Зарядний пристрій UPS для акумуляторів. Акумулятори для ДБЖ. Теорія та практика заряду Заряджання для акумулятора з безперебійника
Ще одна конструкція потужного зарядного пристрою для кислотних акумуляторів великої ємності. Цей пристрій може успішно зарядити автомобільні акумулятори з ємністю до 120 Ампер. Вихідну напругу зарядного пристрою можна регулювати від 0 до 24 Вольт. Схема відрізняється від аналогів малою кількістю компонентів в обв'язці і практично не потребує додаткового настроювання.
Потужний зарядний пристрій для акумуляторів
Силова частина – потужний складовий транзистор вітчизняного виробництва серії КТ827, вихідна напруга регулюється змінним резистором R2. Вихідний струм схеми зарядки залежить від типу і потужності трансформатора, що використовується.
Сам трансформатор досить легко знайти в джерелах безперебійного живлення. Як право, мінімальна потужність таких трансформаторів становить не менше 200 Вт, а в деяких, більш потужних безперебійниках аж з 1000 Вт. Трансформатор має три основні висновки. Сама обмотка (яка в безперебійнику грає роль первинної обмотки) тут у нас буде знижувальною, тобто вторинною. Трансформатор є звичайним знижувальним мережним трансформатором, при такому режимі роботи на висновках вторинної обмотки утворюється змінна напруга з номіналом 24 Вольт 8-15 Ампер, залежно від потужності трансформатора.
Середній висновок трансформатора – відведення від середини, його ми використовувати не будемо. Два крайні виводи обмотки підключаються до схеми заряджання.
Реле - практично будь-яке електромагнітне реле зі струмом 15 А і більше, в моєму випадку використовувалося китайське звичайне реле, зняте з мережевого стабілізатора напруги.
Діоди - можна замінити на будь-які випрямні діоди зі струмом 10-15 Ампер, відмінно підходять наші КД213 або діоди вказані у схемі, можна і потужні діоди ШОТТКИ з комп'ютерних блоків живлення.
Резистор R4 з номіналом 28 Ом (номінал може відхилятися на 20% у той чи інший бік) потрібен з потужністю 10-15 ват, під час роботи нагрівається досить сильно. Транзистор КТ827 обов'язково встановити на тепловідведення, оскільки вся основна потужність розсіюватиметься на ньому. Емітерний резистор транзистора (захисний) теж слід брати потужний (3-5 Вт), потужність цього обмежувача теж не критична, можна використовувати резистори з опором 0,22-1 Ом.
Вітаю, друзі!
Ви користуєтеся джерелами безперебійного живлення, і у вас проблеми з акумуляторами?
І мені в ремонт потрапляють безперебійники з акумуляторними батареями, що сів.
При батареї, що сів, джерело безперебійного живлення (ДБЖ) включити в більшості випадків неможливо. Ситуація посилюється тим, що зарядити її штатним зарядним пристроєм ДБЖ найчастіше не можна.
Доводиться використовувати окремі зарядні пристрої. Один із таких пристроїв пропонується до вашої уваги. Воно зроблено з того, що було під рукою.
Робота схеми зарядного пристрою
Змінна напруга мережі знижується трансформатором Т1, випрямляються діодним мостом на діодах VD1 - VD4 і фільтрується електролітичним конденсатором C1.
Отримана постійна напруга подається на дільник резистивний з резисторами R1, R2 і R4. У верхнє плече дільника включено змінний резистор R1. З його двигуна можна знімати постійну напругу в межах приблизно від 13 до 35 В.
З двигуна змінного резистора напруга подається на емітерний повторювач, утворений транзистором VT1, навантаженням якого служить резистор R3. Постійна напруга з резистора R3 є вхідним сигналом для другого емітерного повторювача на складовому транзисторі VT2 - VT3.
З виходу цього емітерного повторювача постійна напруга через резистор R5 подається на акумулятор, що заряджається. Резистор R5 служить обмежувачем струму при випадковому замиканні вихідних виводів зарядного пристрою.
Як R1 використовується багатооборотний резистор, що дозволяє точніше встановлювати величину зарядної напруги. Величину зарядної напруги можна регулювати в межах від 10 до 33 В. Це дозволяє заряджати відразу два 12 В акумулятора.
