Зарядные устройства на основе специализированных микросхем

С целью упростить разработку и производство высококачественных зарядных устройств многие производители выпускают для этих целей специализированные микросхемы. В качестве примера рассмотрим зарядные устройства на основе микросхем производства фирмы MAXIM и Unitrode.

Рис. 8.18. Схема зарядного устройства на микросхемах MAXIM

На рис. 8.18 представлена схема зарядного устройства свинцово-кислотных аккумуляторных батарей на двух микросхемах. Оно предназначено для заряда батарей небольшой емкости. Особенностью свинцово-кислотных батарей является выбор небольшого тока заряда. Конечно, батарею емкостью 5 Ач можно зарядить за 1 час током равным 1С — 5 А, но лучший вариант — заряжать меньшим током в 0,1С — 500 мА — за 10 часов. Такой выбор неслучаен: при большом токе заряда очень активно про-

текают химические процессы окисления решетки пластин. Это резко сокращает срок службы батарей. Именно поэтому сначала их заряжают током основного заряда, а затем полностью заряженную батарею подзаряжают током компенсационного (струйного) заряда очень малой величины — часто менее 0,001С.

В описываемом зарядном устройстве микросхема IC1 выполняет функции повышающего импульсного преобразователя напряжения, обеспечивающего номинальное напряжение основного заряда 12-вольтовой батареи равное 15,2 В. После окончания основного начинается фаза компенсирующего заряда. При этом напряжение заряда уменьшается до 13,2 В. Благодаря использованию импульсного трансформатора вместо катушки индуктивности обеспечена развязка между источником питания и нагрузкой — аккумуляторной батареей. Поэтому входное напряжение может изменяться в широких пределах (5... 16 В), а выходное при этом остается неизменным.

Для начала заряда достаточно нажать кнопку START. Микросхема IC2 измеряет ток заряда. Это происходит следующим образом: на выв. 8 (OUT) формируется ток, который изменяется пропорционально току заряда но имеет значительно меньшую величину — 1/2000 тока заряда. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R5, которое прикладывается к выв. 5 (LBI) микросхемы IC1. Если ток заряда батареи станет меньше значения, например, 0,01С, сработает компаратор микросхемы IC1, и на ее выв. 4 (LBO) сформируется сигнал лог. 0. При этом транзистор Q2 закроется. Это вызовет изменение сигнала обратной связи, в результате чего напряжение заряда уменьшится до 13,2 В.

На рис. 8.19 изображена зарядная характеристика устройства — зависимость выходного напряжения от тока заряда. Сначала работа преобразователя напряжения нерегулируема, т. к. напряжение на батарее меньше 12 В. По мере его увеличения ток заряда изменяется так, как показано на графике.

Совершенные микросхемы для зарядных устройств свинцово-кислотных батарей выпускает и фирма Unitrode. Рассмотрим две из них — UC2906 и UC3906. Эти микросхемы контроллеров заряда аналогичны по параметрам. Они обеспечивают:

• оптимальное управление процессом заряда, что способствует сохранению максимальных емкости и срока службы свинцово-кислотных батарей;

166

Схемотехника зарядных устройств

167

Рис. 8.19. Характеристики зарядного устройства при различных значениях напряжения питания

Рис. 8.20. Схема зарядного устройства двухступенчатого плавающего заряда

• трехступенчатый заряд, управляемый логическим устрой
ством микросхемы;

• прецизионную (высокоточную) регулировку напряжения
заряда при изменении температуры окружающей среды;

• управление как выходным напряжением, так и выходным
током зарядного устройства;

• функции системного интерфейса;

• предельную простоту схемы зарядного устройства.

В режиме ожидания микросхемы потребляют малый ток — 1,6 мА. Напряжение питания составляет 10...40 В. Микросхемы выпускаются в различных корпусах: DIL-16, SOIC-16, PLCC-20, LCC-20.

На основе микросхемы UC2906 (UC3906) можно создавать зарядные устройства двух типов:

• двухступенчатого плавающего заряда (заряд при постоян
ном напряжении заряда);

• двухступенчатого компенсационного заряда (заряд при по
стоянном токе заряда).

На рис. 8.20 приведена схема зарядного устройства, обеспечивающего двухступенчатый плавающий заряд батарей. Заряд происходит поэтапно. На первом этапе при включении напряжения питания батарея подзаряжается током струйной подзаряд-

ки до напряжения V_r. По его достижении зарядное устройство переходит в режим основного заряда. При этом ток заряда максимален. После того как батарея зарядится, по достижении напряжения V₁₂ зарядное устройство определяет его как напряжение перезаряда. Режим перезаряда продолжается недолго: когда напряжение на батарее незначительно увеличится до порогового значения напряжения перезаряда V_oc, ток заряда начнет снижаться. Он будет снижаться до значения I_ост и, как только достигнет этой величины, на выходе токочувствительного усилителя появится сигнал высокого уровня. Он, поступив на выв. 8 микросхемы переведет ее в состояние плавающего заряда. При этом на батарее постоянно будет поддерживаться напряжение плавающего заряда V_F.

Если нагрузка перейдет на резервное питание от батареи, она станет разряжаться, и как только ее напряжение достигнет напряжения конца разряда V₃₁, процесс заряда повторится вновь.

Расчет схемы зарядного устройства прост:

1. Выбирают ток делителя RA, RB, RC — I_D. Рекомендуется
его значение принять равным 50... 100 А.

2. Рассчитывают сопротивление резистора RC:

168

Схемотехника зарядных устройств

169

3. Рассчитывают суммарное сопротивление резисторов делителя:

где V_F — напряжение плавающего заряда.

4. Рассчитывают сопротивление резистора RD:

где V_oc — напряжение перезаряда.

5. Рассчитывают сопротивление резистора RA:

где V_T — напряжение начала основного заряда, a R_x = = RC- RD/(RC+ RD).

6. Вычисляют сопротивление резисторов RB = R_SUM - R_A и
RS= 0,25 В / I_МАХ (I_МАХ — максимальный ток основного заряда).

7. Определяют R Т:

8. Рассчитывают величину тока, при котором зарядное
устройство перейдет в режим плавающего заряда: I_ост = I_МАХ/10.

9. Значения других напряжений выбираются из расчета:
V₁₂ = 0,95V_OC; V₃₁ = 0,90 ■ V_F.

На рис. 8.21 изображена схема зарядного устройства для двухступенчатого компенсационного заряда. Его удобно использовать при заряде нескольких последовательно включенных аккумуляторов или аккумуляторных батарей. Работает оно следующим образом. При включении питания батарея заряжается током заряда, равному сумме максимального тока нормального заряда I_МАХ и тока компенсационного заряда I_н. После того как напряжение батареи достигнет значения V₁₂ — напряжения конца заряда, произойдет автоматическое снижение выходного напряжения зарядного устройства до напряжения плавающего заряда, и ток заряда при этом будет иметь значение I_н. При разряде батареи на нагрузку, как только ее напряжение уменьшится до значения V_F, она начнет заряжаться полным током заряда —