Zasilacz - ładowarka do akumulatorów.pdf

(234 KB) Pobierz

O J

Y R O J E A T G R A GN A N I C ZN E

Z K Y Z A R I C Z N

Zasilacz/ładowarka do

akumulatorów

Wczeúniej czy pÛüniej, ale

prawie kaødemu potrzebny

bywa czasem zestaw

akumulatorowy, zapewniaj¹cy

zasilanie z†dala od gniazdek

sieciowych. PaotrzebÍ tak¹

moøe mieÊ radioamator,

wÍdkarz czy teø turysta

pragn¹cy mieÊ przenoúne,

bezpieczne oúwietlenie

elektryczne.

Zestawy akumulatorÛw

NiCd maj¹ ma³e rozmiary

i†s¹ bardzo wydajne, ale

ograniczenia technologiczne

powoduj¹, øe iloúÊ

dostarczanej przez pojedyncze

ogniwo energii jest niewielka.

Typowy akumulator AA NiCd

ma pojemnoúÊ oko³o 500mAh,

co oznacza, øe przez godzinÍ

moøe dostarczaÊ pr¹d

o†natÍøeniu 500mA, a†raczej

przez 10 godzin pr¹d

o†natÍøeniu 50mA.

WiÍksz¹ moc i†d³uøszy czas pra-

cy moøemy osi¹gn¹Ê dziÍki wyko-

rzystaniu innych typÛw akumulato-

rÛw. Najlepszym wyborem wydaje

siÍ byÊ kwasowo-o³owiowy akumu-

lator øelowy. Ten bliski krewny

akumulatora samochodowego ma

elektrolit w†postaci øelu, ktÛry - jeúli

tylko obudowa akumulatora nie zo-

sta³a uszkodzona - nie moøe siÍ

wylaÊ. Akumulatory takie mog¹ dzia-

³aÊ w†dowolnym po³oøeniu i†maj¹

duø¹ pojemnoúÊ. Typowy akumula-

tor 12V/7Ah jest rÛwnowaøny zesta-

wowi 10 ogniw AA po³¹czonych

szeregowo, ale moøe dostarczyÊ pr¹d

o†natÍøeniu 14-krotnie wiÍkszym.

Jego wymiary wynosz¹ tylko 6,5cm

x†15cm x†10cm.

W†artykule przedstawione zo-

stan¹ dwa warianty urz¹dzenia,

wykorzystuj¹ce tÍ sam¹ p³ytkÍ

drukowan¹. RÛøni¹ siÍ one tym,

øe jeden zawiera zasilacz oraz

³adowarkÍ do akumulatorÛw daj¹-

c¹ pr¹d o†natÍøeniu 1A, natomiast

drugi zawiera wy³¹cznie urz¹dze-

nie do ³adowania akumulatorÛw

pr¹dem o†wiÍkszym natÍøeniu.

nych, m.in. ürÛd³o napiÍcia od-

niesienia oraz uk³ady steruj¹ce.

Opisany prototyp ³adowarki ma

za zadanie utrzymywaÊ w†stanie

na³adowania wewnÍtrzny akumu-

lator øelowy, ³aduj¹c go pr¹dem

o†maksymalnym natÍøeniu 1A.

Rozwi¹zanie ma zapewniÊ nie

tyle szybkie ³adowanie, ile ci¹g³¹

gotowoúÊ akumulatora do pracy.