Цей пристрій використовувався для зарядки 12 В та VRLA акумуляторів ємністю 5, 7, 9 та 12 А*год.
Навіщо потрібні емітерні повторювачі?
Нам потрібне регульоване джерело постійної напруги, яке має мати низький внутрішній опір. Для довідки: акумулятор GP 1272 12 В 7,2 А*год, широко використовується в ДБЖ, має внутрішній опір близько 0,023 Ом.
Наш зарядний пристрій повинен мати хоча б на порядок менший вихідний опір. В іншому випадку величина зарядної напруги помітно знижуватиметься при підключенні акумулятора. Це буде через те, що частина напруги, відповідно до закону Ома, падатиме на вихідному опорі зарядного пристрою.
Емітерний повторювач називається ще узгоджувачем опору.
Вихідний опір емітерного повторювача, підключений паралельно навантаженню Rн, визначається внутрішнім опором джерела сигналу Ri (див. рис) та коефіцієнтом передачі h21e транзистора по струму.
Чим цей коефіцієнт більший, тим менший вихідний опір.
Джерелом сигналу першого емітерного повторювача служить резистивний дільник R1, R2, R4.
Джерелом сигналу другого емітерного повторювача служить резистор R3.
Як перший емітерний повторювач використовується складовий транзистор типу TIP122.
Складовим він називається тому, що утворений двома транзисторами, змонтованими у загальному корпусі.
Загальний коефіцієнт передачі струму визначається добутком коефіцієнтів окремих транзисторів.
Як другий емітерний повторювач використовується складовий транзистор, утворений з двох окремих потужних транзисторів типу D209.
Конструктивне виконання зарядного пристрою
Через нестачу часу зарядний пристрій не було змонтовано «за всіма правилами». Активні елементи VD1 – VD4, VT2, VT3, VT4 встановлені на загальний радіатор, видертий із несправного комп'ютерного блока живлення. Діодні зборки та потужні транзистори D209 були взяті звідти.
Решта була змонтована на шматку картону. Радіатор має невеликі розміри, на ньому встановлені діоди та транзистори, на яких розсіюється значна потужність, тому він потребує обдуву вентилятором.
Вентилятор обдування живиться напругою, що знімається з резистора R4 резистивного дільника через емітерний повторювач на складовому транзисторі VT4 типу TIP122.
Використовується невеликий 12 В комп'ютерний вентилятор. Постійна напруга, що подається на нього, приблизно дорівнює 6 В.
При зниженій напрузі живлення швидкість обертання вентилятора і шум менше.
Як діоди VD1 – VD4 використовуються дві паралельно з'єднані діодні зборки GBU605 від того ж комп'ютерного блоку живлення.
Для заряджання акумулятора обов'язкове надійне джерело живлення. Достатньо надійні зарядні пристрої на складових транзисторах. Просте, але потужне джерело живлення, зібране на потужних складових транзисторах КТ947, КТ827 годиться не тільки для зарядки
автомобільних акумуляторів, а також живлення електроприладів. Встановивши конденсатори, позначені на схемі пунктиром, можна використовувати зарядний пристрій блок живлення.
Конструктивно діоди та транзистори можна розмістити на великому загальному радіаторі без ізолюючих прокладок, адже катоди діодів та колектори транзисторів електрично з'єднані між собою.
Виникла проблема з відсутністю трансформатора із середнім відведенням між двома обмотками на 16В, тоді можна реалізувати схему з випрямляючим мостом.
У цій схемі резистор R1 в 1Ом необхідний захисту складеного транзистора КТ837, КТ814 від короткого замикання на виході. Намотується цей резистор дротом з ніхрому.
Застосування амперметра при зарядженні батарей дуже важливе, оскільки тільки за струмом можна правильно контролювати заряджання акумуляторів. Слід пам'ятати, що максимальний максимальний струм зарядки дорівнює ємності акумулятора діленої на 10.
Зібрані за запропонованими схемами зарядні пристрої забезпечать регулювання напруги на виході від 0 до 15В і максимальний струм зарядки до 10А.
Вибір перетворювача напруги.
Інверторний перетворювач напруги розумніше придбати заводського виробництва.
Найкраще купити автомобільний перетворювач, такі пристрої потужні і дуже компактні і портативні. Автомобільні інвертори має захист від перевантаження та індикатор або звуковий сигнал, що спрацьовує за низького заряду батареї.
