Ładowarka podtrzymująca do akumulatora 12 V

Do czego to służy?

Zadaniem tego układu jest ciągłe doładowywanie akumulatora kwasowego o nominalnym napięciu 12V. Użytkownik może płynnie ustawić końcowe napięcie ładowania oraz wybrać maksymalne natężenie prądu ładowania: 50mA, 150mA, 300mA lub 400mA. Prosty obwód elektroniczny będzie na bieżąco kontrolował napięcie na zaciskach nadzorowanego magazynu energii i w razie potrzeby doładuje go. Może też pełnić funkcję tak zwanego zasilacza buforowego. Po wyłączeniu zasilania niniejszej ładowarki będzie ona obciążała akumulator w marginalnym stopniu.

Energia trafiająca do akumulatora pochodzi z sieci 230V. Odpowiedni transformator został osadzony na niewielkiej płytce drukowanej układu, zatem cała konstrukcja jest zwarta i kompaktowa. Może służyć doładowywaniu akumulatora samochodowego w czasie mrozów, aby zmniejszyć jego rezystancję wewnętrzną, lub gdy akumulator zbyt szybko się rozładowuje.

Jak to działa?

Schemat układu można zobaczyć na rysunku 1. Zasilanie dla niego (230V 50Hz) jest doprowadzone do zacisków złącza J1. Do obniżenia napięcia oraz zapewnienia izolacji galwanicznej służy transformator sieciowy TR1. Bezpiecznik topikowy F1 ma odłączyć zasilanie w razie wystąpienia awarii w układzie, na przykład przy przebiciu międzyzwojowym transformatora, aby nie doszło do eskalacji zniszczeń.

Rysunek 1.

Po stronie wtórnej transformatora możemy wyróżnić mostek prostowniczy złożony z diod Schottky’ego D1...D4. Mają mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia niż diody krzemowe i gotowe mostki prostownicze. Za tłumienie zakłóceń o wysokiej częstotliwości, które mogłyby przedostawać się przez transformator do układu, służy gasik RC złożony z rezystora R1 i kondensatora C1. Dioda LED1 informuje o włączeniu zasilania, a rezystor R2 ogranicza jej prąd do niewielkiej wartości około 2mA. Kondensator C2 wygładza tętnienia wyprostowanego napięcia.

Ładowanie akumulatora kwasowego najprościej jest realizować w trybie stały prąd / stałe napięcie, co opisywane jest skrótem CC/CV (ang. constant current / constant voltage). Układ najpierw ogranicza natężenie prądu ładowania do ustalonego maksimum, a potem, w miarę wzrastania poziomu naładowania, dąży do utrzymania stałego napięcia akumulatora. Taki układ ma zatem dwie regulacje: maksymalnego prądu i maksymalnego napięcia. Ustawiając te wartości na poziomie, przykładowo, 200mA i 13,8V, będziemy mieli gwarancję, że z wyjścia układu nie popłynie prąd o natężeniu większym niż 200mA oraz że napięcie na jego zaciskach wyjściowych nigdy nie będzie wyższe niż 13,8V.

Do utrzymania prądu na zadanym poziomie służy prosty układ źródła prądowego zbudowany na układzie US1, którym jest poczciwy LM317. Rezystory R4...R6 ustalają maksymalne natężenie prądu, przy czym na stałe włączony jest tylko R6.

Został tak dobrany, że natężenie prądu wyjściowego powinno wynosić około 50mA (dokładniej: 1,25V / 24Ω ≈ 52mA). R5 można dołączyć do niego równolegle, nakładając zworkę na wyprowadzenia JP1, przez co prąd wyjściowy wzrośnie o około 100mA (dokładniej: 1,25V / 12Ω ≈ 104mA). Analogiczna jest rola R4, który można dołączyć zworką JP2, dzięki czemu natężenie prądu ładowania wzrośnie o około 250mA (dokładniej: 1,25V / 4,7Ω ≈ 266mA). C3 zapobiega wzbudzeniu się układu US1.

W typowym układzie źródła prądowego z użyciem LM317 jego wejście ADJ jest zwarte bezpośrednio z wyjściem całego układu. W tym układzie został wtrącony rezystor R3, o wartości 910Ω, którego zadaniem jest polaryzowanie układu US2 prądem o natężeniu nie większym niż 1,25V / 910Ω ≈ 1,37mA. Regulowane źródło napięcia odniesienia, którym jest dobrze znany TL431, wymaga minimalnego prądu katody na poziomie 1mA, więc ten rezystor zapewnia mały naddatek.

