Зарядно-пусковое устройство-автомат для автомобильного аккумулятора 12В

Пусковые устройства промышленного изготовления нередко обладают малой мощностью и недостаточно надежны в эксплуатации. Простейшие самостоятельно изготовленные схемы автомобильных пусковых устройств, состоящие только из трансформатора и силовых выпрямительных диодов, также обладают рядом недостатков.

Во-первых, при случайном коротком замыкании выходных проводов можно легко повредить дорогостоящие выпрямительные диоды. В случае неправильной полярности подключения такой схемы к аккумулятору можно повредить бортовую электронику или сам аккумулятор.

Кроме того, при изготовлении простейшего пускового устройства требуется грамотно выбирать параметры трансформатора (соотношение числа витков первичной И вторичной обмоток для конкретного типа магнитопровода), чтобы он обеспечивал ток в нагрузку не менее 100 А при просадке напряжения не ниже 10 В.

Устранить все эти недостатки позволяет описываемое ниже устройство. Его можно также использовать для подзаряда или тренировки аккумулятора, а автоматика не допустит превышения напряжения на аккумуляторе выше допустимой величины во всех режимах работы.

Электрическая схема обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и защиту по току от короткого замыкания. А при неправильной полярности подключения аккумулятора к выходным клеммам устройства не позволит включить его в работу.

Для работы пуско-зарядного устройства в разных режимах подключение аккумулятора выполняется к одним и тем же выходным клеммам, что очень удобно при эксплуатации. При этом обеспечивается контроль работы схемы и состояния аккумулятора при помощи вольтметра и амперметра. Регуляторами можно в широких пределах изменять выходное напряжение "U" (R44) и ток ограничения "I" (R49).

Режимы работы

Устройство может работать в трех режимах, которые выбираются переключателем SA1 ("РЕЖИМ"):

1. "ЗАРЯД" - обеспечивается зарядка аккумуляторной батареи (АБ) стабильным током до момента, когда напряжение на аккумуляторе возрастет до величины 14,8 В. При этом ток зарядки может быть установлен любым в диапазоне 1 - 10А.
2. "ТРЕНИРОВКА" - используется для предотвращения сульфатации пластин аккумулятора при его длительном хранении с залитым электролитом, например в зимний период. Устройство позволяет циклически выполнять процесс заряд-разряд в автоматическом режиме. Ток заряда может устанавливаться от 1 - 10А, разряда - 0,8 А. Количество циклов не ограничено.
3. "ПУСК" - режим используется для запуска двигателя автомобиля. При этом устройство подключается параллельно с аккумулятором и обеспечивает ток до 100 А в непрерывном режиме. Что позволяет облегчить запуск двигателя в зимний период или при пониженной емкости аккумулятора в результате старения.

Схема

Электрическая схема зарядно-пускового устройства состоит из следующих частей:

• силового трансформатора Т1 мощностью около 1 кВт с выпрямителем, выполненным на тиристорах VS 1, VS2;
• источника питания для схемы управления на трансформаторе Т2 и стабилизаторах DA 1, РА2;
• схемы автоматического управления (DA3, DA6, Т3);
• схемы контроля режимов (РV1, усилителя DA4 для измерения тока, РА1, HL1, HL2);
• блока включения и защиты (К2, КЗ, DA5).

Так как при зарядке автомобильной аккумуляторной батареи рекомендуют поддерживать средний зарядный ток постоянным, в качестве регулирующего элемента используются тиристоры. Они одновременно работают как управляемые выпрямители.

Для удобства изготовления схема управления питается от отдельного трансформатора Т2. С него же снимается и сигнал для синхронизации работы схемы с частотой сети (цепь из элементов VD4, R12, R14). Напряжения "+15 В" и "-15 В", используемые для питания схемы управления, стабилизированы на микросхемах DA1 и DA2.