Автомобільний перетворювач напруги стане вам у нагоді не тільки для саморобного безперебійника. З ним ви зможете в машині увімкнути комп'ютер, і не тільки комп'ютер!
Багато автомобільних перетворювачів конвертують постійну напругу 12В змінну 220В, 50Гц. Залишається лише визначитися з потужністю перетворювача.
Звичайно ж, всі «начинки» комп'ютера не працюють одночасно, і в середньому споживання комп'ютером не перевищує 100 Вт. Навіть якщо врахувати, що трапляються піки споживання, все одно блок живлення комп'ютера не навантажується на повну потужність. Тому, щоб безпечно завершити роботу комп'ютера, буде достатньо потужності безперебійника в 200 Вт.
Ціна на автомобільні перетворювачі в 200 Вт складає в середньому 1100 руб., На 300 Вт - 1400 руб., На 500 Вт - 1700 руб.
Саморобний безперебійник для комп'ютера Схема побудови ДБЖ із подвійним перетворенням (Online) СІП для повітряних ліній
Найголовнішою функцією, що виконується джерелом безперебійного живлення, є функція забезпечення електроенергією підключеного до нього навантаження в момент зникнення напруги живлення. Як відомо, для цих цілей до складу будь-якого UPS входить акумуляторна батарея та інвертор, що забезпечує перетворення постійного струму акумулятора на змінний струм, який потрібний для живлення навантаження. Ці компоненти, безумовно, є найважливішими у складі будь-якого UPS, але ще без одного елемента неможливо уявити собі жодне джерело безперебійного живлення. Це – зарядний пристрій, на який, до речі, доводиться досить високий відсоток від усіх відмов UPS.
Основною функцією зарядного пристрою, що входить до складу UPS, є забезпечення заряджання акумуляторної батареї та подальша підтримка цього заряду на відповідному рівні. Функціонування зарядного устрою, тобто. підзарядка акумулятора здійснюється в ті періоди часу, коли на вході UPS є мережна напруга живлення. Звичайно ж, схемотехніка та основні характеристики зарядного пристрою визначається цілим рядом параметрів:
- типом (класом, топологією) джерела безперебійного живлення (інтерактивний, резервний, ферорезонансний, On-Line тощо);
- Вихідний потужністю UPS;
- кількістю акумуляторних батарей у складі UPS;
- типом використовуваних акумуляторних батарей;
- ціною UPS;
- Уподобаннями розробників.
Саме різноманіття факторів, що впливають на вибір топології зарядного пристрою, призвело до того, що в сучасних джерелах безперебійного живлення ми зустрінемо кілька, абсолютно різних варіантів схемотехніки зарядних пристроїв.
Спроба класифікувати зарядні пристрої призвела до того, що ми пропонуємо виділити такі базові варіанти схемотехніки зарядних пристроїв:
- лінійні регулятори напруги та струму;
- імпульсні DC-DC-перетворювачі напруги;
- Імпульсні однотактні джерела напруги;
- двотактна бруківка випрямна схема, поєднана з інвертором.
Ми не претендуємо на повноту запропонованої класифікації, але наш подальший огляд покликаний показати на реальних прикладах, що виділені нами варіанти схемотехніки використовуються в переважній більшості сучасних джерел безперебійного живлення.
Перш ніж переходити до огляду схемотехнічних особливостей різних варіантів зарядних пристроїв, скажімо у тому, що величина зарядного напруги акумуляторних батарей, тобто. Величина вихідної напруги зарядного пристрою залежить в першу чергу від кількості акумуляторів у складі UPS. Ця залежність відображена в табл.1.
Таблиця 1. Залежність величини зарядної напруги кількості батарей
|
Кількість батарей |
|
|
від 13.2В до 14В |
|
|
від 26.7В до 28.5В |
|
|
від 53.4В до 57.0В |
Працездатність зарядного пристрою та правильність формування ним напруги, що заряджає акумулятори, можна перевірити наступним чином:
1. Підключити UPS до мережі змінного струму з номінальним значенням напруги (230В).
2. Відкрити кришку, що закриває акумуляторні батареї та забезпечити вільний доступ до клем на батареях, до яких підключені дроти (червоний провід та чорний провід) від основної плати. Подібну процедуру дуже легко зробити в пристроях APC Smart-UPS. В інших моделях APC та UPS інших виробників доведеться подумати, як забезпечити доступ до клем акумуляторної батареї.
