Как сделать зарядное устройство для аккумулятора — проектирование и создание устройства своими руками

Автор: Школа Scrap Home

Стартерные автомобильные аккумуляторы относятся к электрохимическим источникам тока, которые при зарядке аккумулируют электрическую энергию, а при разряде возвращают ее в нагрузку.

Содержимое обзора

Устройство, принцип действия

Аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Одна из них является анодом, другая – катодом. В результате взаимодействия свинца с серной кислотой на поверхности пластин образуется сульфат свинца PbSO4.

Для заряда аккумулятора нужно приложить к аноду положительное напряжение, а к катоду – отрицательное, после чего на аноде начнет образовываться двуокись свинца PbO2, а на катоде – губчатый свинец Pb.

При разряде происходит обратное восстановление до сульфата свинца.
Напряжение полностью заряженного аккумулятора составляет около 2,12 В.
Стартерная аккумуляторная батарея с номинальным напряжением 12 В содержит шесть аккумуляторов, соединенных последовательно.
Следовательно, то, что в просторечье часто называют «аккумулятором», на самом деле является аккумуляторной батареей.

Заряжают АКБ с помощью специальных зарядных устройств ЗУ («зарядок»), которые можно приобрести в автомагазине, но можно изготовить и самостоятельно.

Основные параметры

АКБ характеризуется различными параметрами, главными из которых являются:

Номинальный разрядный ток Iн – это ток, который АКБ может в течение 20 часов отдавать в нагрузку, и при этом напряжение на ее выводах не опускается ниже 10,5 В;
Номинальная емкость С20, измеряется в Ач. Это количество энергии, которое может отдать АКБ за 20 часов при разряде номинальным током. Величина Iн определяется как результат деления С20 на 20. Например, для емкости 60 Ач он равен 3 А;
Фактическая емкость Сф – используется для оценки батареи – чем Сф больше, тем батарея лучше;

Методы зарядки

АКБ считается полностью заряженной, если ее напряжение при разомкнутой цепи нагрузки (НРЦ) больше или равно 12,7 В, при этом плотность электролита при температуре 25°С должна быть равной 1,28 г/см³. При заряженности на 75% эти значения составляют 12,35 и 1,22, а при полностью разряженных аккумуляторах – 11,7 и 1,1 соответственно.

При остаточной емкости менее 75% батарею рекомендуется дозарядить.

Примечание: НРЦ измеряется не раньше, чем через час после окончания зарядки. За это время должна исчезнуть э.д.с поляризации, возникающая в результате образования ионов возле анода и катода.

Существует несколько методов зарядки, как правило, они изложены в руководстве по эксплуатации. Если руководство отсутствует, то следует использовать способы по ГОСТ Р 53165 или комбинированный.

Зарядка открытых батарей (с общей крышкой):

Стабилизированным током 2 Iн до стабилизации напряжения, измеренного три раза с интервалом 15 минут;
Постоянным напряжением до16 В с ограничением тока до 5 Iн в течение 20 часов, затем четырехчасовая зарядка стабилизированным током Iн.

Зарядка закрытых батарей (с предохранительным клапаном, с загущенным электролитом):

Стабилизированным током 2 Iн до 14,4В, затем 4 часа током Iн;
Постоянным напряжением до14,4 В с ограничением тока до 5 Iн в течение 20 часов, затем четырехчасовая зарядка стабилизированным током 0,5 Iн.

Зарядка комбинированным способом производится током 2 Iн до 14,4В, затем при стабилизированном напряжении 14,4 В до уменьшения зарядного тока до 0,1Iн.

Достоинства и недостатки различных способов

1а и 2а обеспечивают 100% заряд за минимальное время.
1б и 2б рекомендуется проводить при отсутствии данных о батарее, но это самый длительный способ.
алгоритм третьего способа заложен в большинство автоматизированных «зарядок» и тоже обеспечивает 100% заряд за короткое время.

Общие недостатки – если ЗУ не обладает возможностью автоматически контролировать заданные параметры, то для предотвращения перезаряда требуется постоянный контроль оператора.

Нужно учитывать, что при превышении длительности заряда начинается электролиз воды с образованием газообразного водорода и кислорода. При этом количество воды в электролите уменьшается безвозвратно, и, со временем, ее придется доливать.

Наличие водорода в воздухе при возникновении случайной искры может привести к взрыву, сопровождаемого разрушением аккумулятора и выбросом электролита в окружающую среду. Попадание кислоты на поверхностные ткани человека может привести к химическим ожогам.

Самостоятельное изготовление зарядного устройства

Если ЗУ изначально отсутствует, то перед автолюбителем возникает дилемма: сделать зарядку для аккумулятора своими руками или приобрести готовую.

Обычно самостоятельно изготавливают люди, имеющие определенные знания и опыт работы с устройствами электронной техники, располагающие различными электротехническими элементами и радиодеталями.

Начинать изготовление нужно с проработки схемы устройства. Схему для зарядки можно разработать самостоятельно или позаимствовать из технических журналов, книг, интернета и т.д. Самых различных вариантов как сделать зарядку существует великое множество, поэтому ориентироваться в первую очередь нужно на свои возможности.

Ниже приведены примеры наиболее распространенных вариантов ЗУ.

Нерегулируемые ЗУ, гальванически связанные с сетью

Величина зарядного тока определяется сопротивлением лампы, выполняющей роль балластного сопротивления.

