Электрические схемы для самодельных зарядных устройств

Принцип работы и основные компоненты

Свинцово-кислотные аккумуляторы заряжают постоянным (выпрямленным) напряжением, стабильным по уровню. Чтобы получить ток, втекающий в батарею, зарядное напряжение должно быть выше напряжения АКБ. Ток заряда в таком режиме зависит от разницы напряжений источника и батареи.

Полностью разряженная АКБ автомобиля выдает напряжение 10,5 вольт (ниже разряжать нельзя), полностью заряженная — 12,6 вольт. В процессе уровень на выходе ЗУ остается постоянным, на клеммах батареи плавно повышается. Поэтому в начале зарядки ток будет максимальным, по окончании – минимальным. Снижение уровня тока служит признаком окончания процесса. Также для автоматического завершения зарядки можно использовать достижение напряжения на АКБ значения 12,5..12,6 вольт.

Стандартная схема построения зарядника содержит:

1. Сетевой трансформатор;
2. Выпрямитель;
3. Регулятор тока (напряжения) — стабилизированный или нет.

Очень желательны приборы, индицирующие ток и напряжение. Дополнительно ЗУ может оснащаться:

• схемой ограничения тока;
• электрическими защитами;
• индикацией или автоматическим отключением по окончании зарядки.

Эти функции являются сервисными и повышают удобство работы с ЗУ.

Схема и печатная плата ЗУ на SCR

Печатная плата нарисована вручную маркером. Вы можете сделать разводку самостоятельно, например на основании вот этого рисунка:

Принципиальные схемы зарядных устройств

Зарядное устройство для автомобильной батареи можно выполнить на разной элементной базе. Все зависит от наличия комплектующих и квалификации мастера.

Простое зарядное устройство для АКБ автомобиля на 12В

Для регулирования тока и напряжения можно применить обычный потенциометр. Вращением его движка можно подстраивать ток в зарядной цепи.

На практике такая схема не используется по двум причинам:

• через потенциометр идет полный ток нагрузки, элемент такой мощности найти трудно;
• ток нагрузки идет через подвижный контакт движка переменного резистора, это значительно снижает надежность работы устройства.

Зато по этой схеме легко понять принцип работы простых зарядников.

На практике реализуется другая схема зарядного устройства для сборки своими руками. Здесь потенциометр включен в цепь базы транзистора, и ток через него небольшой. Зарядный же ток идет через коллектор-эмиттер транзистора, а полупроводниковый элемент подобной мощности найти гораздо проще. Но в этом и состоит главный недостаток схемы. Сквозной ток идет через регулирующий элемент, вся излишняя мощность рассеивается на нем. Потребуется радиатор значительной площади.

Для нормальной работы такого зарядника на него надо подавать повышенное напряжение – не менее 18 вольт, чтобы обеспечить запас по регулировке. В соответствии с этим требованием надо выбирать сетевой трансформатор.

Зарядное на тиристоре ку202н

Популярна схема самодельного зарядного устройства, где аккумулятор заряжается выпрямленным напряжением, а ток регулируется вручную посредством тиристора (подходит отечественный КУ202Н или зарубежные аналоги).

Сетевое напряжение понижается трансформатором Т1 и выпрямляется мостом VD1..VD4. На однопереходном транзисторе VT2 собран генератор импульсов. Его частота задается цепью из конденсатора C1 и управляемого резистора на VT1. Его сопротивление регулирует потенциометр R5. В начале каждого полупериода генератор запускается через цепь R1VD1, и начинает выдавать импульсы с заданной частотой. Первый импульс открывает тиристор, остальные (следующие до конца полупериода) не имеют значения. Чем раньше открывается ключ на VS1, тем большая часть синусоиды попадает в нагрузку, тем выше усредненное напряжение на аккумуляторе и средний ток, втекающий в него.

Амперметр служит для контроля этого тока. Недостаток схемы в том, что напряжение не стабилизировано, и будет изменяться вслед за изменением напряжения сети 220 вольт (оно может меняться в пределах ±5%). Вслед за напряжением будет меняться ток заряда, потому процесс требует периодического контроля и, при необходимости, подстройки. Кроме того, напряжение на АКБ не измерить обычным вольтметром или мультиметром – они рассчитаны на измерение постоянного напряжения, а зарядник выдает резко отличающуюся от постоянки форму. Погрешность будет очень высокой, поэтому для контроля придется отключать аккумулятор и замерять его напряжение.

