ład do aku, Elektronika, Prostowniki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
P R O J E K T Y Z A G R A N I C Z N E
PROJEKTY ZAGRANICZNE
Zasilacz/ładowarka do
akumulatorów
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
19
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.
P R O J E K T Y Z A G R A N I C Z N E
Rys. 2. Typowe przebiegi czasowe napięć i prądów podczas ładowania.
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,
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.
) 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-
£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-
Rys. 3. Mozaika ścieżek druku i schemat rozmieszczenia
elementów na płytce urządzenia.
20
Elektronika Praktyczna 5/98
mulatora przez rezystor mocy R1,
tranzystor i†diodÍ D3 wynosi oko-
³o 1A. Towarzyszy temu spadek
napiÍcia na R1 (o rezystancji
0,22
P R O J E K T Y Z A G R A N I C Z N E
F 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.
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
21
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 2000
P R O J E K T Y 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.
Na
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.
/3W, drutowy (rezystancja
ma zapewnić spadek napięcia
0,25V przy ładowaniu dużym
prądem)
R2, R3, R4: 1,5k
Ω
R6, R9: 20k
R7: 360k
Ω
R8: 100k
Ω
Kondensatory
C1: 2200
µ
F/35V, wyprowadzenia
jednostronne (2000
F 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".
22
Elektronika Praktyczna 5/98
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
(0,25W, 1%, metalizowane,
z wyjątkiem R1)
R1: 0,22
R5: 68k
[ Pobierz całość w formacie PDF ]