Блок автоматического управления работает следующим образом. Сигнал обратной связи по напряжению (Uoc) с выходных клемм (X1, Х2) через резисторы R62, R69 поступает на вход интегратора DA6.1. Выходное усиленное напряжение суммируется с напряжением, установленным резистором R44, и поступает на вход 15 DA3.

Микросхема DA3 (КР1114ЕУ4) предназначена специально для построения импульсных схем управления, что позволяет значительно упростить устройство. Она содержит полный набор функциональных узлов для выполнения широтно-импульсного управления и внутри имеет: прецизионный источник опорного напряжения "+5В" (ИОН); усилители ошибки (1 и 2), компараторы (3 и 4), схемы управления выходным каскадом на транзисторах и генератором пилообразного напряжения.

Частота генератора задастся внешним резистором R27 и конденсатором С10. Работа автогенератора синхронизируется с частотой сети при помощи транзистора VT4, сигнал на открывание которого поступает с выпрямителя VD4.

Рис. 1. Структурная схема микросхемы КР1114ЕУ4

На выходе 8 микросхемы DA3 формируется импульс напряжения, ширина которого зависит от положения регуляторов R44, R49. Так как для открывания тиристоров достаточно коротких импульсов, для их получения используется дифференцирующая цепь С9, R17. Эти импульсы усиливаются транзисторами VTЗ, VT1 и через гальванически развязывающий цепи импульсный трансформатор (Т3) поступают на управляющие выводы тиристоров (VS1, VS2).

Рис. 2. Принципиальная схема зарядно-пускового устройства.

Функция стабилизации тока выполняется следующим образом. Сигнал обратной связи по току (Ісс), снимаемый с шунта R40ш, через резистор R63 поступает на вход 7 интегратора DA6. Интегратор усиливает напряжение в 10 раз, а также сглаживает пульсации. Сигнал с выхода 10 DA6 смешивается с напряжением, установленным резистором R49.

Разность этих напряжений поступает на вход 2 (DA3) токоограничивающего усилителя. Внутри микросхемы DA3 производится сравнение приходящих на входы 4 и 2 сигналов и больший из них непосредственно влияет на ширину импульсов управления и, как следствие, на момент открывания тиристоров.

Контроль работы схемы выполняется по вольтметру PV1 и амперметру РА1.

Когда устройство используется в качестве пускового, амперметр РА1 подключается к шунту переключателем SA1 напрямую. При токе 100 А напряжение на шунте должно быть 75 мВ и его вполне достаточно для отклонения стрелки прибора на полную шкалу.

В случае же, когда рабочий ток необходим до 10 А (режим "ЗАРЯДКА" или "ТРЕНИРОВКА"), для его более точного измерения установлен усилитель (DA4) с коэффициентом 10 и стрелка амперметра РА1 сможет также отклоняться на полную шкалу.

Индикация режима работы устройства осуществляется светодиодами: свечение светодиода HL1 - "ЗАРЯД", HL2 - "РАЗРЯД", при этом устройство отключено и идет разряд аккумулятора током 0,8 А (в режиме тренировки).

Блок включения и защиты Начинает работать при правильной полярности подключения аккумулятора к клеммам X1, Х2. В этом случае, если включен автомат А1, при нажатии кнопки SB1 за счет тока, протекающего от аккумулятора через обмотку К2, резистор R24 и диод VD10, включится реле К2 и своими контактами (К2.1, К2.2) подаст питание на трансформатор Т1 и схему управления, а также заблокирует цепь кнопки контактами К2.3.

При неправильной полярности подключения аккумулятора диод VD10 будет закрыт и не позволит включиться реле К2.

На микросхеме DA5 собран компаратор напряжения, который в зависимости от выбранного переключателем SA1 режима управляет алгоритмом работы устройства, не допуская превышения напряжения на аккумуляторе выше заданного (резистором R59) уровня 14,8 В. Это действующее значение - амплитуда будет больше. Цепь из R57, VD 17 обеспечивает гистерезис работы компаратора.