3. Включити UPS та дочекатися закінчення процедури самотестування UPS, яка може тривати 8-15 секунд. Після закінчення самотестування, UPS переходить у режим роботи від мережі (On-Line) про що зазвичай повідомляє відповідний індикатор (найчастіше зеленого кольору).
4. Від'єднати від акумуляторних батарей чорний дріт, а потім червоний дріт.
5. Виміряйте напругу постійного струму між чорним та червоним проводом.
6. Виміряна напруга і є зарядною напругою акумуляторної батареї, що формується зарядним пристроєм. Значення цієї напруги залежить від моделі UPS та кількості акумуляторних батарей, що використовуються в цій моделі. Типові значення цієї напруги представлені у табл.1. Але тут потрібно мати на увазі, що деякі дешеві та примітивні моделі джерел безперебійного живлення можуть вимикатися при від'єднанні акумуляторної батареї.
7. Якщо виміряна напруга не знаходиться в заданому діапазоні, це говорить про несправність основної плати UPS, і зокрема – про несправність схеми заряду акумуляторів.
Крім кількості акумуляторів, на величину зарядної напруги та зарядного струму можуть впливати ще й такі фактори, як:
- Навколишня температура;
- Метод заряду акумулятора.
Напруга на елементі свинцево-кислотної батареї становить 2.2 У. Серед усіх типів акумуляторів свинцево-кислотні відрізняються найменшою енергетичною щільністю. Вони відсутній «ефект пам'яті». Їхній тривалий заряд не стане причиною виходу батареї з ладу.
Для алгоритму заряду свинцево-кислотних батарей критичнішим є обмеження напруги, ніж обмеження струму заряду. Час заряду герметичних свинцево-кислотних батарей становить 12 – 16 годин. Якщо збільшити струм та застосувати методи багатоступеневого заряду, його можна скоротити до 10 годі менше. Але в більшості моделей UPS на такі ускладнення не йдуть, воліючи використовувати простіші схеми заряду акумуляторів.
За своїм призначенням, свинцево-кислотні батареї, як, втім, інші типи акумуляторів (наприклад, нікель-кадмієві), можна розділити на дві великі групи:
1) Батареї циклічного застосування, тобто. батареї, що використовуються як основне джерело живлення і для яких характерні цикли, що повторюються, заряд/розряд.
2) Батареї, що працюють у буферному режимі, що використовуються в резервних джерелах живлення.
Відповідно до цього поділу розрізняються і можливі методи заряду акумуляторів. Для батарей циклічного застосування використовуються методи заряду при постійній напрузі заряду та при постійних значеннях напруги та струму заряду. Для буферних батарей використовується метод двоступеневого заряду:
- по-перше, метод заряду при постійній напрузі заряду;
- по-друге, метод компенсуючого заряду (струменева або краплинна підзарядка).
Для заряду буферних батарей можливе використання як самостійних, методів, що входять до складу заряду двоступ'яного, тобто. вони можуть заряджатися як постійною напругою, так і методом компенсуючого заряду.
Для кращого розуміння схем зарядних пристроїв розберемо основні методи заряду свинцево-кислотних батарей, які використовуються в джерелах безперебійного живлення.
Метод заряду при постійній напрузі заряду
За такого методу заряду до висновків батареї прикладається постійна напруга з розрахунку 2.45 Уна елемент за температури повітря 20 - 25 ° С, тобто. до батареї з 6-ма елементами (12-вольтові акумулятори) у цьому випадку має прикладатися напруга 14.7В. Але це в теорії, на практиці ж все трохи інакше. Величина цієї напруги може трохи відрізнятися для різних типів батарей від різних виробників. У технічній документації на акумуляторні батареї чітко вказують значення напруги заряду та інформацію щодо його поправок для тих випадків, коли температура навколишнього середовища відрізняється від нормальної ( 25°С). Необхідно відзначити, що в реальних пристроях ця напруга теж може трохи відрізнятися, залежно від того, який режим заряду батареї вирішив використовувати виробник UPS. У сервісній документації на UPS має бути представлена інформація про величину зарядної напруги кожної конкретної моделі джерела безперебійного живлення. Подібні дані для UPS такого виробника, як APC представлені в табл.2. А ось що має бути в джерелах інших моделей та інших брендів, на жаль, можна з'ясувати лише досвідченим шляхом, працюючи з абсолютно справними пристроями.