Фильтрующие конденсаторы после выпрямителя устанавливать нельзя – схема работает только с выпрямленным, но не с постоянным напряжением на входе.

Если однопереходного транзистора нет, схему можно собрать без него. Она немного усложнится. Но вместо регулируемого сопротивления на транзисторе для задания частоты генерации возможно применить обычный потенциометр.

Существуют различные варианты данной схемы. Например, регулируемое устройство на симисторе. Здесь силовым ключом служит мощный симистор, а тиристор задействован в схеме формирования открывающих импульсов.

Видео версия: Зарядное с десульфатацией на одном тиристоре.

ЗУ для автомобильного аккумулятора на tl494

Зарядник можно построить на микросхеме TL494. Эта микросхема используется не совсем стандартно – обычно на ней строят полностью импульсные источники питания с выпрямлением сетевого напряжения и «нарезанием» из полученной постоянки высокочастотных импульсов (как в компьютерных БП). Здесь же присутствует и сетевой трансформатор, и выпрямитель вторичного напряжения. Импульсным является только регулируемый стабилизатор. Его достоинство в том, что регулирующий элемент (транзистор) открывается на определенные промежутки времени, через него не течет сквозной ток (равный току нагрузки), поэтому размеры теплоотвода можно значительно уменьшить.

Микросхема генерирует импульсы, частота которых задается цепью R4C3, а ширина зависит от разницы между уровнями на входах 1 и 2. Импульсы управляют транзистором VT1, который, открываясь, подпитывает энергией дроссель L1. Запасенная энергия расходуется в нагрузку. Чем больше нагрузка, тем быстрее расходуется запас, тем быстрее падает напряжение на выходе, что приводит к увеличению длительности импульсов с выхода 8 микросхемы. К этому же приводит вращение потенциометра R9 — так регулируется выходное напряжение.

Ток заряда регулируется разницей напряжений между АКБ и выходом ЗУ, но микросхема TL494 позволяет выполнить дополнительное ограничение тока. Для этого используется второй усилитель ошибки. Ток ограничителя устанавливается потенциометром R3, а фактический ток замеряется, как падение напряжения на шунте R11. Если ток выше заданного, длительность импульсов уменьшается, напряжение на выходе снижается до достижения необходимого тока. Такой режим полезен при зарядке сильно разряженных батарей, а также позволяет осуществить режим зарядки стабилизированным током. В совокупности с широким диапазоном регулировки напряжения, возможность ограничения тока делает ЗУ универсальным и позволяет заряжать аккумуляторы, сделанные по различным технологиям. Также ограничитель осуществляет защиту силовых элементов от сверхтока.

Номиналы деталей указаны на схеме. Дроссель лучше изготовить на сердечнике из альсифера.

Сердечник обязательно должен иметь воздушный зазор 0,15..1 мм.

При настройке подбирают число витков так, чтобы свист обмотки наблюдался только при среднем токе нагрузки, а при его увеличении исчезал. Если свист исчезает рано (уже при небольших токах) и выходной транзистор греется, количество витков надо увеличить. Ориентироваться надо на 20..100 витков провода диаметром 2 мм. Также при сборке в электросхему надо добавить вольтметр и амперметр (можно цифровой или стрелочный) – пользоваться будет намного удобнее. Напряжение на выходе сглаживается конденсатором C6, его форма близка к постоянному.

Рекомендуем: Как из БП компьютера сделать зарядное устройство

Схема с автоматическим отключением

Удобно, чтобы батарея отключалась по окончании процесса пополнения энергии. Один из вариантов схемы такой автоматики приведен на рисунке.

Принцип действия основан на контроле напряжения заряжаемой батареи. Как только оно достигнет номинального уровня (он подстраивается потенциометром), транзистор откроется, сработает реле и отключит напряжение с АКБ. При этом загорится светодиод, сигнализирующий об окончании зарядки. Реле можно применить любое с напряжением срабатывания 12 вольт и током контактов не менее 15 ADC.

Достоинство схемы в том, что ее можно собрать на отдельной плате и использовать совместно с любым готовым зарядником. Недостатком является необходимость измерять напряжение непосредственно на клемме аккумулятора, поэтому цепь измерения (выделена красной линией) надо выполнять отдельным проводом с зажимом и подключать непосредственно к плюсовому выводу АКБ.