Особенности работы в трех режимах

Рассмотрим теперь более подробно особенности работы зарядно-пускового устройства в разных режимах.

Табл. 1. Питающие напряжения на микросхемах.

Рис. 3. Форма напряжения в контрольных точках: а - на выходе 5 DA3; б - на клеммах X1, Х2 при настройке; в - на клеммах X1, Х2 при подключенном аккумуляторе; г - на выходе 8 DA3; д - импульсы в первичной обмотке Т3.

Режим "ЗАРЯД"

Необходимый ток заряда в режиме стабилизации тока устанавливается резистором R49 при положении регулятора напряжения R44 на максимум.

Контроль зарядного тока выполняется по амперметру РЛ1.

Для осуществления заряда аккумуляторную батарею подключают к клеммам "+" (XI) и "-" (Х2) устройства, соблюдая полярность. При нажатии на кнопку SB1 схема начнет работать.

Как только выходное напряжение, установленное резистором R44, превысит уровень, имеющийся на аккумуляторе, в цепи его заряда от трансформатора (Т1) начинает протекать ток через шунт (R40ш), создавая на нем напряжение. Это напряжение попадает на вход усилителя-интегратора обратной связи по току DA6.1. Оно будет меняться до тех пор, пока не скомпенсирует опорное напряжение, установленное на входе 2 DA3 (это напряжение в свою очередь определяет момент открывания тиристоров, а значит и ток в силовой цепи).

Таким образом, стабилизация тока или напряжения в этом и других режимах работы устройства представляет собой процесс установки такого момента открывания тиристоров, при котором напряжение на выходе устройства через цепи обратной связи компенсирует опорное напряжение в определенной точке.

Если схема работает в режиме стабилизации тока, то по мере заряда аккумулятора напряжение на нем будет возрастать. Как только оно достигнет уровня 14,8 В, компаратор DA5 срабатывает и сигнал, поступающий с его выхода на вход 4 DA3, прекращает формирование управляющих открыванием тиристоров импульсов.

Режим "ТРЕНИРОВКА"

Процесс тренировки в основном аналогичен процессу зарядки за исключением того, что когда переключатель SA1 установлен в соответствующий режим - компаратор DA5 следит за уровнем напряжения на аккумуляторе и при его превышении величины 14,8 В подает сигнал запирания на вход 4 DA3. Что приводит к исчезновению импульсов (8 вывод DA3), управляющих открыванием тиристоров.

При этом также откроется транзистор VT2 и сработает реле К1. Оно своими контактами К1.1 подключит нагрузку (R64) для разряда аккумулятора. Резистор R64 обеспечивает разрядный ток 0,8 А.

Разряд будет происходить до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не снизится до величины 10,5 В. Как только это произойдет, на выходе компаратора DA5 вновь появится нулевой уровень, что выключит реле К1 и схема перейдет в режим зарядки аккумуляторной батареи. Этот процесс заряд-разряд будет периодически повторяться, а количество циклов не ограничено.

Режим "ПУСК"

В этом режиме не только ограничивается выходной ток устройства для того, чтобы защитить его от повреждения, но и уровень выходного напряжения до безопасной для аккумулятора и бортовой сети величины.

Для работы в этом режиме регулятор тока R49 устанавливается на максимум, а резистором R44 устанавливаем по прибору РV1 напряжение 13-14 В.

Теперь можно вставить ключ в замок зажигания автомобиля и произвести запуск двигателя. При этом в зависимости от условий пуска стрелка РА1 может занимать разные положения на шкале, а его максимальное значение будет соответствовать 100 А. Стрелка вольтметра РV1 может отклоняться в сторону уменьшения.

Настройка схемы

Для настройки необходимы осциллограф, цифровой вольтметр, эквивалентная нагрузка R2н (проволочный резистор сопротивлением 1 - 1,2 Ом и мощностью не менее 100 Вт, например подойдет нихромовая проволока диаметром 0.5 - 1 мм), а также внешний стрелочный амперметр (РА2) на ток до 10 А, см. рис. 4.