Do czego służy US2? Do utrzymania zadanego napięcia wyjściowego. Pobiera z wyjścia układu sygnał sprzężenia zwrotnego w postaci napięcia wychodzącego z dzielnika napięciowego. „Górnym” rezystorem tego dzielnika jest sumaryczna rezystancja R7 i P1, więc można go wyregulować w zależności od potrzeb. Zadaniem US2 jest utrzymanie spadku napięcia na R8 równego 2,5V. Jeżeli chciałoby ono wzrosnąć, będzie obniżał potencjał swojej katody, co z kolei spowoduje obniżenie się napięcia wyjściowego do zadanej wartości – jego rola ma znaczenie w trybie stałego napięcia. Podczas pracy układu w trybie stałego prądu ładowania napięcie na R8 jest niższe niż żądane 2,5V, więc US2 pozostaje zatkany. W tym trybie pracy znaczenie ma jedynie US1.

Do czego służy dioda D5, która ma podejrzanie niskie (20V) dopuszczalne napięcie wsteczne? Ona umożliwia wypływanie prądu z układu do akumulatora, ale blokuje jego przepływ w drugą stronę. W ten sposób akumulator nie będzie rozładowywany po wyłączeniu ładowarki z sieci. Jego jedynym obciążeniem będzie sumaryczna rezystancja R7 + P1 + R8, co będzie powodowało przepływ prądu o natężeniu rzędu 0,25mA. Prąd o tak niskim natężeniu nie rozładuje znacząco akumulatora kwasowego o pojemności kilku amperogodzin lub większej, większy wpływ będzie miał wewnętrzny efekt samorozładowania. 

Spadek napięcia na diodzie D5 nie ma wpływu na napięcie wyjściowe, ponieważ spadek napięcia na niej jest kompensowany przez US2, który pobiera informację o napięciu wyjściowym z jej katody, czyli uwzględnia jego aktualną wartość. Za to wartość tego spadku powinna być jak najniższa, aby móc zapewnić układowi US1 wystarczającą różnicę potencjałów między jego wejściem i wyjściem. Taką właściwość ma dioda o możliwie małym dopuszczalnym napięciu wstecznym: 20V będzie wartością wystarczającą, aby napięcie z naładowanego akumulatora kwasowego 12V nie przebiło jej złącza.

Można zauważyć, że w tym układzie rolę elementu wykonawczego, na którym wytraca się przeważająca część ciepła, odgrywa  układ US1. Było to celowe, ponieważ jego obudowa została przystosowana do odprowadzania ciepła, a dodatkowo ma wbudowane zabezpieczenia przed przegrzaniem. W związku z tym nie trzeba było dodawać ich na płytce układu.

Montaż i uruchomienie

Układ prototypowy został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 90×50mm. Wzór jej ścieżek i schemat montażowy przedstawia rysunek 2. W odległości 3mm od krawędzi płytki znajdują się otwory montażowe o średnicy 3,2mm każdy. 

Rysunek 2.

Montaż elementów zalecam wykonać w klasycznej kolejności, czyli zaczynając od elementów w obudowach o najniższej wysokości, takich jak rezystory i diody prostownicze. Stabilizator US1 należy przykręcić do radiatora, uprzednio nanosząc cienką warstwę pasty termoprzewodzącej na całą powierzchnię jego metalowej wkładki, która styka się z radiatorem. Po  przykręceniu i włożeniu jego wyprowadzeń w odpowiednie otworki na płytce można go przylutować bez dodatkowego klejenia radiatora do laminatu – powinien trzymać się odpowiednio mocno. Zmontowany układ można zobaczyć na fotografii tytułowej oraz na fotografii 1.

Fotografia 1.

Prawidłowo zmontowany układ zaczyna działać od razu po włączeniu zasilania, jednak na pierwsze uruchomienie proponuję nie podłączać jeszcze akumulatora.

Najpierw trzeba ustawić końcowe napięcie ładowania, co trzeba uczynić po podłączeniu do zacisków J2 jedynie woltomierza. Regulacji dokonuje się poprzez obracanie główki potencjometru P1 cienkim wkrętakiem. W układzie prototypowym regulacja możliwa była w zakresie od 13,2V do 15,7V. Typowe napięcie ładowania akumulatorów kwasowych podczas pracy buforowej powinno zawierać się w przedziale 13,5...13,8V, choć dokładna wartość zależy od temperatury otoczenia i zaleceń producenta konkretnego akumulatora. 

Drugim krokiem jest wybór prądu ładowania. Użytkownik ma do wyboru cztery różne wartości, które ustawia się poprzez nakładanie lub zdejmowanie zworek JP1 i JP2. Szczegóły zostały zebrane w tabeli 1, która uwzględnia również wartości rzeczywiste, zmierzone w prototypie. Typową wartością natężenia prądu podtrzymującego jest 1/100 C, gdzie C to pojemność w amperogodzinach [Ah], lub mniej. Dlatego dla akumulatora o pojemności 45Ah zaleca się doładowywanie go prądem o natężeniu nie większym niż 450mA – w przypadku tego układu należałoby wybrać opcję 400mA. Szczegółów dotyczących zalecanego prądu podtrzymania również radzę szukać w karcie katalogowej wykorzystywanego akumulatora, ponieważ podana tutaj zależność jest jedynie orientacyjna.

Tabela 1.