузка. При подключении к батарее нагрузки, часть энергии будет выделяться на ней. При уменьшении сопротивления нагрузки, напряжение будет падать, сначала слабо, а ток возрастать. Соответственно, будет возрастать и отдаваемая нагрузке мощность. В некоторой точке «С» мощность, выделяемая на нагрузке, достигает своего максимума, после чего, при дальнейшем уменьшении сопротивления, напряжение на нагрузке начинает резко падать, а вместе с ним и выделяемая мощность.

Точка «С» называется точкой максимальной мощности. Значение напряжения и силы тока в ней зависят от нескольких параметров. Это паспортная мощность батареи, яркость источника света, угол падения лучей, температура батареи. Все перечисленные параметры, кроме первого, постоянно изменяются во времени, что приводит к соответствующему изменению графика и положения точки «С» на нем. Соответственно, чтобы вырабатываемая энергия в процессе эксплуатации батареи максимально отдавалась нагрузке, необходимо, чтобы сопротивление нагрузки определенным образом изменялось, подстраиваясь под текущие параметры солнечной батареи. В процессе заряда, аккумулятор в определенном смысле является сопротивлением нагрузки. Величина его внутреннего сопротивления также зависит от некоторых параметров, главным образом от степени заряда, от которой также зависит и ЭДС аккумулятора. Если к клеммам солнечной батареи напрямую подключить аккумулятор, то по цепи потечет ток.

Напряжение этого в цепи зависит от нескольких параметров и в общем случае не совпадает с напряжением в точке «С». Следовательно, вырабатываемая энергия будет не полностью отдаваться в нагрузку. Устанавливаемый между солнечной батареей и аккумулятором контроллер с функцией MPPT трансформирует параметры поступаемого с нее тока таким образом, чтобы напряжение на солнечной батарее всегда соответствовало напряжению максимальной мощности. Испытания показали, что использование MPPT контроллера повышает эффективность солнечных батарей на 20-25%, особенно в пасмурную погоду.

Регулятор мощности – ШИМ, является неотъемлемой частью блока питания любого вида. Схема, которая представлена ниже, дает возможность регулировать напряжение всего блока от одного Вольта до граничной точки.

Однако пограничное напряжение не должно превышать максимально допустимого значения для данного блока питания.

Использовать подобный регулятор можно в зарядном устройстве импульсного типа, который стоит в автомобильных аккумуляторах. Схема позволяет управлять широким диапазоном мощных нагрузок, ее можно использовать для процесса регулировки оборотов двигателя электрического типа, а также в качестве средства для регулирования яркости автомобильных фар, имеющих галогенные или светодиодные лампы.

Область применения регулятора зависит от нужд, которые есть у вас и вашей фантазии, что делает диапазон его применения довольно широким.

Если планируется подключение нагрузок малой мощности, то можно полевой транзистор использовать биполярного типа, выбор его не критичен. Однако, если планируется управление нагрузками большой мощности, то необходимо произвести замену транзистора на тот, который имеет большую мощность. Несмотря на это подобрать транзистор довольно просто, так как их выбор широк.

Переменный резистор позволяет регулировать значение напряжение уже на выходе схемы. Его номинал может быть различен, варьируется от 100кОм до пяти-восьми мОм. Надо рассмотреть разные варианты, чтобы подобрать оптимальный резистор.

Использовать регулятор, схема которого представлена выше, не стоит в случаях, когда блок питания представлен в однотактном виде. В случае с подобными блоками будет происходить изменения напряжения в случае касания резистора переменного типа. Данное отклонение может варьировать до семи Вольт.

Для того чтобы монтаж было удобнее производить, таймер 555 устанавливают на специальную панель, чтобы в случае выхода из строя, его было просто заменить за короткий промежуток времени.

Схема проста в использовании, не требует доработок и настройки. Такой блок можно совмещать с источником питания любого типа. Можно регулировать яркость низковольтного ночника, светодиодной матрицы и прочего.

Совсем сравнительно не так давно решил изготовить пара зарядных устройств для автомобильного аккумуляторная батареи, что планировал продавать на местном рынке. В наличии имелись достаточно прекрасные промышленные корпуса, стоило только изготовить хорошую начинку и все дела.

Но тут столкнулся с последовательностями неприятностей, начиная от блока питания, заканчивая узлом управления выходного напряжения. Отправился и приобрел ветхий хороший электронный трансформатор типа ташибра (китайский бренд) на 105 ватт и начал переделку.

Ташибра - электронный (импульсный) сетевой блок питания реализованный на полумостовой базе, не имеет никаких защит, кроме того простой сетевой фильтр отсутствует. По окончании переделки (об этом в следующих статьях) удалось взять на выходе трансформатора до 18 Вольт постоянного напряжения с током 8-10 Ампер, что более, чем достаточно для зарядки кроме того достаточно емких автомобильных аккумуляторная батарей.

Размеры платы не более пачки от сигарет, достаточно компактный и замечательный блок питания в итоге оказался. Вторая неприятность была связана с регулятором мощности, напрямую зарядить аккумулятор не оказаться, исходя из этого было решено применять схему несложного ШИМ регулятора.

В отечественной схеме силовым звеном есть замечательный N-канальный полевой транзистор, в моем случае IRFZ44, конечно он не критичен, возможно задействовать практически каждые подобные ключи с допустимым током 20Ампер и более.

Маломощные транзисторы также не критичны, возможно применять каждые транзисторы обратной проводимости (малой мощности, такие как - кт3102, кт315, S9012/9014/9016/9018 и другие), на них собран мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов, что руководит замечательным полевым ключом.
Полевой транзистор на протяжении работы будет перегреваться, но данный перегрев не будет через чур громадным, но на всякий случай транзистор стоит установить на теплоотвод.

Эта схема ШИМ регулятора выходного напряжения превосходно может трудиться с любыми зарядными устройствами /блоком питания, не зависимо от типа, номинал входных напряжений от 3,5 впредь до большого напряжения, допустимый через полевой транзистор (60-75 Вольт, в некоторых случаях 100 и выше, все зависит от конкретного транзистора).

В обязательном порядке к прочтению:

ШИМ регулятор собственными руками

Статьи как раз той тематики,которой Вы интересуетесь:

В прошлых статьях мы разглядели конструкцию ШИМ регулятора мощности, что рекомендован для регулировки выходного напряжения зарядного устройства либо блока питания. Сейчас обращение отправится про…

Частенько, в особенности зимой, автомобилисты сталкиваются с необходимостью зарядки автомобильного аккумулятора. Возможно, и нужно, купить заводское зарядное устройство, лучше…

ШИМ-регулятор мощности, незаменимая часть любого блока питания. Ниже представленная схема разрешает регулировать напряжение блока питания от 1 Вольта до граничного напряжения блока питания (но…

Сравнительно не так давно на халяву досталось пара компьютерных блоков питания и к моему удивлению кое-какие из них были всецело рабочими. Было решено поделится опытом переделки для того чтобы блока питания…

На данный момент имеется большое количество устаревших системных блоков с исправными блоками питания. Эти блоки возможно применять для разных целей. Для этого потребуются незначительные переделки. Мной…