В продаже есть множество различных зарядных устройств для аккумуляторов, но большинство из них основано на большом сетевом трансформаторе. Габариты и вес таких ЗУ с выходом по току более 5 А значительно больше чем у их импульсных аналогов, работающих на высоких частотах, построенных с применением трансформаторов на ферритовых сердечниках. Предлагаемое для повторения зарядное устройство помещается в корпус размерами 120 х 90 х 50 мм, что позволяет разместить его даже в бардачке автомобиля.

Зарядное устройство предназначено для ускоренной зарядки аккумулятора, если в этом возникает необходимость, поскольку зарядный ток можно регулировать с помощью потенциометра, когда его сила начинает уменьшаться, чтобы аккумулятор можно было зарядить быстрее. Возможность регулирования тока позволяет заряжать аккумулятор примерно в два раза быстрее по сравнению с классическим зарядным устройством без такого регулирования, в котором ток во время зарядки постоянно падает.

Максимальный ток выхода составляет примерно 8 А и достигается без использования радиаторов. Вместо него был использован вентилятор охлаждения. Устройство можно нагрузить и более высоким током, если использовать сердечник трансформатора большего сечения и разместить на радиаторах диоды и транзисторы.

Принцип действия и схема зарядки

Принципиальная схема зарядного устройства представлена на рисунке 1 (контроллер) и рисунке 2 (плата трансформатора). Основой схемы является чип SG2525, который используется для генерации прямоугольного сигнала, подаваемого на трансформатор управляющий транзисторами основного трансформатора Тр2. Дополнительно выполняется функция регулятора напряжения, меняя скважность импульсов, подаваемых на транзисторы, и ограничивая ток до значения, установленного резистором R12.

После включения ток протекает через предохранители F1 и F2, затем мостовой выпрямитель заряжает конденсаторы С2 и С3, напряжение которых через резисторы R1 и R2 медленно заряжает конденсатор С4. Компаратор с гистерезисом на схеме U3А сравнивает напряжение на конденсаторе С4 с напряжением на стабилитроне D2. Когда напряжение на С4 превысит значение равное, на выходе операционного усилителя и затворе транзистора Т1 появится напряжение его питания.

Этот транзистор разряжает конденсатор С4 через резистор R20, ограничивающий ток, проводимый транзистором Т1, тем самым заряжая конденсатор С6. Напряжение с конденсатора С6 поступает на стабилизатор напряжения U2, а затем на микросхему SG2525. При его превышении 8 В начинает заряжаться конденсатор С5 от внутреннего источника тока, выходом которого является вывод 8.

SG2525 начинает генерировать управляющие импульсы. Главный трансформатор Тр2 формирует выпрямленную волну на вспомогательной обмотке через диоды D3…D6 и подает напряжение на конденсатор С6, питающий схему при нормальной работе. Если напряжение на конденсаторе С6 после начального запуска генератора SG2525 с нагрузкой от С4 будет поддерживаться питанием от вспомогательной обмотки трансформатора Тр2, то микросхема начнет нормально работать и генерировать прямоугольный импульс.

Если она не включилась после первого заряда конденсатора С4, например, из-за короткого замыкания выхода зарядного устройства или слишком большой нагрузки, напряжение с С4, понизив свое значение из-за проводимости транзистора Т1, изменит выходной уровень компаратора U3A, транзистор Т1 перестанет проводить и цикл заряда С4 через резисторы R1, R2 повторится.

Частота генератора задается резистором R15 и конденсатором С1 и составляет примерно 33 кГц. Увеличивая сопротивление и емкость, уменьшаем частоту. Резистор R10 служит для установки расстояния между положительной и отрицательной половинами прямоугольного сигнала. Его значение должно быть в диапазоне 0…150 В. Выходом сигнала являются выводы 11 и 14 и через резисторы R8 и R9, ограничивающие ток SG2525, он подается на трансформатор Тр1, управляющий резисторами R16… R18 (формирующий затворный импульс) на MOSFET ключевых транзисторах Т2…Т5, которые через резистор R13 и дроссель L1, ограничивающий скорость нарастания протекающего через них тока (в случае выхода короткое замыкание, перегрузки или пуска) питают главный трансформатор Tr2.

Задача Тр1 в изолировании истоков транзисторов, так как их потенциалы различны, и обеспечить одинаковые формы сигналов на соответствующих парах затворов транзисторов, расположенных по диагонали и включаемых попеременно в зависимости от полярности управляющей волны.