От этого недостатка свободны схемы с контролем зарядного тока, отключающие ЗУ при снижении тока ниже установленного предела. Для измерения тока в заряднике должно быть установлено измерительное сопротивление (шунт).

Схема мощного ЗУ с регулировкой тока

Заслуживает внимания еще одна схема ЗУ, обеспечивающая ток не менее 10 А. Ее особенности:

• схема управления собрана по стороне 220 вольт;
• первичная обмотка трансформатора служит одновременно индуктивностью, накапливающей энергию, а затем отдающей ее в нагрузку через вторичные обмотки.

Принцип регулирования – фазоимпульсный, ключом служит симистор VS1. Ток устанавливается потенциометром R1 и регулируется от нуля до 10 А. Первичная обмотка трансформатора должна иметь достаточную индуктивность. Для его изготовления можно применить ЛАТР-2. Его обмотка будет служить первичкой. Сверху надо обустроить изоляцию (достаточно 3 слоя лакоткани), а поверх намотать вторичную обмотку проводом сечением 3 кв.мм 40+40 витков. Резистор R6 служит нагрузкой выпрямителя и создает импульсы разряда батареи. Считается, что такой режим продлевает период эксплуатации АКБ. Вместо него можно установить автомобильную лампу накаливания на 12 вольт мощностью 10 ватт.

Управление тиристором, принцип действия

Тиристор — устройство, обладающее свойствами полупроводника, в основе конструкции которого лежит монокристаллический полупроводник, имеющий три или больше p-n-переходов.

Его работа подразумевает наличие двух стабильных фаз:

• «закрытая» (уровень проводимости низкий);
• «открытая» (уровень проводимости высоки).

Тиристоры — устройства, выполняющие функции силовых электронных ключей. Другое их наименование — однооперационные тиристоры. Данный прибор позволяет осуществлять регуляцию воздействия мощных нагрузок посредством незначительных импульсов.

Согласно вольт-амперной характеристике тиристора, увеличение силы тока в нём будет провоцировать снижение напряжения, то есть появится отрицательное дифференциальное сопротивление.

Кроме того, эти полупроводниковые устройства могут объединять цепи с напряжением до 5000 Вольт и силой тока до 5000 Ампер (при частоте не более 1000 Гц).

Тиристоры с двумя и тремя выводами пригодны для работы как с постоянным, так и с переменным током. Наиболее часто принцип их действия сравнивается с работой ректификационного диода и считается, что они являются полноценным аналогом выпрямителя, в некотором смысле даже более эффективным.

Разновидности тиристоров отличаются между собой:

• Способом управления.
• Проводимостью (односторонняя или двусторонняя).

Общие принципы управление

В структуре тиристора имеется 4 полупроводниковых слоя в последовательном соединении (p-n-p-n). Контакт, подведённый к наружному p-слою — анод, к наружному n-слою — катод. Как результат, при стандартной сборке в тиристоре максимально может быть два управляющих электрода, которые крепятся к внутренним слоям. Соответственно подключённому слою проводники, по типу управления устройства делятся на катодные и анодные. Чаще используется первая разновидность.

Ток в тиристорах течёт в сторону катода (от анода), поэтому соединение с источником тока осуществляет между анодом и плюсовым зажимом, а также между катодом и минусовым зажимом.

Тиристоры с управляющим электродом могут быть:

• Запираемыми;
• Незапираемыми.

Показательным свойством незапираемых приборов является отсутствие у них реакции на сигнал с управляющего электрода. Единственный способ закрыть их — снизить уровень протекающего сквозь них тока так, чтобы он уступал силе тока удержания.

Управляя тиристором следует учитывать некоторые моменты. Устройство данного типа сменяет фазы работы с «выключен» на «включён» и обратно скачкообразно и только при условии внешнего воздействия: при помощи тока (манипуляции с напряжением) или фотонов (в случаях с фототиристором).

Технология сборки

Большинство электронных компонентов лучше собрать на печатной плате. В домашних условиях плату можно изготовить методом ЛУТ или фотоспособом. Разработать рисунок можно в бесплатных программах, например LayOut или условно-бесплатной Eagle. А можно нарисовать дедовским способом на бумаге и нанести рисунок лаком на поверхность фольги. Плата травится в растворе хлорного железа или в следующем составе:

1. 100 мл аптечной перекиси водорода.
2. 30 г лимонной кислоты.
3. Две чайные ложки поваренной соли.