Рис. 4. Схема подключения устройства при настройке схемы.

При настройке элементы, отмеченные на электрической схеме (рис. 3.7) звездочкой могут потребовать подбора.

Добавочный резистор R24 в цепи реле подбирается такой величины, чтобы якорь реле К2 после срабатывания отпускался при напряжении питания меньше 10 В (лучше это сделать до того, как резистор и реле будут установлены на плату).

Предварительная настройка схемы выполняется в следующей последовательности. Нужно временно заблокировать перемычками контакты реле К2.1 и К2.2, а также отпаять R65. Переключатель SA1 установить в положение "ТРЕНИРОВКА", а резисторы R44 и R49 вывести на максимум.

Включив сетевое питание (А1) с помощью осциллографа, проконтролировать форму пилообразного напряжения на выводе 5 DA3 - оно не должно иметь большой ступеньки на нулевом уровне, см. рис. 3-а (для этого может потребоваться подбор резистора R12). После чего осциллографом и цифровым вольтметром контролируем напряжение на клеммах X1 и Х2.

Форма напряжения на выходе должна соответствовать показанной на рис. 1.3- б и регулироваться резисторами R22 и R44. Если это не так, то следует проверить наличие импульсов на выходе 8 DA3 и правильность монтажа.

Подстроенным резистором R22 устанавливаем момент открывания тиристоров (Uоткр = 15,5 В). Это необходимо для того, чтобы во всех режимах работы устройства амплитудное значение напряжения на выходе превышало напряжение на аккумуляторе (иначе тиристоры не будут открываться).

Выключив устройство, подпаиваем на место R65. После этого при включенной схеме регулятором R44 выставляем действующее напряжение на выходе устройства 14,8 В и подбором резистора R65 добиваемся того, чтобы при достижении на выходе этого напряжения компаратор DA5 переключался - на выводе 9 DA5 появится +15 В (светодиод HL1 будет светиться).

После этого регулятором R44 устанавливаем на выходе устройства напряжение 10,5 В и подстройкой резистором R59 добиваемся, чтобы при достижении на клеммах X1, Х2 этого напряжения у компаратора появлялось нулевое напряжение на выходе 9 DA5 (резистор R59 задает величину гистерезиса для компаратора).

Для того, чтобы регуляторами, установленными на передней панели, было удобно пользоваться, т. е. диапазон регулировки выходного напряжения резистором R19 оставался в интервале 10 - 15 В - необходимо подобрать добавочные резисторы

R43 и R45. Аналогично подбираются и резисторы R48 и R50 для диапазона регулировки резистором R49 уровня стабилизации тока в диапазоне 1 - 10 А. В этом случае допустимые режимы для аккумулятора не будут превышены.

Резистор R44 используется для регулировки напряжения на клеммах X1, Х2 в режиме "ПУСК", в остальных же режимах он устанавливается на максимальное выходное напряжение, так как схема в этих режимах должна работать как стабилизатор тока (выходное напряжение будет зависеть от величины тока) и по мере заряда аккумулятора напряжение на нем будет возрастать, но не превысит допустимого значения.

Для калибровки показаний амперметра РА1 в режимах "ЗАРЯД" и "ТРЕНИРОВКА" необходимо резистором R21 установить стрелку прибора на "0". После чего подключаем нагрузку R2h (включателем SA2) и внешний стрелочный амперметр РА2, (рис. 3.9). Резистором R49 (при положении R44 на максимуме) выставить по внешнему амперметру РА2 ток 10 А, а резистором R29 надо установить такое же значение показаний тока на РА1.

Эту операцию следует повторить несколько раз, подстраивая R21 и R29 до тех пор, пока стрелка РА1 при "0" и при токе 10А будет соответствовать показаниям внешнего амперметра.

Теперь необходимо проверить работу схемы в режиме стабилизации тока. Для этого на момент включения устройства блокируем контакты К2.1, К2.2. Переключатель SA1 установить в положение "ПУСК", регулятор тока "I" в среднее положение, a "U" на максимум.