Таблиця 2. Величина зарядної напруги деяких моделей ДБЖ компанії APC
|
МодельUPSфірмиAPC |
Вихідна напруга зарядного пристрою |
|
Back-UPS 250EC/250 EI |
13 . 8 (±0.5) VDC |
|
Back-UPS 400 EC/EI/MI |
13 . 8 (±0.5) VDC |
|
Back-UPS 600 EC |
13 . 8 (±0.5) VDC |
|
Back-UPS 200 |
від 13.75 до 13 . 8 VDC |
|
Back-UPS 250 (BK250) |
13.76 (±0.2) VDC |
|
Back-UPS 360/450/520 |
від 13.75 до 13 . 8 VDC |
|
Back-UPS 400/450 (BK400/450) |
13.76 (±0.2) VDC |
|
Back-UPS 600 (BK600) |
13.76 (±0.2) VDC |
|
Back-UPS 900/1250 (BK900/1250) |
27.60 (±0.2) VDC |
|
Back-UPS AVR 500I/500IACH |
13.6 (±3%) VDC |
|
Back-UPS PRO 280/300J/420 |
13.6 (±3%) VDC |
|
Back-UPS PRO 500J/650 |
13.6 (±3%) VDC |
|
Back-UPS PRO 1000 |
від 26 . 7 до 28 . 5 VDC |
|
Back-UPS PRO 1400 |
13.6 (±3%) VDC |
|
Smart-UPS 450/700 |
від 26 . 7 до 28 . 5 VDC |
|
Smart-UPS 1000/1400 |
від 26 . 7 до 28 . 5 VDC |
|
Smart-UPS 2200 RM/RMI/RM3U/RM3UI |
від 53.4 до 57.0 VDC |
|
Smart-UPS 3300 RM/RMI/RM3U/RM3UI |
від 53.4 до 57.0 VDC |
|
Smart-UPS 250 (1G та 2G) |
від 20.4 до 21.2 VDC |
|
Smart-UPS 370/400 (1G та 2G) |
від 27.05 до 27.9 VDC |
|
Smart-UPS 600 (1G та 2G) |
27.60 (±0.2) VDC |
|
Smart-UPS 900/1250 (1G та 2G) |
27.60 (±0.2) VDC |
|
Smart-UPS 2000 (1G та 2G) |
55.1 (±0.55) VDC |
|
Smart-UPS RM 700/1000/1400 |
27.60 (±0.27) VDC |
|
Matrix - UPS |
55.3 (±0.5) VDC |
Заряд вважається завершеним, якщо струм заряду залишається незмінним протягом трьох годин. Якщо не здійснювати контроль за стабільністю напруги на батареї, може наступити її перезарядження. В результаті електролізу через те, що негативні пластини перестають активно поглинати кисень, вода електроліту починає розкладатися на кисень і водень, випаровуючись з батареї. Рівень електроліту в батареї знижується, що призводить до погіршення протікання в ній хімічних реакцій, і її ємність зменшуватиметься, а термін служби – скорочуватиметься. Тому заряд таким методом повинен протікати при обов'язковому контролі напруги та часу заряду, що дозволить збільшити термін служби батареї.
На цей метод заряду слід звернути увагу як на найпростіший. Раніше у вітчизняній літературі при заряді негерметичних свинцево-кислотних батарей вважалося нормою виробляти їхній заряд початковим струмом, рівним 0.1С протягом 8 – 12 годин при напрузі заряду з розрахунку 2.4 Уелемент батареї.
На рис.1 як приклад показані характеристики заряду 12-вольтових свинцево-кислотних батарей, розряджених на 50% і 100%. Ступінь розряду визначається напругою кінця розряду батареї.
Рис.1 Характеристики заряду 12-вольтових свинцево-кислотних батарей
При заряді постійною напругою, зарядний пристрій повинен мати таймер для відключення батареї після закінчення заряду або інший пристрій, що забезпечує контроль часу або ступеня заряду батареї та сигнал сигналу відключення керуючого пристрою. Цю функцію в сучасних джерелах безперебійного живлення виконує мікропроцесор, який контролює заряд батареї. Обмеження часу заряду дозволяє уникнути як недостатнього заряду, так і перезаряду. Слід пам'ятати, що переривання заряду скорочує термін служби акумулятора.