Силовые элементы монтируются на радиаторы достаточной площади. Устанавливать их надо на теплопроводящую пасту. Если теплоотводящая поверхность элемента не соединена с общим выводом, на теплоотвод деталь крепят через изолирующую прокладку – слюдяную или из упругого материала. Радиатором может служить металлическая стенка корпуса. Также можно сделать теплоотвод частью конструкции. Можно организовать обдув радиаторов – тогда их площадь можно значительно уменьшить. Для этого понадобится вентилятор на 12 вольт, который можно подключить к выходу диодного моста.

Корпус подбирается готовым или изготавливается самостоятельно. На передней панели крепятся:

• измерительные приборы;
• органы регулирования напряжения и тока;
• индикаторы включенного состояния.

Для подключения проводов, отходящих к аккумулятору, клеммы и разъемы лучше не использовать. Токи через них идут большие, поэтому потенциальный источник дополнительного переходного сопротивления нежелателен. Провода лучше подпаять к плате и вывести через отверстия в передней панели. Сечение проводников должно достаточным – не менее 2 кв.мм, а лучше 4 кв.мм. С другой стороны проводов надо припаять зажимы «крокодил».

Это не полный обзор схем зарядок для автомобильного аккумулятора – их существует великое множество. По представленным конструкциям можно понять принципы построения ЗУ, требования к ним, разобраться в несложной схемотехнике. Отработав на практике сборку этих зарядных устройств, впоследствии можно перейти к более серьезным схемам, в том числе с использованием микроконтроллеров.

Похожая статья: Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов

Регулятор мощности

В схеме реализован принцип частотно-импульсного регулирования угла отпирания тиристоров за счет синхронизации с сетью. Такое управление является наиболее эффективным и надежным, так как тиристор работает в нормальных режимах без завышения своих возможностей.

В схеме имеется генератор, который формирует импульсы управления и сдвигает их относительно фронтов импульсов при переходе сетевого напряжения через ноль. Управляющая последовательность импульсов подается на УЭ и К. Напряжение в нагрузке выпрямляется при помощи двухполупериодного выпрямителя. Использование емкостей в схеме в качестве фильтров недопустимо, так как они будут нарушать главный принцип работы устройства. Такой регулятор мощности можно применить для управления температурой жала паяльника путем изменения напряжения его питания. Но если потребуется организоваться управления первичными цепями трансформатора, придется включить нагрузку перед диодным мостом. Ток регулирования должен быть не более 7,5 А.

Ответы на 5 часто задаваемых вопросов

Потребуется ли производить какие-то дополнительные меры, перед тем как приступать к зарядке аккумуляторной батареи на своём автомобиле? – Да, потребуется почистить клеммы, поскольку во время работы на них появляются кислотные отложения. Контакты очень хорошо нужно почистить, чтобы ток без трудностей поступал к батарее. Иногда автомобилисты используют смазку для обработки клемм, ее тоже следует убрать.

Чем протереть клеммы зарядных устройств? — Специализированное средство можно купить в магазине или приготовить самостоятельно. В качестве самостоятельно изготовленного раствора используют воду и соду. Компоненты смешиваются и перемешиваются. Это отличный вариант для обработки всех поверхностей. Когда кислота соприкоснется с содой, то произойдет реакция и автомобилист обязательно ее заметит. Это место и потребуется тщательно протереть, чтобы избавиться от всей кислоты

Если клеммы ранее обрабатывались смазкой, то она убирается любой чистой тряпкой.

Если на аккумуляторе стоят крышки, то их нужно вскрывать перед началом зарядки? — Если крышки имеются на корпусе, то их обязательно снимают.

По какой причине необходимо откручивать крышечки с аккумуляторной батареи? — Это нужно, чтобы газы, образующиеся в процессе зарядки, беспрепятственно выходили из корпуса.

Есть необходимость обращать внимание на уровень электролита в аккумуляторной батарее? – Это делается в обязательном порядке. Если уровень ниже требуемого, то необходимо добавить дистиллированную воду внутрь аккумулятора

Уровень определить не составит труда – пластины должны быть полностью покрыты жидкостью.