Akumulatory øelowe oraz aku-

mulatory kwasowo-o³owiowe s¹

zazwyczaj ³adowane ze ürÛd³a

o†sta³ym napiÍciu, nie zaú pr¹-

dem o†sta³ym natÍøeniu, jak to

jest w†przypadku akumulatorÛw

NiCd. Jak wynika ze schematu

uk³adu oraz przebiegÛw przedsta-

wionych na

rys. 2,

uk³ad UC3906

emuluje ³adowanie ze ürÛd³a sta-

³ego napiÍcia, steruj¹c prac¹ sze-

regowego tranzystora Darlingtona

TR1, przez ktÛry s¹ ³adowane

akumulatory. Z†napiÍcia zmienne-

go 18V, ktÛre wystÍpuje na uzwo-

jeniu wtÛrnym transformatora sie-

ciowego T1, mostek prostowniczy

REC1 i†kondensator C1 zapewniaj¹

napiÍcie sta³e oko³o 24V. Niesta-

bilizowane napiÍcie 24V podawa-

ne jest na wyprowadzenie 5†uk³a-

du IC1. W†przypadku od³¹czenia

napiÍcia zasilania uk³ad zostaje

zablokowany i†stan ten utrzymuje

siÍ do momentu, w†ktÛrym napiÍ-

cie na wyprowadzeniu 5†przekro-

czy 5V. Gdy to nast¹pi, na

£adowarka

Schemat elektryczny ³adowarki

przedstawiono na

rys. 1.

Serce

urz¹dzenia stanowi uk³ad scalony

UC3906 firmy Unitrode, ktÛry

w†16-nÛøkowej obudowie mieúci

wiele rÛønych blokÛw funkcjonal-

Rys. 1. Schemat ideowy zasilacza/ładowarki 12V.

Elektronika Praktyczna 5/98

O J

Z A G R A N I C Z N E

n¹Ê do 13,8V, poniewaø rezystor

R7 nie wp³ywa juø na stopieÒ

podzia³u dzielnika R8, R9.

£adowanie odbywa siÍ teraz

w†inny sposÛb. Pocz¹tkowo natÍ-

øenie pr¹du ³aduj¹cego akumulato-

ry wynosi oko³o 1A, ale maleje od

momentu przekroczenia przez na-

piÍcie na wyprowadzeniu 13 war-

toúci 13,8V. NapiÍcie proporcjonal-

ne do natÍøenia pr¹du przep³ywa-

j¹cego przez rezystor R1 podawane

jest miÍdzy wyprowadzenia

2†i†3†uk³adu IC1. Gdy napiÍcie to

spadnie do 25mV, co odpowiada

natÍøeniu pr¹du rÛwnemu jednej

dziesi¹tej wartoúci wystÍpuj¹cej

w†poprzednim trybie ³adowania,

nastÍpuje zakoÒczenie stanu prze-

³adowania (na wyprowadzeniu

1†pojawia siÍ impuls). Rozpoczyna

siÍ ³adowanie akumulatora pr¹dem

o†ma³ym natÍøeniu, trwaj¹ce do

momentu, w†ktÛrym napiÍcie na

akumulatorze spadnie do 12,4V, co

nast¹pi gdy do akumulatora pod-

³¹czone bÍdzie obci¹øenie. Jeúli

napiÍcie akumulatora obniøy siÍ

tak, to po pod³¹czeniu napiÍcia

sieciowego uk³ad IC1 ponownie

wchodzi w†tryb ³adowania pr¹dem

o†duøym natÍøeniu.

Tranzystor TR1 jest uk³adem

Darlingtona zawieraj¹cym we-

wnÍtrzne rezystory wspomagaj¹ce

jego dzia³anie. Przy braku napiÍ-

cia sieciowego moøe siÍ zdarzyÊ,

øe pop³ynie przez nie pr¹d

wsteczny o†dostatecznie duøym

natÍøeniu, by w³¹czona zosta³a

dioda LED D1. Sytuacji takiej

zapobiega dioda D3. Kondensato-

ry C2 i†C3 zapewniaj¹ odpornoúÊ

na zak³Ûcenia i†stabilnoúÊ uk³adu.

Wspomniana we wstÍpie wer-

sja o†podwyøszonych parametrach,

Rys. 2. Typowe przebiegi czasowe napięć i prądów podczas ładowania.

wyprowadzeniu 7†pojawia siÍ stan

niski i†w³¹czona zostaje dioda

LED D1, sygnalizuj¹ca obecnoúÊ

napiÍcia zasilania.