К выходным клеммам X1, Х2 подключаем нагрузку R1н сопротивлением около 0,2 Ом (по мощности она должна быть рассчитана на протекающий ток до 100 А). При этом показания приборов должны быть: РА1 - 50 А, РV1 - 10 В. Регулятором "I" можно менять выходной ток - в этом случае будет меняться и выходное напряжение, что соответствует режиму стабилизации тока. А при изменении сопротивления нагрузки в небольших пределах ток не должен меняться.

На этом предварительную регулировку можно считать законченной, а окончательная проверка выполняется на реальном аккумуляторе.

Детали

Тиристоры VS1 и VS2 устанавливаются на радиаторы площадью около 1000 см2 (стандартные радиаторы для этих тиристоров имеют как раз такую площадь поверхности).

Монтаж силовой части (от трансформатора Т1 до тиристоров и клемм XI, Х2) выполняется гибким многожильным проводом сечением не менее 8 мм2, например марки ПВЗ.

В устройстве микросхемы могут быть заменены импортными аналогами: DA6 - цА747С; DAI - 78L15; DA2 - 79L15; DA3 - TL494L; DA5 - LM211N; DA4 - не имеет аналогов.

Диоды типа КД521, установленные на входах микросхем, предотвращают их случайное повреждение в процессе настройки схемы и могут быть заменены любыми маломощными импульсными: КД522, КД510, КД503 и др.

Подстроечные резисторы (R21, R22, R29, R59) применены многооборотные типа СП5-3, регулировочные R44, R49 типа СП3-4а-0,25 Вт с линейной характеристикой (А) изменения сопротивления, остальные могут быть любого типа, например МЛТ -соответствующей мощности.

Соединительные провода до регуляторов R14 и R19 должны быть в экране.

Полярные конденсаторы С5 - С8 и С21 типа К50-35;

Неполярные конденсаторы С2, СЗ типа К42У-2 на 0,015 мкФ на 630 В; остальные из серии КІО или КМ-6.

В качестве измерительных приборов использованы стрелочный вольтметр Р?1 и амперметр РА1 одного и того же типа М42301. Так как амперметр имеет внутренний шунт - потребуется вскрыть корпус и его удалить. Ведь в схеме для измерения тока 100 А используется внешний шунт (R40ui).

Шунт R40ui взят стандартный типа 75ШСМ-100-0,5.

Включатель А1 (токовый автомат) - типа АЕ10-31 на ток 10 А, переключатель SA1 типа ПГ3 (ПГ2), кнопка SB 1 подойдет любая.

Реле К2 типа KP460DC на 12 В (польского производства) или аналогичное с тремя группами переключающих контактов, рассчитанных на ток до 5 А. Реле К1 и КЗ типа РЭС47 паспорт РС4.500.407-01 (РС4.500.407-03).

Для изготовления Т1 использовано трансформаторное железо с сечением в месте расположения обмотки Sct = 35 см^2 (окно имеет площадь Sok = 72 см^2). Первичная обмотка содержит 240 витков проводом ПЭТВ сечением 2,5 мм2 (диаметр 1,8 мм), вторичная 22+22 витка проводом ПШВ-3 сечением 10 мм2.

Трансформатор Т2 любой маломощный (Р = 5 Вт) с напряжениями во вторичных обмотках 3-5 - 18+18В, ав 6-8 - 10 + 10В, но лучше, если его конструкция будет предусматривать установку на печатную плату.

Импульсный трансформатор Т3 выполняется на каркасе внутри броневых чашек типоразмера Б28 из феррита марки М2000НМ. Обмотки содержат 1,2 - 80 витков, 3,4-40 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,35 мм.

Рисунок монтажной платы устройства приведён в книге: Н. А. Елагин, А. В. Ростов. Серия "СОЛОН-Р - Радиолюбителям". Выпуск 5.