Impulsowa, mikroprocesorowa ładowarka akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Aby móc skorzystać z opisywanego we wstępie algorytmu ładowania należy wykonać odpowiednie obwody stabilizujące prąd oraz napięcie ładowania. Zgodnie z teorią, do ładowania akumulatora wystarczy stabilizator napięcia mający możliwość pracy w następujących zakresach:

• Przy ładowaniu akumulatora Pb 6 V: 7,2…7,5 V.
• Przy ładowaniu akumulatora Pb 12 V: 14,4…15 V.
• Przy ładowaniu akumulatora Pb 24 V: 28,8…30 V.

Wymagany jest przy tym obwód pomiarowy prądu, który będzie dbał o przepływ prądu o stałym natężeniu podczas ładowania. W praktyce można użyć liniowego stabilizatora typu np. LM723, dzięki któremu będzie możliwe utrzymanie stałego prądu ładowania oraz napięcia odcięcia.

Wadą stabilizatorów liniowych jest ich mała sprawność oraz duże ilości ciepła wydzielane w elemencie mocy. Pociąga to za sobą potrzebę stosowania wydajnych układów chłodzenia. Dużo lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie stabilizatora impulsowego, którego sprawność jest bardzo wysoka, a wydzielana ilość ciepła stosunkowo niewielka. Pozwala to wykonać poręczną, lekką ładowarkę mającą duży prąd wyjściowy. W swoim projekcie wykorzystałem przepustową przetwornicę prądu stałego.

Budowa i zasada działania

Ładowarka składa się z dwóch płytek: czołowej będącej interfejsem użytkownika i głównej zawierającej obwody mocy ładowarki. Na płycie czołowej zamontowano mikrokontroler, w którym jest zaszyty program sterujący pracą ładowarki. Dzięki jego użyciu można było w znacznym stopniu zautomatyzować proces ładowania i ograniczyć obsługę urządzenia tylko do włączenia lub wyłączenia ładowarki oraz ustawienia pojemności ładowanego akumulatora. Na tej płycie zamontowano cztery wyświetlacze LED, na których są wyświetlane:

• W1 – zadana pojemność znamionowa ładowanego akumulatora.
• W2 – ładunek elektryczny przesłany do akumulatora w trakcie procesu ładowania. Wskaźnik ten może służyć do oceny stopnia zużycia akumulatora.
• W3 – napięcie akumulatora.
• W4 – prąd ładowania akumulatora.

Diody LED są wskaźnikami statusu ładowarki i oznaczają:

• START (D1) – praca ładowarki i rozpoczęcie procesu ładowania akumulatora.
• STOP (D2) – praca ładowarki jest zatrzymana, a akumulator nie jest ładowany.
• ERROR (d3) – awaria lub błąd procesu ładowania.
• BIEGUNOWOŚĆ (D4) – zła polaryzacji akumulatora.
• ŁADOWANIE (D5) – ciągłe świecenie oznacza, że akumulator jest ładowany prądem 0,1×C z odcięciem napięcia. Miganie oznacza doładowywanie akumulatora prądem 0,05×C z odcięciem napięcia.
• 6 V (D6) – akumulator o napięciu znamionowym 6 V.
• 12 V (D7) – akumulator o napięciu znamionowym 12 V.
• 24 V (D8) –  akumulator o napięciu znamionowym 24 V.

Impulsator SW1 jest ostatnim elementem komunikacji ładowarki z użytkownikiem. Służy do włączania jak i wyłączania ładowarki, przejścia w tryb ustawiania aktualnej godziny poprzez przyciśnięcie ośki impulsatora, oraz ustawienie zadanej pojemności znamionowej akumulatora poprzez obracanie pokrętła. Na płycie czołowej jest umieszczony cyfrowy czujnik temperatury U9. Po prawidłowym podłączeniu akumulatora do ładowarki odczytuje on temperaturę otoczenia i odpowiednio kompensuje napięcie ładowania o:

• –12 mV/°C dla akumulatora Pb 6 V.
• –24 mV/°C dla akumulatora Pb 12 V.
• –48 mV/°C dla akumulatora Pb 24 V.

Współczynnik korekcji wynosi –4 mV/°C na ogniwo, co jest wartością optymalną, ponieważ według dostępnych informacji może on zawierać się w granicach od –3…–5 mV/K na ogniwo.

Zegar czasu rzeczywistego U8 ma dwojakie zadanie. W trybie czuwania ładowarki ten układ odmierza czas, a aktualna godzina jest pokazywana na wyświetlaczu W1. Podczas ładowania jego wyjście INT\ taktuje procesem obliczania ładunku oraz służy do sterowania dwukropkiem wyświetlacza.

Mikrokontroler mierzy kilka napięć mających wpływ na prawidłową pracę ładowarki oraz na przebieg procesu ładowania. Napięcie odniesienia dla przetwornika A/C zostało doprowadzone na wejście AREF procesora i odfiltrowane przez kondensator C6. Jako źródło napięcia odniesienia służy układ U1, który dostarcza napięcie 4,096 V. Na płycie czołowej jest dostępna magistrala I2C do komunikacji z zegarem U8. Użyto jej do sterowania pracą wyświetlaczy i diod LED.

Zastosowanie ekspanderów typu PCF8574 oraz multipleksowania wyświetlaczy znacznie ogranicza wykorzystanie portów procesora.

