Як із комп'ютерного блоку живлення формату АТ/АТХ та саморобного блоку управління виготовити досить-таки «розумний» зарядний пристрій для свинцево-кислотних акумуляторних батарей.
До них належать т.зв. "УПС-ові", автомобільні та інші АКБ широкого застосування.
Опис
Пристрій призначений для зарядки та тренування (десульфатації) свинцево-кислотних АКБ ємністю від 7 до 100 Ач, а також для приблизної оцінки рівня їхнього заряду та ємності. ЗУ має захист від неправильного включення батареї (переполюсування) та від короткого замикання випадково кинутих клем. У ньому застосовано мікроконтролерне управління, завдяки чому здійснюються безпечні та оптимальні алгоритми зарядки: IUoU або IUIoU, з наступною «добивкою» до 100% рівня зарядки. Параметри заряджання можна підлаштувати під конкретний акумулятор (профілі, що настроюються) або вибрати вже закладені в керуючій програмі. Конструктивно зарядний пристрій складається з блоку живлення АТ/АТХ, який потрібно трохи доопрацювати і блок управління на МК ATmega16A. Весь пристрій вільно монтується у корпусі того ж блока живлення. Система охолодження (штатний кулер БП) вмикається/вимикається автоматично.
Переваги даного ЗУ - його відносна простота і відсутність трудомістких регулювань, що особливо актуально для радіоаматорів-початківців.
Основні режими роботи пристрою закладені у програму передустановок (профілів).
1. Режим заряджання – меню «Заряд». Для акумуляторів ємністю від 7Ач до 12Ач за замовчуванням встановлено алгоритм IUoU. Це означає:
- перший етап-зарядка стабільним струмом 0,1С до досягнення напруги 14,6В
- другий етап-зарядка стабільною напругою 14,6В, поки струм не впаде до 0,02С
- третій етап-підтримка стабільної напруги 13.8В, поки струм не впаде до 0.01С. Тут C - ємність батареї А/ч.
- четвертий етап – «добивка». У цьому етапі відстежується напруга на АКБ. Якщо воно падає нижче 12.7В, включається заряд із самого початку.
Для стартерних АКБ (від 45 Ач та вище) застосовуємо алгоритм IUIoU. Замість третього етапу включається стабілізація струму на рівні 0.02C до досягнення напруги на АКБ 16В або після часу близько 2-х годин. По закінченню цього етапу зарядка припиняється і починається добивання. Це четвертий етап. Процес заряду проілюстрований графіками мал.1 та мал.2.
2. Режим тренування (десульфатації) – меню «Тренування». Тут здійснюється тренувальний цикл: 10 секунд – розряд струмом 0,01С, 5 секунд – заряд струмом 0.1С. Зарядно-розрядний цикл триває, доки напруга на АКБ не підніметься до 14.6В. Далі – звичайний заряд.
3. Режим тестування батареї. Дозволяє приблизно оцінити рівень розряду АКБ. Батарея навантажується струмом 0,01С на 15 секунд, потім вмикається режим вимірювання напруги на АКБ.
4. Контрольно-тренувальний цикл (КТЦ). Якщо попередньо підключити додаткове навантаження і включити режим «Заряд» або «Тренування», то в цьому випадку спочатку буде виконано розрядження АКБ до напруги 10.8В, а потім увімкнеться відповідний вибраний режим. При цьому вимірюються струм і час розряду, таким чином підраховується зразкова ємність АКБ. Ці параметри відображаються на дисплеї після закінчення зарядки (коли з'явиться напис «Батарею заряджено»), натиснувши кнопку «Вибір». Як додаткове навантаження можна застосувати автомобільну лампу розжарювання. Її потужність вибирається, виходячи з необхідного струму розряду. Зазвичай його задають рівним 0.1С - 0.05С (струм 10-ти або 20-ти годинного розряду).
Переміщення по меню здійснюється кнопками "вліво", "вправо", "вибір". Кнопкою «ресет» здійснюється вихід із будь-якого режиму роботи ЗУ в головне меню.