NastÍpnie, napiÍcie wystÍpuj¹-

ce na wyprowadzeniu 12 uk³adu

IC1 jest porÛwnywane z†wewnÍt-

rznym napiÍciem odniesienia

2,3V. W†przypadku wartoúci re-

zystancji R5 i†R6 jak na schema-

cie, gdy napiÍcie akumulatora jest

mniejsze od 10V, napiÍcie na

wyprowadzeniu 12 IC5 jest mniej-

sze od 2,3V i†nie dochodzi do

szybkiego ³adowania pr¹dem o†na-

tÍøeniu ok. 1A. Do chwili prze-

kroczenia wartoúci 10V, ³adowa-

nie odbywa siÍ pr¹dem o†ma³ym

natÍøeniu przez rezystor R4 i†wy-

prowadzenie 11 uk³adu IC1.

£adowanie pr¹dem

o†duøym natÍøeniu

W†momencie przekroczenia

przez napiÍcie akumulatora war-

toúci 10V rozpoczyna siÍ pierw-

szy etap szybkiego ³adowania.

Uk³ad IC1 wysterowuje tranzystor

Darlingtona w†taki sposÛb, øe na-

tÍøenie pr¹du p³yn¹cego do aku-

mulatora przez rezystor mocy R1,

tranzystor i†diodÍ D3 wynosi oko-

³o 1A. Towarzyszy temu spadek

napiÍcia na R1 (o rezystancji

0,22Ω) wynosz¹cy oko³o 0,25V.

W†takiej sytuacji wyprowadze-

nie 10 uk³adu IC1 po³¹czone jest

z†mas¹, zwieraj¹c rezystory R7 i†R9.

Aby napiÍcie na wyprowadzeniu

13 (Vsense) wynios³o 2,3V, a†wiÍc

tyle, ile wynosi napiÍcie odniesie-

nia, akumulator musia³by zostaÊ

na³adowany do 14,4V. WewnÍtrzne

uk³ady IC1 obniøaj¹ jednak wartoúÊ

progow¹ do 0,95*2,3V. Warunkiem

przejúcia do kolejnej fazy ³adowa-

nia jest wiÍc napiÍcie akumulatora

wynosz¹ce tylko 13,7V.

Gdy napiÍcie akumulatora osi¹-

ga wartoúÊ 13,7, uk³ad przechodzi

w†stan prze³adowania. W³¹czona

zostaje sygnalizuj¹ca ten stan dio-

da LED D2, a†wyprowadzenie 10

uk³adu IC1 zostaje rozwarte. W†tej

sytuacji - by napiÍcie na wypro-

wadzeniu 13 wynios³o 2,3V -

napiÍcie akumulatora musi wzros-

Rys. 3. Mozaika ścieżek druku i schemat rozmieszczenia

elementów na płytce urządzenia.

Elektronika Praktyczna 5/98

zawieraj¹ca wy³¹cznie urz¹dzenie

do ³adowania akumulatorÛw, s³u-

øy do ³adowania akumulatorÛw

o†wiÍkszych pojemnoúciach,

o†wiÍkszej masie i†przeznaczo-

nych do transportu bez zabierania

³adowarki.

Pierwszym parametrem, ktÛrego

wartoúÊ naleøy ustaliÊ, jest wyma-

gane natÍøenie pr¹du ³adowania

akumulatora, poniewaø wynikaÊ

z†niej bÍd¹ wartoúci pozosta³ych

parametrÛw uk³adu. NapiÍcie sta³e

na wyprowadzeniu 5†uk³adu IC1

nie moøe wynosiÊ mniej niø 17V,

poniewaø wtedy uk³ad nie bÍdzie

w†stanie poprawnie ³adowaÊ aku-

mulatora o†napiÍciu 12V.

Jeúli za³oøyÊ, øe kondensator

gromadz¹cy ³adunek powinien

mieÊ pojemnoúÊ 2000µF na kaødy

1A natÍøenia pr¹du ³adowania, to

z†rozwaøaÒ dotycz¹cych tÍtnieÒ

i†minimalnej wartoúci napiÍcia

sta³ego na wejúciu uk³adu IC1

wynika, øe napiÍcie po stronie

wtÛrnej transformatora powinno

wynosiÊ 16V. W†przypadku pro-

totypu wybrano transformator po-

siadaj¹cy dwa uzwojenia wtÛrne

o†napiÍciu 9V kaøde, uzyskuj¹c

napiÍcie 18V.