Потенциометром R11 и резистором R3 регулируется напряжение на выводе 9 микросхемы SG2525, то есть скважность импульсов подаваемых на затворы транзисторов Т2…Т5, а тем самым также выходное напряжение и зарядный ток. Вывод 10 служит для сокращения времени работы прямоугольных полуволн, включающих транзисторы при превышении установленного максимального значения тока нагрузки. Для этого используются резисторы R14, R12 и конденсатор С7.

Падение напряжения с резистора R12 подается на конденсатор С7 через резистор R14, при превышении напряжения на конденсаторе 0,8 В микросхема отсекает выходной импульс и теперь конденсатор С7 начинает разряжаться через резисторы R12 и R14, что занимает некоторое время, определяемое постоянной времени R12-R14-C7. От этих значений зависит время, по истечении которого генерация управляющих импульсов будет прекращена, а затем возобновлена. Максимальный выходной ток зависит от номинала резистора R12 (повышающий ток) и для сопротивления 1,8 Ом составляет около 8 А.

Монтаж и наладка ЗУ

ЗУ выполнено на двух печатных платах, причём плата контроллера выполнена на двухсторонней, а основной трансформатор Тр2 со схемой выпрямителя и выходным конденсатором на односторонней. Сборка элементов начинается с пайки переходных отверстий, перемычек, отмеченных зеленой линией на платах, на плате Тр2 одна, на плате контроллера их две.

Ключевыми транзисторами Т2…Т5 являются MOSFET-N с напряжением предельным не менее 400 В и минимальным током стока 10 А, в корпусах ТО-220 и выше, если они не размещены на теплоотводах. Транзистор Т1 — любой MOSFET-N с током стока 2 А и соответствующим расположением выводов. В качестве выпрямительных диодов лучше всего использовать диоды Шоттки или другие быстродействующие с прямым током 8 А и более, в корпусе допускающем большое тепловыделение, желательно ТО-220.

В качестве L1 использовался дроссель от компьютерного блока питания с внешним диаметром 25 мм и 41 витком, но можно было использовать и другой дроссель на металлокерамическом сердечнике с индуктивностью около 45 мГн. Управляющие трансформаторы Тр1 и основной Тр2 намотаны на каркасах Вайссера, Тр1 – WE-1952V с использованием сердечника Э20/10/6 из материала 3С90, но можно использовать и другой материал и другие каркасы с аналогичными свойствами.

Вторичные обмотки четыре отдельные, по 30 витков в каждой, проводом диаметром 0,3 мм. Первичная обмотка имеет 35 витков 0,4 мм – мотаем их сверху. Катушки следует аккуратно намотать рядом друг с другом. Все в одном направлении, соскребая ножом лак на концах, скручивая следующие выводы каркаса и припаивая, начиная с одной и той же стороны каркаса, как с одной, так и с другой стороны жилы (на одной со стороны сердечника имеются обмотки для одной пары транзисторов — 4 вывода, а с другой для второй пары, расположенной по диагонали поперек — также 4 вывода). Обмотки должны быть изолированы друг от друга тонким изоляционным материалом.

Тр2 намотан на каркасе WE-1802H и сердечнике Е32/16/9 из материала 3С90 (может быть и другой материал с аналогичными свойствами). Принципы намотки те же, что описаны выше, но в этом случае следует уделить больше внимания изоляции вторичной стороны от первичной соответствующим изоляционным материалом, чтобы снизить риск пробоя напряжения.

Вторичные обмотки представляют собой 2 х 15 витков провода 1,2 мм, соединенных параллельно. Для выходного напряжения питающая схему вспомогательная обмотка – 20 витков ПЭЛ 0,4 мм, первичная обмотка 235 витков ПЭЛ 0,4 мм.

Устройство можно усовершенствовать и до более высоких токов, заменив трансформатор на более мощный, намотав более толстый провод и используя соответствующие диоды на радиаторах. Затем нужно увеличить мощность резистора R13 примерно до 30 Вт и увеличить емкость сглаживающих конденсаторов до 220 мФ.

При использовании более мощных транзисторов, выдерживающих ток в импульсе до 50 А, номинал резистора R13 можно уменьшить, например до 6,8 Ом, а его мощность до 20 Вт, уменьшив тем самым потери и повысив КПД зарядного устройства. Также можно изменить U2 на 7812, что даст меньшее время нарастания напряжения на затворах транзисторов при использовании транзисторов со значительными емкостями затвор-исток.