Основні параметри зарядних алгоритмів можна налаштувати під конкретний акумулятор, для цього в меню є два профілю, що настроюються - П1 і П2. Налаштовані параметри зберігаються в незалежній пам'яті (EEPROM).
Щоб потрапити в меню налаштувань, потрібно вибрати будь-який з профілів, натиснути кнопку «вибір», вибрати «установки», «параметри профілю», профіль П1 або П2. Вибравши потрібний параметр, натискаємо "вибір". Стрілки "вліво" або "вправо" зміняться на стрілки "вгору" або "вниз", що означає готовність параметра зміни. Вибираємо потрібне значення кнопками "вліво" або "вправо", підтверджуємо кнопкою "вибір". На дисплеї з'явиться напис «Збережено», що означає запис значення EEPROM.
Значення налаштувань:
- "Алгоритм заряду". Вибирається IUoU чи IUIoU. Див. графіки на рис.1 та рис.2.
- "Ємність АКБ". Задаючи значення цього параметра, ми задаємо струм зарядки першому етапі I=0,1C, де С- ємність АКБ В Ач. (Отже, якщо потрібно задати струм заряду, наприклад 4,5А, слід вибрати ємність АКБ 45Ач).
- "Напруга U1". Це напруга, у якому закінчується перший етап зарядки і починається другий. За замовчуванням встановлено значення 14,6В.
- "Напруга U2". Використовується лише якщо заданий алгоритм IUIoU. Це напруга, у якому закінчується третій етап зарядки. За замовчуванням – 16В.
- "Струм 2-го етапу I2". Це значення струму, у якому закінчується другий етап зарядки. Струм стабілізації на третьому етапі для алгоритму IUIoU. За замовчуванням встановлено значення 0,2С.
- "Закінчення заряду I3". Це значення струму, після досягнення якого зарядка вважається закінченою. За замовчуванням встановлено значення 0,01С.
- "Струм розряду". Це значення струму, яким здійснюється розряд АКБ під час тренування зарядно-розрядними циклами.
Вибір та переробка блоку живлення
У нашій конструкції ми використовуємо блок живлення від комп'ютера. Чому? Причин кілька. По-перше, це практично готова силова частина. По-друге, це і корпус нашого майбутнього пристрою. По-третє, він має малі габарити та вагу. І, по-четверте, його можна придбати практично на будь-якому радіоринку, барахолці та комп'ютерних сервісних центрах. Як кажуть, дешево та сердито.
З усього різноманіття моделей блоків живлення нам найкраще підходить блок формату ATX, потужністю не менше 250 Вт. Потрібно лише врахувати таке. Підходять лише блоки живлення, у яких застосований ШИМ-контролер TL494 чи його аналоги (MB3759, КА7500, КР1114ЕУ4). Можна також застосувати і БП формату AT, тільки доведеться виготовити ще малопотужний блок чергового живлення на напругу 12В і струм 150-200мА. Різниця між AT та ATX – у схемі початкового запуску. АТ запускається самостійно, живлення мікросхеми ШІМ-контролера береться з 12-вольтової обмотки трансформатора. В ATX для початкового живлення мікросхеми служить окреме джерело 5В, зване джерело чергового живлення або чергування.
Отже, блок живлення є. Спершу необхідно його перевірити на справність. Для цього його розбираємо, виймаємо запобіжник і замість нього підпаюємо лампу розжарювання 220В потужністю 100-200Вт. Якщо на задній панелі БП є перемикач напруги, то він повинен бути встановлений на 220В. Включаємо БП у мережу. Блок живлення АТ запускається відразу, для ATX потрібно замкнути зелений та чорний дроти на великому роз'ємі. Якщо лампочка не світиться, кулер обертається, а вся вихідна напруга в нормі - значить, нам пощастило і наш блок живлення робітник. В іншому випадку, доведеться зайнятися його ремонтом. Залишаємо лампочку поки що на місці.