Moc transformatora w†niestabi-

lizowanym zasilaczu z†mostkiem

prostowniczym powinna przekra-

czaÊ iloczyn uzyskiwanego napiÍ-

cia sta³ego i†wymaganego natÍøe-

nia pr¹du. Jeúli natÍøenie pr¹du

³adowania ma byÊ wiÍksze, nale-

øy odpowiednio dobraÊ elementy

REC1, D3 i†R1. Podobnie, ustala-

j¹c wyøsze natÍøenie pr¹du ³ado-

wania naleøy w†takim samym

stopniu zwiÍkszyÊ pojemnoúÊ

kondensatora, by zachowaÊ ten

sam poziom tÍtnieÒ w†czÍúci nie

stabilizowanej zasilacza.

Kolejny element, ktÛry trzeba

dostosowaÊ, to rezystor R1. Na-

leøy pamiÍtaÊ o†tym, øe podczas

³adowania pr¹dem o†duøym natÍ-

øeniu, uk³ad UC3906 utrzymuje

0,25V na R1, a†wartoúÊ jego re-

zystancji okreúlana jest w³aúnie

przez natÍøenie pr¹du ³adowania.

Wobec braku pe³nego szeregu

niskoomowych rezystorÛw z†wy-

prowadzeniami w†postaci drutÛw,

naleøy dok³adnie zastanowiÊ siÍ

nad doborem rezystancji R1. Naj-

mniejsza wartoúÊ rezystancji

w†szeregu takich rezystorÛw wy-

nosi 0,1W i†zapewni ona pr¹d

³adowania 2,5A.

O J

Z A G R A N I C Z N E

Rys. 4. Rozmieszczenie podzespołów urządzenia

w obudowie i sposób ich okablowania.

Montaø

Poniewaø rÛønice w†wykona-

niu wersji pe³nej i†samej ³adowar-

ki zapewniaj¹cej wiÍksze natÍøe-

nia pr¹du zosta³y juø omÛwione,

podane zostan¹ szczegÛ³y doty-

cz¹ce realizacji pe³nej wersji urz¹-

dzenia. Mozaika úcieøek na p³ytce

oraz rozmieszczenie elementÛw

przedstawiono na

rys. 3.

Na p³ytce montowane s¹ niemal

wszystkie elementy, z†wyj¹tkiem

Elektronika Praktyczna 5/98

O J

Z A G R A N I C Z N E

obu diod LED, tranzystora Darlin-

gtona z†radiatorem, transformatora

sieciowego oraz akumulatora.

Rozmieszczenie podzespo³Ûw

urz¹dzenia w†metalowej (koniecz-

nie!) obudowie nie jest krytyczne,

poniewaø ³adowarka pracuje ze

sta³ym natÍøeniem pr¹du i†w†uk³a-

dzie znajduj¹ siÍ kondensatory C2

i†C3 zapewniaj¹ce jej stabilnoúÊ.

rys. 4

przedstawiono sposÛb

rozmieszczenia podzespo³Ûw mo-

delu i†jego okablowania.

Ze wzglÍdÛw bezpieczeÒstwa,

na wejúciu sieciowym urz¹dzenia

naleøy zastosowaÊ bezpiecznik

(FS1). Takøe na wyjúciu urz¹dzenia

niezbÍdny jest bezpiecznik (FS3),

poniewaø w†przypadku zwarcia aku-

mulator øelowy moøe dostarczyÊ

pr¹d o†bardzo duøym natÍøeniu. Na

wyjúciu urz¹dzenia ³aduj¹cego takøe

umieszczono bezpiecznik (FS2), za-

bezpieczaj¹cy akumulator oraz ob-

ci¹øenie przed skutkami uszkodze-

nia tranzystora Darlingtona.