Выходной зарядный ток можно приблизительно рассчитать, как результат деления величины мощности лампы на напряжение сети, равное 220 В.

Например, для лампы 100 Вт: Iз = 100/220 = 0,45 А. При параллельном соединении двух и более ламп Iз увеличиться до 0,9 А, 1,35 А и т.д.

Схема с однополупериодным выпрямителем, изображенная справа, имеет вдвое меньший ток. Время заряда тоже увеличивается, т.к средняя величина тока в 2 раза меньше.

Отсутствие гальванической развязки повышает опасность поражения током, что является очень большим недостатком, несмотря на простоту и дешевизну устройства.

Примечание:

Зарядка токами, большими рекомендованных, требует контроля температуры электролита: при возрастании ее до 45°С нужно выключить ЗУ и дождаться снижения до 30 – 35°С.
Пульсации и форма зарядного тока не имеют значения, важна лишь его средняя величина.

ЗУ с понижающим трансформатором

Нерегулируемые устройства:

Защита первичных и вторичных цепей осуществляется предохранителями, для измерения зарядного тока и напряжения служат амперметр А и вольтметр V.
Напряжение вторичной обмотки трансформатора 14 – 16 В, номинальный ток предохранителя вторичной обмотки 10 – 30 А, в зависимости от емкости АКБ, ток сетевого предохранителя 3 – 5 А.

Достоинство схем – небольшое количество элементов. Существенным недостатком является зависимость величины зарядного тока от напряжения сети: при его увеличении на 10%, ток может увеличиться в несколько раз. Поэтому для ограничения тока желательно в зарядную цепь включить реостат.

Устройства с ручным регулированием

Регулировка производится подачей на базу эмиттерного повторителя VT2,VT1 управляющего напряжения, снимаемого с движка потенциометра R1.

Схема надежно работает, проста в изготовлении. б) на Рис. 5 изображена схема очень распространенного устройства, позволяющего потенциометром R5 плавно регулировать выходной ток или напряжение от нуля до максимума.
По мере спадания тока во время зарядки оператор может вручную корректировать его значение в желаемых пределах.
Разновидностью этого технического решения являются схемы Рис.6,7, в которых в качестве компаратора используется аналог однопереходного транзистора.

Изготовление таких устройств не требует высокой квалификации, они надежно работают, рекомендуются к применению для широкого круга автовладельцев.

Подробное описание этих схем содержится в книге Т. Ходасевича «Зарядные и пуско-зарядные устройства».

ЗУ с дискретным регулированием

Регулировка тока и напряжения производится с помощью набора балластных конденсаторов С1 – С4 и тумблеров S1 – S4.

Включением тумблеров S1 – S4 в различных сочетаниях, можно ступенчато регулировать ток с дискретностью примерно в 1 А.
Всего существует 16 комбинаций положений тумблеров, т.е схема реализует 16 значения зарядного тока и напряжения, что вполне достаточно для качественной зарядки.
Схема надежная, хорошо себя зарекомендовала, но требует тщательного согласования величины емкостей С1 – С4 с напряжением вторичной обмотки.
После сборки нужно произвести предварительную проверку и настройку на активной нагрузке, например, на автомобильных лампах.

В этом устройстве на выводы батареи подаются прямоугольные импульсы выпрямленного напряжения с регулируемой скважностью (соотношение длительности импульсов и пауз между ними). От нее зависит величина среднего зарядного тока.

Регулировка производится потенциометром Р5, задающего скважность генератора, собранного на микросхеме DD. Более подробная информация об этой схеме содержится в №11 журнала «Радио» за 2011 г.

Требования к конструкции

Зарядное устройство должно быть смонтировано в закрытом корпусе.

Если корпус металлический, то должна быть предусмотрена возможность его заземления.
Все токоведущие части напряжением 220 или 380В должны быть недоступны прикосновению.
Должна быть предусмотрена защита от коротких замыканий и сверхтоков предохранителями или автоматическими выключателями с электромагнитными расцепителями.
Подсоединение ЗУ к выводам аккумулятора должно производиться гибкими медными проводами с зажимами типа «крокодил» или другими, обеспечивающими надежный электрический контакт.
Рукоятки зажимов должны быть заизолированы трубками ПВХ или изоляционной лентой. Цвет изоляции положительного провода красный, отрицательного – синий или черный.
Сечение проводов не ниже 2,5 мм².

Образцом подобного устройства может служить ЗУ, изготовленное на базе компьютерного блока питания, изображенное на фото 1. Элементы устройства должны быть надежно соединены между собой пайкой, скруткой или болтовым соединением.

Для снижения рабочей температуры выпрямительных диодов, тиристоров и силовых транзисторов их корпуса устанавливаются на радиаторы, как показано на Фото 2.

Если схема содержит большое количество радиоэлементов, то рекомендуется объединять их на печатных или макетных платах с помощью объемного монтажа. Фото 3 иллюстрирует внешний вид такой платы.

Для снижения затрат на изготовление зарядных устройств рекомендуется не приобретать в радиомагазинах комплектующие элементы, а использовать их от ненужной аппаратуры, иначе самодельные ЗУ могут оказаться дороже новых импортных китайских. Основное условие их применения – чтобы они были исправны и сохраняли свои характеристики.