Не можна заряджати повністю заряджену батарею - перезаряд може призвести до її псування. При циклічній експлуатації батареї час заряду не повинен перевищувати 24 години.
Метод двоступінчастого заряду при постійній напрузі заряду
Метод двоступінчастого заряду при постійній напрузі заряду, як і випливає з його назви, відбувається у два етапи:
- спочатку заряд при вищій напрузі заряду;
- а потім заряд при нижчій напрузі заряду (струменевий або компенсуючий заряд).
Роботу зарядного пристрою пояснює графік характеристики заряду (рис.2). Заряд починається з подачі на батарею підвищеної напруги заряду. При цьому струм початку заряду вибирають, як правило, рівним 0.15 С, а час першого етапу заряду - близько 10 год. У міру заряду батареї струм заряду зменшується, і коли його значення досягне певної величини, зарядний пристрій перейде в режим струменевої підзарядки малим струмом (Зазвичай 0.05С).
Рис.2 Метод двоступінчастого заряду при постійній напрузі заряду
При двоступінчастому заряді початковий струм першого етапу повинен перевищувати значення 0.4С, а струм струменевої підзарядки – 0.15С. Типові значення напруги заряду при різних температурах навколишнього середовища для 12-вольтового акумулятора наведені в табл.3.
|
Етапзаряду |
Типовезначеннянапругизаряду, У |
||
|
0° З |
25°З |
40°З |
|
|
Основний |
15.4 |
14.7 |
14.2 |
|
Компенсуючий |
14.1 |
13.7 |
13.4 |
Важливою перевагою даного методу є скорочений час заряду батареї при переході з робочого режиму в черговий, стан струменевої (компенсаційної) підзарядки при малій величині струму заряду.
Метод компенсуючого заряду
Метод компенсуючого заряду, який називають також методом струминної підзарядки, зазвичай застосовують на заключній стадії заряджання. Проте застосовують і як самостійний метод заряду при заряді свинцево-кислотних акумуляторних батарей, які у черговому режимі, тобто. як резервне джерело живлення. У такому джерелі в разі збою основного джерела входить акумуляторна батарея. Якщо її розряд був нетривалим, і ємність знизилася незначно, то для заряду буде достатній заряд батареї, що компенсує, який забезпечить поступове відновлення її робочої ємності. Однак при глибокому розряді знадобиться застосування іншого зарядного пристрою, здатного забезпечити досить високий струм заряду. У разі глибокого розряду та подальшого за ним струменевої підзарядки може відбутися сульфатація пластин батареї з усіма наслідками. Вихід із положення може полягати в недопущенні глибокого розряду, що забезпечується мікропроцесором UPS, який слідкує за рівнем розряду батареї.
При компенсуючому заряді також слід враховувати, що тривалий заряд при незначних коливаннях напруги заряду істотно знижує термін служби батареї. Тому має бути передбачена його стабілізація. Бажано, щоб відхилення напруги заряду від норми не перевищувало ±1%. Крім того, оскільки зарядні характеристики значною мірою залежать від температури навколишнього середовища, зарядний пристрій повинен мати схему термокомпенсації.
Не можна стверджувати, що заряд, що компенсує, настільки корисний для свинцево-кислотних батарей, тому що цей метод зазвичай використовують у двох випадках: при їх незначному розряді і для підзарядки заряджених батарей з метою компенсації їх саморозряду.
Для свинцево-кислотних акумуляторів неприпустимий недостатній заряд, оскільки це призводить до сульфатації негативних пластин. Але однаково, неприпустимий і перезаряд, що викликає корозію позитивних пластин. При заряді, що компенсує, якщо він триватиме занадто довго, почнеться перезаряд батареї і, крім того, відбуватиметься закипання електроліту.
Отже, з усього вищесказаного, можна дійти невтішного висновку у тому, що у найбільш масових джерелах безперебійного живлення використовуються найпростіші методи заряду – метод заряду постійною напругою і метод компенсуючого заряду.