To na niej znajduje się przepustowa przetwornica impulsowa. W trybie czuwania rolę zasilacza pełni pomocniczy transformator sieciowy dołączony do złącza CON7. Musi on mieć napięcie wyjściowe 9…12 V i mocy minimalną 4 VA. Napięcie przemienne zostaje wyprostowane przez mostek złożony z diod D18, D21, D22, D23 i filtrowane przez kondensator C36. Diody D19 i D20 stanowią zawory jednokierunkowe. W danej chwili przewodzi tylko ta dioda, na której występuje wyższe napięcie. Podczas czuwania na anodzie diody D20 nie ma napięcia, więc prąd poprzez diodę D19 i zasila stabilizator U14. Stabilizator zasila płytę czołową i dostarcza +5 V do zasilania wtórników napięciowych U10 i U13.

Napięcie sieciowe jest doprowadzone do złącza CON1. Gdy ładowarka zostanie włączona, optotriak U2 przewodzi i załącza triak U3. Warystor VR1 chroni triak przed przepięciem podczas wyłączania transformatora. Po załączeniu triaka prąd przepływa przez włączony równolegle ze stykami przekaźnika Prz1 rezystor R2, który łagodzi prąd płynący podczas ładowania się kondensatorów. Napięcie do zasilania uzwojenia pierwotnego transformatora jest wyprowadzony na złącze CON2.

Transformator, który zastosowałem ma moc 200 VA i dwa uzwojenia wtórne dostarczające napięcie po 30 V każde i obciążalności ok. 3,3 A. Napięcie z uzwojeń wtórnych jest doprowadzone na złącze CON3, a z niego trafia do prostownik złożony z 8 diod Schottky. Filtr za prostownikiem jest złożony z kondensatorów C4…C13 (6,8 mF) o małym LSR. Odfiltrowane napięcie trafia poprzez rezystor R4 na dzielnik rezystancyjny oraz zasila stabilizator dostarczający +12 V z układem LM2575. Układ ten został wyposażony w obwód detekcji napięcia zasilania złożony z diody D5, tranzystora T1 oraz rezystorów R5, R6 i R12. Gdy napięcie zasilania przekracza +28 V, zasilacz startuje i dostarcza napięcie +12 V zasilające sterownik U8, driver U7 oraz układ aktywnego chłodzenia. Zastosowanie przetwornicy impulsowej okazało się konieczne ze względu na duże napięcie wejściowe oraz spory prąd pobierany z szyny +12 V.

Dzielnik złożony z rezystorów R1, R3 i diody D1 umożliwia pomiar napięcia przez mikrokontroler. Pozwala to na pomiar obciążenia ładowarki i informuje o prawidłowym funkcjonowaniu obwodów zasilania. Ważną funkcję pełni detektor złożony z rezystorów R11, R13 oraz programowanej diody Zenera U4. Monitoruje on wzrost napięcia na kondensatorach podczas ich ładowania zaraz po załączeniu transformatora sieciowego. Jak wspomniałem, prąd sieci płynie poprzez rezystor R2 – jego rezystancja włączona szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora ogranicza płynący prąd uzwojenia pierwotnego. Tym samym prąd ładowania kondensatorów jest ograniczony, co powoduje ich powolne ładowanie. Po przekroczeniu napięcia +36 V na kondensatorach filtrujących, dioda U4 zaczyna przewodzić i załącza przekaźnik Prz1, co powoduje ominięcie zwarcie rezystora R2 i pracę z pełną wydajnością. Łatwo domyślić się, że opisywany obwód zapewnia łagodny start oraz – dodatkowo – zabezpiecza ładowarkę przed przeciążeniem. Jeśli ładowarka zostanie przeciążona spowoduje to spadek napięcia poniżej +36 V i przekaźnik Prz1 zostaje rozłączony. Prąd sieci płynie poprzez rezystor R2, co powoduje dalszy spadek napięcia. Wartość napięcia za dzielnikiem R1, R3 jest zinterpretowana przez program sterujący jako błąd w układzie zasilania, co powoduje przerwanie procesu ładowania i zaświecenie się odpowiednich lampek ostrzegających o wystąpieniu przeciążenia.

Napięcie zasilania jest podawane na tranzystor T2, który jest kluczem elektronicznym przetwornicy przepustowej. Wykorzystałem tu tranzystor z kanałem typu N, ponieważ ma mniejszą rezystancję RDS(on). Niestety, skomplikowało to układ sterowania tranzystorem. Za tranzystorem T2 znajduje się dioda usprawniająca Schottky D15 Dławik L2 gromadzi energię podczas przewodzenia T2, którą później oddaje do obciążenia, gdy tranzystor nie przewodzi. Dławik ma indukcyjność 47 μH i prąd nasycenia rzędu 30 A. Za cewką jest włączony kondensator filtrujący C15 o małym LSR i bocznik do pomiaru prądu złożony z połączonych równolegle rezystorów R14, R15, R17, R18 i R21. Za bocznikiem włączono kolejny kondensator (LSR) i dzielnik rezystancyjny złożony z R16 i R19 oraz styki przekaźnika wyjściowego Prz2. Do styków NC jest dołączony rezystor R20 (wykorzystany do startu przetwornicy). Styki NO są połączone ze złączem konektorowym CON4, które za złączem CON5 stanowi wyjście dla ładowanego akumulatora.