Wejúciowe gniazdo sieciowe

PL1/FS1 wyposaøone jest w†bez-

piecznik, tak wiÍc przewody sie-

ciowy i†neutralny naleøy po³¹czyÊ

z†uzwojeniem pierwotnym trans-

formatora. PrzewÛd zeruj¹cy (E -

zielony) naleøy po³¹czyÊ z†koÒ-

cÛwk¹ lutownicz¹ masy w³oøon¹

pod nakrÍtkÍ jednej ze úrub mo-

cuj¹cych transformator oraz do

zacisku zeruj¹cego wtyczki siecio-

wej. W†przypadku metalowej obu-

dowy zapewnia to bezpieczeÒs-

two uøytkowania. Zerowanie jest

wyprowadzone na obudowÍ, zie-

lone gniazdo wyjúciowe SK3 znaj-

duje siÍ na p³ycie czo³owej.

Wyjúciowy punkt lutowniczy

p³ytki o†ma³ym potencjale (-) po-

winien byÊ wyposaøony w†prze-

wÛd z†koÒcÛwk¹ nasadzan¹ (jak

w†samochodowej instalacji elekt-

rycznej) na wyprowadzenie aku-

mulatora oraz w przewÛd ³¹cz¹cy

z†czarnym gniazdem wyjúciowym

SK2 (przewody te powinny byÊ

czarne). Dodatni punkt lutowni-

czy na p³ytce ³¹czymy najpierw

z†gniazdem bezpiecznikowym

FS2, a nastÍpnie z†dodatnim bie-

gunem akumulatora. Dodatni bie-

gun akumulatora naleøy po³¹czyÊ

z†gniazdem bezpiecznikowym

SK3, a†nastÍpnie z†czerwonym

gniazdem wyjúciowym SK1 (patrz

rys. 4). Naleøy dobraÊ úrednice

przewodÛw do przewidywanych

wartoúci natÍøenia pr¹du.

Wersja wysokopr¹dowa

Jeúli wybieramy wariant o†pod-

wyøszonej wartoúci natÍøenia pr¹-

du ³adowania, w†ktÛrym akumu-

lator nie jest umieszczany w†obu-

dowie urz¹dzenia do ³adowania,

to modu³ ³adowarki zwiera trans-

formator, radiator, p³ytkÍ druko-

wan¹ i†te same gniazda wyjúcio-

we 4mm. Akumulator øelowy wy-

posaøony jest w†koÒcÛwki, na

ktÛre nasadza siÍ wtyki (jak z³¹cza

w instalacji samochodowej), tak

wiÍc wtyki 4mm s¹ potrzebne do

wykonania odpowiednich kabli.

W†przypadku akumulatorÛw

wiÍkszej mocy moøna zaakceptowaÊ

zaproponowan¹ wartoúÊ natÍøenie

pr¹du ³adowania 1A, jakkolwiek

w†przypadku mocno roz³adowanego

akumulatora samochodowego o†po-

jemnoúci 24Ah ³adowanie trwaÊ

bÍdzie ca³y dzieÒ. Moøna rÛwnieø

zdecydowaÊ siÍ na wiÍksz¹ wartoúÊ

natÍøenia pr¹du i†odpowiednio prze-

liczyÊ wartoúci elementÛw.

Montaø wysokopr¹dowej wer-

sji jest analogiczny jak w†przy-

padku wersji standardowej. Na

p³ytce przewidziano dodatkowe

otwory w†okolicy elementÛw R1,

C1 i†REC1 - w†przypadku wy-

øszych natÍøeÒ pr¹dÛw elementy

te montowane s¹ poza p³ytk¹.

Ostrzeøenie: pod øadnym po-

zorem nie wolno ulegaÊ pokusie

zrezygnowania z†bezpiecznikÛw

FS1 i†FS2.

W†przypadku ze-

wnÍtrznego akumulatora, FS3 sta-

je siÍ elementem zabezpieczaj¹-

cym tylko zasilane z†akumulatora

urz¹dzenie.