Ще необхідно відзначити, що при виборі значення напруги заряду необхідно враховувати температуру навколишнього середовища: при її високих значеннях потрібно напругу трохи зменшити, а при низьких збільшити. Саме тому в хороших зарядних пристроях, призначених для експлуатації в широкому діапазоні температур, є спеціальна схема, що контролює температуру навколишнього середовища та забезпечує встановлення напруги компенсуючого заряду відповідно до її значення.
В принципі, говорити про всі особливості акумуляторних батарей та їх зарядних пристроїв, можна ще досить довго, але повернімося до теми нашої публікації і почнемо знайомство з практичними варіантами зарядних пристроїв. Але вся наведена тут інформація, сподіваємось, допоможе нашим читачам краще зрозуміти все те, що буде наведено далі.
Зарядні пристрої на базі лінійних регуляторів напруги
Зарядні пристрої у вигляді лінійних регуляторів напруги на сьогоднішній день дуже рідко використовуються компанією APC у своїх джерелах безперебійного живлення. Лінійні регулятори широко використовувалися в моделях першого (1G) та другого (2G) поколінь, і їх використання найчастіше характерно для моделей з невеликою вихідною потужністю.
Що ж до інших виробників, всі вони досі продовжують використовувати лінійні регулятори як зарядних пристроїв, т.к. Імена ця топологія є найпростішою як у проектуванні, так і в практичній реалізації.
Блок-схема зарядного пристрою на базі лінійного регулятора напруги представлена на рис.3, який демонструє всю простоту схеми. Обов'язковим елементом схеми є низький низькочастотний трансформатор. Як, до речі, може використовуватися основний силовий трансформатор джерела безперебійного живлення. В цьому випадку в трансформаторі є додаткова знижувальна обмотка. Таке рішення дозволяє уникнути застосування окремого трансформатора, що дозволяє знизити вартість і масу UPS.
Рис.3 Архітектура зарядного пристрою ДБЖ (лінійний регулятор)
Перетворення змінної напруги на постійне, зазвичай, здійснюється випрямлячем з урахуванням діодного мосту, з якого випрямлене напруга надходить на схему регулятора-стабілізатора.
Режим роботи регулятора напруги може визначатися двома схемами:
- схемою обмеження струму стабілізатора;
- схемою термічного регулювання.
Обидві ці схеми є опціональними та їх наявність характерна для зарядних пристроїв вищого класу. У найпростіших зарядних пристроях, що працюють у режимі заряду постійною напругою, вони найчастіше відсутні.
Увімкнення та вимкнення регулятора напруги здійснюється мікропроцесором (або іншим контролером, що виконує функцію головної керуючої мікросхеми UPS) за допомогою сигналу ON/OFF. Увімкнення та вимкнення зарядного пристрою здійснюється мікропроцесором, який аналізує стан сигналу рівня заряду акумулятора та сигналу AC-OK(сигналу наявності на вході UPS змінної напруги).
Переважною більшістю розробників UPS використовується мікросхема LM317 як основа лінійного регулятора зарядної напруги. Ця універсальна мікросхема трививідного стабілізатора позитивної напруги, що дозволяє проектувати стабілізатори з вихідною напругою від 1.2Вдо 37Ві струмом навантаження до 1.5А. Ми не будемо зараз поширюватися з приводу LM317, адже будь-хто знайде про неї найдокладнішу інформацію як через Internet, так і у вітчизняних довідниках із зарубіжної елементної бази. Єдине, на чому хотілося б зупинитися, так це на особливостях включення стабілізатора та методах програмування рівня вихідної напруги.
Стабілізатор LM317 зручний тим, що вимагають лише двох зовнішніх резисторів для завдання рівня вихідної напруги. Крім того, показники нестабільності по струму навантаження та напруги у LM317 набагато кращі, ніж у стабілізаторів з фіксованою вихідною напругою. LM317 має вбудовану схему захисту від перевантаження, схему обмеження струму, схему захисту від перегріву, схему захисту від недотримання області безпечної роботи.