Для переробки БП в наш майбутній зарядний пристрій нам потрібно трохи змінити «обв'язування» ШІМ-контролера. Незважаючи на величезну різноманітність схем блоків живлення, схема включення TL494 стандартна і може мати пару варіацій, залежно від того, як реалізовані захисту струму та обмеження напруги. Схема переробки показано на рис.3. На ній показано лише один канал вихідної напруги: +12В. Інші канали: +5В, -5В, +3,3В не використовуються. Їх обов'язково потрібно відключити, перерізавши відповідні доріжки або випаявши з ланцюгів елементи. Які, до речі, нам можуть і стати в нагоді для блоку управління. Про це трохи пізніше. Червоним кольором є елементи, які встановлюються додатково. Конденсатор С2 повинен мати робочу напругу не нижче 35В і встановлюється замість існуючого БП. Після того, як «обв'язування» TL494 приведено до схеми на рис.3, включаємо БП у мережу. Напруга на виході БП визначається за формулою: Uвых=2,5*(1+R3/R4) і за вказаних на схемі номіналах має становити близько 10В. Якщо це не так, доведеться перевірити правильність монтажу. На цьому переробка закінчена, можна забирати лампочку і ставити на місце запобіжник.
Схема та принцип роботи
Схема блоку управління показано на рис.4. Вона досить проста, оскільки всі основні процеси виконує мікроконтролер. У його пам'ять записується керуюча програма, у якій закладено всі алгоритми. Управління блоком живлення здійснюється за допомогою ШІМ з виведення PD7 МК та найпростішого ЦАП на елементах R4, C9, R7, C11. Вимірювання напруги АКБ і зарядного струму здійснюється засобами мікроконтролера - вбудованим АЦП і керованим диференціальним підсилювачем. Напруга АКБ на вхід АЦП подається з дільника R10R11, зарядний та розрядний струм вимірюються наступним чином. Падіння напруги з вимірювального резистора R8 через дільники R5R6R10R11 подається на підсилювальний каскад, що знаходиться всередині МК та підключений до висновків PA2, PA3. Коефіцієнт його посилення встановлюється програмно, залежно від струму, що вимірюється. Для струмів менше 1А коефіцієнт посилення (КУ) визначається рівним 200, для струмів вище 1А КУ=10.
Вся інформація виводиться на РКІ, підключений до портів РВ1-РВ7 по чотирипровідній шині. Захист від переполюсування виконаний на транзисторі Т1, сигналізація неправильного підключення - на елементах VD1, EP1, R13. При включенні зарядного пристрою мережу транзистор Т1 закритий низьким рівнем з порту РС5, і АКБ відключена від зарядного пристрою. Підключається вона тільки при виборі меню типу АКБ і режиму роботи ЗУ. Цим забезпечується відсутність іскріння при підключенні батареї. При спробі підключити акумулятор у неправильній полярності спрацює зумер ЕР1 та червоний світлодіод VD1, сигналізуючи про можливу аварію. У процесі заряду постійно контролюється зарядний струм. Якщо він дорівнює нулю (зняли клеми з АКБ), пристрій автоматично переходить у головне меню, зупиняючи заряд і відключаючи батарею. Транзистор Т2 і резистор R12 утворюють розрядний ланцюг, який бере участь у зарядно-розрядному циклі десульфатуючого заряду (режим тренування) та в режимі тесту АКБ. Струм розряду 0.01С задається за допомогою ШІМ з порту PD5. Кулер автоматично вимикається, коли струм заряду падає нижче 1,8А. Керує кулером порт PD4 та транзистор VT1.
Деталі та конструкція
Мікроконтролер. У продажу зазвичай зустрічаються у корпусі DIP-40 або TQFP-44 і маркуються так: ATMega16A-PU або ATMega16A-AU. Літера після дефісу позначає тип корпусу: "P" - корпус DIP, "A" - корпус TQFP. Зустрічаються також і зняті з виробництва мікроконтролери ATMega16-16PU, ATMega16-16AU або ATMega16L-8AU. Вони цифра після дефісу позначає максимальну тактову частоту контролера. Фірма-виробник ATMEL рекомендує використовувати контролери ATMega16A (саме з літерою «А») і в корпусі TQFP, тобто, такі: ATMega16A-AU, хоча в нашому пристрої будуть працювати всі перераховані вище екземпляри, що і підтвердила практика. Типи корпусів відрізняються також кількістю виводів (40 або 44) та їх призначенням. На рис.4 зображено принципову схему блоку управління для МК в корпусі DIP.
Резистор R8 - керамічний або дротяний, потужністю не менше 10 Вт, R12 7-10Вт. Решта - 0.125Вт. Резистори R5, R6, R10 та R11 потрібно застосовувати з допустимим відхиленням 0.1-0.5%. Від цього залежатиме точність вимірювань і, отже, правильна робота всього пристрою.
Транзистори T1 та Т1 бажано застосовувати такі, як зазначені на схемі. Але якщо доведеться підбирати заміну, необхідно враховувати, що вони повинні відкриватися напругою на затворі 5В і, звичайно ж, повинні витримувати струм не нижче 10А. Підійдуть, наприклад, транзистори з маркуванням 40N03GР, які іноді використовуються в тих же БП формату АТХ, ланцюги стабілізації 3,3В.
Діод Шоттки D2 можна взяти з того ж БП, з кола +5В, який у нас не використовується. Елементи D2, Т1 та Т2 через ізолюючі прокладки розміщуються на одному радіаторі площею 40 квадратних сантиметрів. Буззер EP1 - з вбудованим генератором, на напругу 8-12, гучність звучання можна підрегулювати резистором R13.
Рідкокристалічний індикатор – WH1602 або аналогічний на контролері HD44780, KS0066 або сумісних з ними. На жаль, ці індикатори можуть мати різне розташування виводів, тож, можливо, доведеться розробляти друковану плату під свій екземпляр.
Налагодження
Отже, блок живлення перероблений та видає напругу близько 10В. При підключенні до нього справного блоку управління з прошитим МК, напруга повинна впасти до 0.8..15В. Резистором R1 встановлюється контрастність індикатора. Налагодження пристрою полягає у перевірці та калібруванні вимірювальної частини. Підключаємо до клем акумулятор або блок живлення напругою 12-15В і вольтметр. Заходимо в меню "Калібрування". Звіряємо показання напруги на індикаторі зі показаннями вольтметра, при необхідності коригуємо кнопками «<» і «>». Натискаємо "Вибір". Далі йде калібрування струмом при КУ=10. Тими ж кнопками "<" і ">" потрібно виставити нульові показання струму. Навантаження (акумулятор) при цьому автоматично вимикається, тому струм заряду відсутній. В ідеальному випадку там мають бути нулі або дуже близькі до нуля значення. Якщо це так, це говорить про точність резисторів R5, R6, R10, R11, R8 і хорошу якість диференціального підсилювача. Натискаємо "Вибір". Аналогічно – калібрування для КУ=200. "Вибір". На дисплеї з'явиться "Готово" і через 3 сек. пристрій перейде до головного меню.
Калібрування закінчено. Поправочні коефіцієнти зберігаються в незалежній пам'яті. Тут варто відзначити, що якщо при першому калібруванні значення напруги на РКІ сильно відрізняється від показань вольтметра, а струми при якому - або КУ сильно відрізняються від нуля, потрібно застосувати (підібрати) інші резистори дільника R5, R6, R10, R11, R8, інакше у роботі пристрою можливі збої. При точних резисторах (з допуском 0,1-0,5%) поправочні коефіцієнти дорівнюють нулю або мінімальні. На цьому налагодження закінчується. І на закінчення. Якщо напруга або струм зарядного пристрою на якомусь етапі не зростає до належного рівня або пристрій вискакує в меню, потрібно ще раз уважно перевірити правильність доробки блоку живлення. Можливо, спрацьовує захист.