Количество витков обмотки Tr2 обратно пропорционально сечению сердечника (чем больше сердечник, например E42, тем меньше витков на вольт). Для сердечника Е42 и каркаса WE-2154-1S это будет 115 витков для первичной обмотки, 8 витков для вторичной и 10 витков для вспомогательной обмотки. Первичная обмотка будет намотана тремя проводами диаметром 0,4 мм, вторичная — 34 проводами того же диаметра, а вспомогательная обмотка 1 х 0,4 мм, что даст зарядному устройству выход по току свыше 17 А. Устройство тогда следует снабдить последовательно подключенным к сети 220 В дросселем, например из компьютерных блоков питания, фильтром для сглаживания токовых всплесков, заряжающих конденсаторы.

Запускаем схему соединив платы проводами, лампочку подключаем последовательно с блоком питания в разъем J1 платы контроллера, мощностью около 60 Вт/220 В. Включаем блок питания 220 В. Лампочка должна мигать и погаснет, если горит, то где-то ошибка установки, неисправна печатная плата, холодная пайка или поврежден компонент.

Затем ползунок потенциометра R11 поверните в сторону источника питания, подключите на мгновение (чтобы не сжечь лампочку 12 В) к выходу (J1 Тр2). Эта лампочка должна ярко светить, а лампочка на 220 В должна светиться слегка. Если это не так, ищем ошибки в схеме. Для этого отключите питание 220 В, отключите лампочку 12 В, дополнительно подключите внешний источник питания напряжением около 15 В к разъему J2 платы контроллера, включите питание 15 В, включите 220 В через вышеупомянутую лампочку 60 Вт и установите ползунок потенциометра R11 в сторону питания, подключите лампочку 24 В к выходу, эта лампочка должна загореться, а лампочка последовательно в цепи 220 должна начать светиться. Это означает, что схема нагрузки не работает.

Если лампочка 24 В не горит, это означает неисправность главной цепи, связанной с SG2525, что может быть вызвано неправильной намоткой Tr1, ошибкой сборки или повреждением компонентов или цепи пускателя – причины те же, кроме ошибки в Тр1. При поиске ошибки могут помочь осциллограф или измеритель индуктивности.

Обычно причиной неисправности является Tr1. На затворах диагонально проводящих транзисторов сигналы от Тр1 должны иметь одинаковую форму, а на непроводящих транзисторах в тот момент иметь обратную фазу. Если это не так, концы трансформатора, подключенные к транзистору, необходимо поменять местами друг с другом.

Если лампочка горит, проверяем схему запуска: отключаем питание 220 В, отключаем питание 15 В и лампочку 24 В от схемы. Включаем блок питания 220 В, проверяем напряжение на выводе 1 U3 вольтметром, оно должно каждые несколько секунд менять значение от нуля до примерно 22 В и быстро падать. Затем проверяем происходит ли то же самое на выводах 13 и 15 U1, за исключением того, что напряжение будет меняться от нуля до примерно 19 В, если напряжение на U1 вообще не появляется, то где-то ошибка сборки, неправильно изготовлена плата и так далее.

Методы настройки зарядки

В простейшем случае работа устройства сводится к установке желаемого зарядного тока на разряженном аккумуляторе, например, 0,1 С, где С — емкость аккумулятора в Ач, и ожиданию снижения тока до низкого значения по сравнению с начальным зарядным током, то есть 20% начального зарядного тока, потому что обычно не нужно полностью заряжать аккумулятор, а только подзарядить его, например чтобы завести машину зимой.

Степень разрядки аккумулятора вопрос сомнительный, ведь один раз его можно разрядить до 10 В, другой раз до 12 В, а установка тока для разряженного до 12 В аккумулятора 0,1 С на более длительный период времени может привести к сохранению значительного тока после заряда. Аккумулятор повреждается в течение более длительного периода времени, поэтому окончание процесса зарядки скорее определяется напряжением аккумулятора, равным 15 В при его температуре 20°С.

Зимой при -10 °С это напряжение должно быть около 15,8 В, при конечном зарядном токе 0,02 С. Например для аккумулятора емкостью 45 Ач этот ток будет около 0,9 А. Лучше каждый раз проверять зарядный ток и затем, например каждый час, включая мультиметр на батарею во время зарядки и устанавливая напряжение батареи с помощью ручки зарядного устройства на 15 В, проверяйте амперметр, чтобы убедиться, что ток достаточно низкий.

Ускоренная зарядка батареи может быть достигнута если зарядный ток имеет соответствующую интенсивность, например 0,15 C, и время от времени (каждые полчаса) измерять, упал ли он до 0,02 C при установке 15 В на аккумулятор летом, а зимой примерно на 15,8 В (но это зависит и от технологии изготовления и типа самой АКБ). Если собираетесь поместить зарядное устройство в корпус большего размера, можно поставить туда для удобства вольтметр.