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

(0,25W, 1%, metalizowane,

z wyjątkiem R1)

R1: 0,22Ω/3W, drutowy (rezystancja

ma zapewnić spadek napięcia

0,25V przy ładowaniu dużym

prądem)

R2, R3, R4: 1,5kΩ

R5: 68kΩ

R6, R9: 20kΩ

R7: 360kΩ

R8: 100kΩ

Kondensatory

C1: 2200µF/35V, wyprowadzenia

jednostronne (2000µF na 1A prądu

ładowania: patrz tekst)

C2: 20nF, ceramiczny

C3: 100nF, ceramiczny

Półprzewodniki

REC1: mostek prostowniczy WOO5

(typ o wyższych parametrach

w przypadku wyższego prądu

ładowania)

D1: czerwona dioda LED 5mm

D2: żółta dioda LED 5mm

D3: 1N4001 50V/1A

TR1: TIP147 tranzystor mocy

Darlingtona z radiatorem (typ

o wyższych parametrach

w przypadku wyższego prądu

ładowania)

IC1: UC3906

Różne

B1: szczelnie zamknięty

akumulatora kwasowo−ołowiowy

(Yuasa NP7−12 lub podobny)

PL1/FS1: gniazdo sieciowe

z bezpiecznikiem 0,5A

FS2: gniazdo bezpiecznikowe

20mm do montażu w obudowie

z bezpiecznikiem 1,6A

FS3: gniazdo bezpiecznikowe

20mm do montażu w obudowie;

celem ochrony zasilanego układu

stosować możliwie jak najsłabszy

bezpiecznik

SK1−SK3: gniazda zakręcane 4mm,

czarne, czerwone i zielone

T1: transformator sieciowy 230V,

uzwojenie wtórne 18V (2x9V),

50VA

Uwaga:

jeśli akumulator ma

dostarczać prądu o wysokim

natężeniu, należy użyć między

akumulatorem a gniazdami

wyjściowymi przewodów

o odpowiednich przekrojach.

Pozostałe przewody są standardowe.

Uruchomienie

Po zakoÒczeniu montaøu

i†uwaønym sprawdzeniu po³¹czeÒ,

pozostaje do przetestowania bar-

dzo niewiele. Po doprowadzeniu

napiÍcia z uzwojenia wtÛrnego

transformatora sieciowego miÍdzy

koÒcÛwkÍ lutownicz¹ niskiego po-

tencja³u p³ytki, a anodÍ ktÛrejkol-

wiek z†diod LED, powinno poja-

wiÊ siÍ napiÍcie 24V. Jeúli napiÍ-

cie to wynosi mniej niø 5V, dioda

LED D1 powinna úwieciÊ.

Naleøy zmierzyÊ napiÍcie na

koÒcÛwkach wyjúciowych. Jeúli jest

ono wyøsze niø 10V i†dioda D2 jest

wy³¹czona, na rezystorze R1 po-

winno wystÍpowaÊ napiÍcie 250mV

(³adowanie pr¹dem o†duøym natÍ-

øeniu) lub 0V (³adowanie pr¹dem

o†ma³ym natÍøeniu). Jeúli dioda D2

úwieci, napiÍcie na rezystorze R1

powinno wynosiÊ miÍdzy 250mV

i†25mV, poniewaø uk³ad pracuje

w†trybie prze³adowania.

David Silvester, EPE

david.silvester@xtra.co.nz

Artyku³ publikujemy na pod-

stawie umowy z redakcj¹ mie-

siÍcznika "Everyday Practical

Electronics".

Elektronika Praktyczna 5/98

Plik z chomika:

Gryzon26

Inne pliki z tego folderu:

Energooszczędny zasilacz dużej mocy - 12V, 6A (AVT334).pdf (8492 KB)
Zasilacz labolatoryjny z potencjometrem cyfrowym (AVT349).pdf (7489 KB)
Lampowy zasilacz stabilizowany (AVT1631).pdf (5099 KB)
Zasilacz 50V 5A.pdf (3828 KB)
Mikroprocesorowy zasilacz laboratoryjny (AVT5083).pdf (3559 KB)

Zasilacz - ładowarka do akumulatorów.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: