Автоэлектроника Печать
Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 
Автор: Administrator   

Автоэлектроника. – Тест.

Радиолюбительские и промышленные изделия и устройства для автомобилистов (кроме автозвука).

Обновляемый файловый архив по теме находится здесь, со временем, я надеюсь подготовить обзор с комментариями.Подмигиваю

 

Power Bank” для автомобильного аккумулятора.

Повышающий преобразователь напряжения с блоком автоматического управления, обеспечивающим температурозависимую зарядку и десульфатацию аккумуляторной батареи.

Разработано простое устройство (рисунок 1 - ЗУ в комплекте),  позволяющее заряжать автомобильный аккумулятор, подключённый к бортовой сети автомобиля, от другого аккумулятора напряжением 10 – 14 Вольт.

“Power Bank” для автомобильного аккумулятора.

Рисунок 1. Устройство в сборе: “Power Bank” для автомобильного аккумулятора с управлением по температуре и десульфатацией.

Устройство обеспечивает максимальный зарядный ток 1,5А при напряжении окончания заряда 13,5 – 16В, регулируемом в зависимости от температуры окружающего воздуха (температуры аккумулятора). Заряд производится в одном из двух режимов:

  1. Непрерывный режим зарядки со стабилизацией зарядного тока и  импульсным поддержанием напряжения окончания заряда. В этом режиме, по окончании заряда, напряжение на аккумуляторе поддерживается за счёт импульсов тока, подаваемых зарядным устройством по мере саморазряда аккумулятора или его разряда бортовыми потребителями. Такой алгоритм зарядки, под названием  "Pulsed Current Algorithm"реализован в специализированной ИС зарядного устройства свинцово – кислотных аккумуляторных батарей BQ2031 (Texas Instruments).

  2. Режиме десульфатации, когда импульсы стабилизированного зарядного тока и паузы в заряде следуют интервалами по 3 секунды. В паузах заряда, разряд аккумулятора производится не отключаемыми бортовыми потребителями, отбирающими, в зависимости от марки автомобиля и его комплектации охранными устройствами, до 100 и более мА тока, что хорошо соответствует принятым рекомендациям проведения десульфатации – в паузе между импульсами заряда, ток разряда должен быть равен, примерно, 10% зарядного тока. Достаточно длинные – 3 секунды – импульсы заряда и разряда, выбраны для улучшения диффузии электролита в активной массе и выравнивания его плотности в банке в целом. По окончании заряда с десульфатацией, устройство переходит в режим импульсного поддержания напряжения на АКБ.

При снижении напряжения на аккумуляторе – доноре, до уровня 10В, происходит отключение зарядного устройства от источника питания, с целью предотвращения его глубокого разряда.

Причины потери ёмкости автомобильным аккумулятором и известные способы компенсации потери заряда.

Все автомобильные аккумуляторы имеют саморазряд большей или меньшей степени. Аккумулятор, установленный на современном автомобиле, так же разряжается не отключаемыми потребителями – блоком управления зажиганием, охранной системой, особенно, если она с двухсторонним радиоканалом, мультимедийной системой, часами итп. Кроме того, возможны утечки по корпусу аккумулятора и стартера, особенно в осенне-зимний период, если автомобиль эксплуатируется на дорогах, обрабатываемых песко-соляной смесью.

В холодное время года, при отрицательных температурах, автомобильный аккумулятор отдаёт больше энергии стартеру, для запуска двигателя, и может не успевать восстановить утраченный заряд при поездках на малые расстояния, при отрицательных температурах воздуха.[1]

Недозаряженность аккумулятора приводит к снижению плотности электролита (увеличению доли воды в электролите), что может приводить к образованию льда в аккумуляторе, особенно в сильный мороз. Лёд разрушает платины аккумулятора, что приводит к общему снижению ёмкости батареи. В какой то момент становится невозможным завести двигатель автомобиля зимой, в мороз. Для решения этой проблемы автолюбители используют широко известные приёмы:

В случае, если автомобиль используется редко, для поездок, в основном, на короткие расстояния и хранится на улице, вдали от доступных источников электропитания 220В, хорошим решением подзарядки аккумулятора припаркованного автомобиля, является рассматриваемый Power Bank (PB), схема которого представлена на рисунке 2.

“Power Bank” для автомобильного аккумулятора с управлением по температуре и десульфатацией.

Рисунок 2. Принципиальная схема. “Power Bank” для автомобильного аккумулятора с управлением по температуре и десульфатацией.

На транзисторе T1 и управляемом стабилитроне DA1, собран самоблокирующийся компаратор, управляющий ключевым транзистором MOSFET T2, включённым в разрыв общего провода. При подключении зажимов X1, X2 к клеммам аккумулятора донора, импульс тока, проходящий через конденсатор С1 и переход сток – затвор транзистора T2, попадает на коллектор транзистора T1, к которому подключён делитель напряжения в цепи управляющего электрода стабилитрона DA1, вызывая на нём падение напряжения, достаточное для открывания стабилитрона. Протекающий через стабилитрон DA1, ток базы транзистора T1, приводит к полному открыванию этого транзистора, в результате чего, напряжение с аккумулятора – донора полностью прикладывается к делителю входа управления DA1. Компаратор переходит в устойчивое открытое состояние. Напряжение на коллекторе T1, подаваемое на затвор T2, надёжно открывает последний. При снижении напряжения на аккумуляторе – доноре, до уровня 9В, управляемый стабилитрон DA1 начинает закрываться, что приводит к уменьшению базового тока транзистора T1 и, как следствие, ещё большему уменьшению напряжения на его коллекторе и, как следствие, на управляющем электроде DA1. Процесс закрывания транзистора T1 и управляемого стабилитрона DA1 развивается лавинообразно, уменьшая напряжение на затворе T2 до нуля вольт, что приводит к полному закрытию T2. В этом режиме компаратор может оставаться бесконечно долго. Кнопка S1 служит для принудительного запуска зарядного устройства в случае, когда аккумулятор – донор разряжен настолько, что самовключение схемы невозможно. Диод D1 и предохранитель на входе устройства служат для защиты от переполюсовки при подключении к аккумулятору – донору.

Повышающий преобразователь напряжения собран по типовой схеме на основе ИС  XL6009E1[3]. Применён готовый модуль повышающего преобразователя (рисунок 3) рассчитанный на максимальный ток 3А (определяется диодом D2 – SS36 – 3А 60V (см. [3] стр. 6).

Модуль повышающго преобразователя напряжения на основе ИС  XL6009E1

Рисунок 3. Модуль повышающего преобразователя напряжения на основе ИС XL6009.

Для ограничения выходного ока преобразователя применён каскад обратной связи по току на транзисторе T3. Датчик тока – резистор сопротивлением 0,47 Ом включён между базой и эмиттером транзистора T3. При токе через этот резистор, порядка 1,5 А, транзистор T3 открывается, шунтируя верхнее плечо делителя напряжения обратной связи по напряжению, подключённого к выводу 5 ИС DA2. В результате увеличения потенциала на выводе 5 ИС DA2, выходное напряжение преобразователя снижается, чем достигается стабилизация и ограничение выходного тока. Важно понимать, что при полном выключении ИС DA2, когда напряжение на выводе 5 (обратная связь) близко к напряжению питания, подаваемому на вывод 4, напряжение аккумулятора – донора, по прежнему будет присутствовать на зажимах X3, X4, проходя по цепи L1,D2,D3,T2. Во избежание выхода из строя элементов схемы, при коротком замыкании выходных зажимов X3, X4,в схему введён узел автоотключения аккумулятора – донора при перегрузке по току. Узел собран на транзисторах Т5, Т6 и диоде Д20. Работает узел аварийного отключения следующим образом. При токе, через резистор – датчик тока R0,47 Ом, превышающем 2,5А, падение напряжение на этом резисторе составит 1,2В, что приведёт к открыванию диода Д20 и транзистора Т6. Коллекторный ток транзистора Т6 создаст падение напряжения на делителе в базе транзистора Т5, который открываясь шунтирует на общий провод, управляющий вход стабилитрона DA1, что эквивалентно резкому падению напряжения на аккумуляторе – доноре. При этом, стабилитрон DA1 закрывается, что приводит к последовательному закрыванию транзисторов Т1 и Т2, и, как следствие, прекращение тока через выходные зажимах Х3,Х4. В отключённом состоянии устройство будет находиться до устранения замыкания на выходе с последующим нажатием кнопки S1.

На операционном усилителе DA3 собран компаратор напряжения, порог переключения которого зависит от температуры термодатчика, собранного из восьми, включённых последовательно, диодов D4-D11[2]. Температурный коэффициент кремниевых диодов КД522, хорошо согласуется с нормой приращения напряжения заряда свинцово – кислотной аккумуляторной батареи, по мере снижения температуры электролита –40,5мВ/градС [1,2]. Электролитический конденсатор, ёмкостью 330 мкФ х 6В, включённый между выводом 2 DA3 и общим проводом, предназначен для некоторой стабилизации колебания опорного напряжения, возникающей, по мере разряда аккумулятора – донора, особенно в тех случаях, когда этот аккумулятор имеет значительное внутреннее сопротивление (например, используется автомобильный аккумулятор снятый с эксплуатации на автомобиле из за потери ёмкости). Диод D12 и включённый последовательно с ним резистор 160КОм образуют цепь положительной обратной связи, формирующую гистерезис компаратора.

Входной делитель напряжения компаратора,  подключенный к не инвертирующему входу DA3, выбран так, что при достижении на зажимах X3, X4, напряжения равного 13,5 В при температуре термодатчика 22 градС (комнатной температуре), напряжение на выходе компаратора DA3 принимало уровень логической единицы ( 8-9В). Выходной сигнал с выхода компаратора – вывод 6 DA3 – поступает на один из входов логического элемента 2И, собранного на диодах D13, D14 и резисторе 100Ком, и далее на вход одновибратора на D-триггере DD1.1. Одновибратор работает следующим образом. В исходном состоянии, когда напряжение на клеммах заряжаемой аккумуляторной батареи ниже напряжения срабатывания компаратора DA3, на входе S (вывод 6) элемента DD1.1 будет присутствовать логический 0. На выходе Q (вывод 1 DD1.1) так же будет логический 0. Диод D17 будет открыт и конденсатор C11 разряжен. При достижении, на клеммах аккумуляторной батареи, напряжения срабатывания компаратора DA3, на входе S DD1.1 появляется логическая единица, триггер меняет своё состояние, и на выходе Q устанавливается логическая 1. Диод D17 закрывается и конденсатор C11 начинает заряжаться через резистор сопротивлением 510 Ком, подключённый к положительной шине питания. В то же время, положительное напряжение с выхода Q DD1.1 поступает, через резистивный делитель, на базу транзистора Т4, который открывается и шунтирует на общий провод базу транзистора T3, который так же полностью открывается, подавая напряжение питания на вход обратной связи повышающего преобразователя напряжения на ИС DA2 (LX6009E1). Преобразователь останавливает свою работу, диод Шотки – В3 – запирается, так как напряжение на заряжаемом аккумуляторе, в момент срабатывания компаратора DA3, больше чем на аккумуляторе доноре, за вычетом падения напряжения на диоде D2. Заряд аккумулятора  прекращается и начинается его разряд через внутренние и внешние утечки, и, главным образом, через цепи не отключаемых потребителей бортовой сети автомобиля.

Постоянная времени цепи С11R510КОм составляет, примерно 3 секунды, в течение которых выход Q одновибратора на элементе DD1.1 находится в состоянии логической 1, и повышающий преобразователь напряжения остановлен, даже если напряжение на выходе компаратора DA3 снова снизилось до логического нуля в результате падения напряжения на заряжаемом аккумуляторе. Если же напряжение на клеммах заряжаемого аккумулятора не упало ниже порога переключения компаратора DA3, и уровень логической 1 сохранился на входе S к моменту зарядки конденсатора С11, триггер DD1.1 сохраняет своё состояние, несмотря на появление на входе R, логической 1. Теперь, логический 0, на выходе Q DD1.1 установится только после того, как напряжение на заряжаемом аккумуляторе снизится до порога переключения DA3. Таким образом, ждущий мультивибратор на триггере DD1.1 обеспечивает гарантированную паузу в возобновлении подачи напряжения заряда, на аккумулятор, уже заряженный до напряжения, заданного порогом переключения компаратора DA3, с учётом температуры окружающего воздуха или заряжаемой аккумуляторной батареи.

На триггере DD1.2 собран мультивибратор, обеспечивающий работу устройства в режиме десульфатации. Мультивибратор вырабатывает положительные импульсы длительностью около 6 секунд с паузами по 0,3 секунды. Через диод D13, положительные импульсы поступают на вход одновибратора, собранного на триггере DD1.1 и запускают его. Так как длительность положительного импульса, на выходе одновибратора DD1.1 составляет 3 секунды, пауза, перед следующим положительным импульсом составит, так же, 3 секунды - остаток времени действия запускающего импульса, приложенного ко входу S, одновибратора DD1.1. Последовательность прямоугольных импульсов с длительностью и паузами по 3 секунды, поступают, через делитель напряжения,  на базу ключевого транзистора T4. Периодически открываясь, T4 шунтирует на общий провод, базу транзистора T3, который, открываясь, своим коллекторным током увеличивает падение напряжения в делителе обратной связи ИС DA2 (LX6009E1), останавливая её работу. В паузах между подачей зарядного тока, аккумулятор автомобиля разряжается на не отключаемую нагрузку (ЭБУ, сигнализация, иммобилайзер, муз. центр итп). В режиме десульфатации, импульсы зарядного тока и паузы между ними, выбраны достаточно длительными (по 3 секунды), чтобы обеспечить выравнивание плотности электролита вокруг пластин в банках АКБ. При замыкании выключателя S2 на общий провод, работа мультивибратора на триггере DD1.2 прекращается, на его выходе (вывод 13), устанавливается низкий логический уровень, исключающий влияние мультивибратора режима десульфатации на работу зарядного устройства, обеспечивающего, в этом случае, непрерывный режим зарядки со стабилизацией зарядного тока и  импульсным поддержанием напряжения окончания заряда, описанный выше.

На стадии разработки и тестирования, был собран макет зарядного устройства, представленный на рисунке 4.

Макет “Power Bank” для автомобильного аккумулятора.

Рисунок 4. Макет “Power Bank” для автомобильного аккумулятора.

Функциональные блоки схемы собирались последовательно, объёмным монтажом. Это позволило последовательно проработать отдельные части схемы и произвести настройку, в условиях, приближенных к реальным. В качестве донора и акцептора, использовались резервный автомобильный аккумулятор и аккумулятор шуруповёрта Skil, составленный из двух, включённых последовательно, батарей, ёмкостью 3,2 АЧ и напряжением 6,3В, каждая.

Финальная версия "Повер Банка" для автомобильного аккумулятора собрана на плате из не фольгированного стеклотекстолита. Размер платы - 53х78мм, выбран исходя из размеров имевшегося стандартного корпуса для радиолюбительских конструкций, размерами 84х59х23 мм (см. рисунок 5).

Вид на сторону элементов платы "Повер Банка" для автомобильного аккумулятора.

Рисунок 5. Вид на сторону элементов платы "Повер Банка" для автомобильного аккумулятора.

Вместо печатных проводников, использовались выводы устанавливаемых деталей и лужёная проволока диаметром 0,3мм. детали устанавливались "по месту", с учётом максимально плотной компановки (см. рисунок 6).

Вид на сторону распайки проводников "Повер Банка" для автомобильного аккумулятора.

Перемычки выполнялись проводом МГТФ, со стороны установки деталей. ( ОФФ: Отверстия в плате остались от предыдущей конструкции - реле регулятора, тоже термокомпенсированных, для генератора автомобиля ВАЗ-2108 итп, каковых я сделал, два разных, более десяти лет назад. Первый - с релейным принципом регулирования, а второй с ШИМ по питанию возбуждающей обмотки генератора. Тот что релейный, я разобрал, а более совершенный регулятор, с ШИМ, жив до сих пор.) Термодатчик - 8, соединённых последовательно, диодов КД522Б (D4 - D11), помещён в двойную термоусадочную трубку и вынесен за пределы корпуса устройства, на коротких проводниках. Размещать термодатчик на аккумуляторе, не имеет смысла, так как эксплуатация предлагаемого зарядного устройства предполагается на припаркованном автомобиле, который не заводился уже много дней. В этом случае, температура АКБ и температура воздуха в салоне автомобиля, примерно совпадают, что является достаточным условием подстройки режима работы зарядного устройства.

 

Литература:

  1. Термокомпенсированный регулятор напряжения. Ломанович В.А. — Радио №5, 1985г, стр. 24-27.
  2. Простой термокомпенсированный регулятор напряжения. С.Бирюков, Радио №1, 1994г. стр 34 – 35.
  3. XL6009E1 - 400KHz 60V 4A Switching Current Boost / Buck-Boost / Inverting DC/DC Converter

 

Дополнительная литература:
1. В. Коновалов,А.Разгильдеев. Восстановление аккумуляторов.Радиомир 2005 №3 с.7.
2. В.Коновалов. А.Вантеев. Технология гальванопластики.Радиолюбитель №9.2008.
3. В.Коновалов. Пульсирующее зарядно-восстановительное устройство Радиолюбитель № 5 /2007г. стр.30.
4. В.Коновалов. Ключевое зарядное устройство. Радиомир №9/2007 с.13.
5. Д.А.Хрусталёв. Аккумуляторы.г. Москва. Изумруд.2003 г.
6. В.Коновалов «Измерение R-вн АБ».«Радиомир» №8 2004 г. стр.14.
7. В.Коновалов «Эффект памяти снимает вольтдобавка.» «Радиомир» №10.2005 г. стр. 13.
8. В.Коновалов «Зарядно –восстановительное устройство для NI-Cd аккумуляторов.». «Радио» №3 2006 г. стр.53.
9. В.Коновалов. «Регенератор АКБ». Радиомир 6/2008 стр14.
10.В.Коновалов. «Импульсная диагностика аккумулятора». Радиомир №7 2008г. стр.15.
11. В.Коновалов. «Диагностика аккумулятора сотовых телефонов». Радиомир 3/2009 11стр.
12. В.Коновалов. «Восстановление аккумуляторов переменным током» Радиолюбитель 07/2007 стр 42.

Обновлено 31.05.2017 22:46