Конфігурація зовнішніх резисторів та напрямок струмів, що протікають через висновки LM317, показані на рис.4. Стабілізатор забезпечує опорну напругу Vref = 1.25 В(Напруга між вихідним і керуючим висновками). Ця опорна напруга прикладається до резистора, що задає струм. R1. Значення вихідної напруги визначається за формулою (1):
Vout=Vref(1+R2/R1)+I ADJ R2 (1)
Рис.4 Стабілізатор LM317
Струм через керуючий висновок не перевищує значення 100мкА і в цій формулі входить до доданку, що визначає похибку. Тому при розробці стабілізатора струм I ADJпрагнуть максимально знизити, і, таким чином, зменшити, наскільки це можливо, зміни вихідної напруги і струму навантаження. Для цієї мети весь струм споживання протікає через вихідний висновок мікросхеми, визначаючи мінімально необхідний струм навантаження. Якщо навантаження на виході недостатнє, то вихідна напруга зростатиме. Для запобігання цьому явищу в зарядних пристроях вводиться стежить ланцюг, який при збільшенні вихідної напруги (а це може відбуватися в міру заряду акумуляторів) коригує номінали резистивного дільника, і, зокрема, еквівалентний опір резистора R2.Приклад такого стежить представлений на рис.5.У представленій схемі датчиком вихідної напруги є резистивний дільник R4/R5. Збільшення вихідної напруги призводить до відкривання транзистора Q1та підключення резистора R3паралельно резистори R2. В результаті, еквівалентний опір резистора R2зменшується, що призводить до зниження величини вихідної напруги. Аналогічним чином можна компенсувати і величину зарядної напруги за зміни навколишньої температури. Для цього замість резистора R5достатньо встановити терморезистор.
Рис.5 Ланцюг, що стежить, дозволяє запобігати зміні вихідної напруги і струму навантаження.
Жоден із висновків мікросхеми не повинен бути підключений до "землі" в обов'язковому порядку. Підключення до "землі" здійснюється через відповідний дільник. Тому даний стабілізатор, як то кажуть, має "плаваючі" щодо "землі" потенціали висновків. Як результат цього, за допомогою LM317 можуть стабілізуватися напруги в кілька сотень вольт, за умови, що не буде перевищено допустиму межу різниці напруг між входом і виходом (максимальне значення різниці не повинно перевищувати 40В ).
Необхідно відзначити, що мікросхема LM317 зручна для створення не тільки лінійних стабілізаторів з програмованою вихідною напругою, але і для створення простих регульованих імпульсних стабілізаторів, хоча саме таке рішення в джерелах безперебійного живлення практично не зустрічається.
Підключення керуючого виведення ADJ (конт.2) до "землі" призводить до того, що вихідна напруга стабілізатора задається на рівні 1.2 У, при якому більшість навантажень починає споживати мізерний струм, тобто фактично навантаження вимикається. Саме за таким принципом здійснюється увімкнення/вимкнення зарядного пристрою. Для цього в схему вводиться транзистор, що включається між «землею» та контактом ADJ. Транзистор управляється TTL-сигналом, що формується мікроконтролером рис.6.
Рис.6 Увімкнення/вимкнення стабілізатора LM317
Відкриття транзистора призводить до шунтування на землю виведення ADJ та вимкнення зарядного пристрою. Замикання транзистора дозволяє включити зарядний пристрій і сформувати на виході LM317 напругу, величина якого задана зовнішнім резистивним дільником. Шунтування виводу, що управляє, може здійснюватися не безпосередньо на «землю», а через резистор ( рис.7). У цьому випадку на виході зарядного пристрою формується вже не 1.2В, а дещо більша напруга, однак, однаково, з досить низьким потенціалом, що фактично відповідає припиненню роботи зарядного пристрою.
Рис.7
Крім керуючого транзистора, у схемі зарядного пристрою часто є ще й обмежувач струму, який відключає стабілізатор LM317 у разі перевищення струму навантаження (у даному випадку струму заряду акумуляторів) понад встановлене значення. Варіант зарядного пристрою з обмежувачем струму подано на рис.8. Саме так і виглядають зарядні пристрої переважної більшості джерел безперебійного живлення компанії PowerCom модельного ряду KING(родина KIN) та модельного ряду Black Knight(родина BNT). У цій схемі величина струму, при якому відбувається обмеження, задається в першу чергу номіналом резистора R3. Падіння напруги на резисторі R3керує транзистором Q1. Резистор R3з опором 1 Омвстановлює граничне значення струму 0.6А. На принципі, величина вихідного струму, у якому здійснюється обмеження, тобто. величина струму короткого замикання (КЗ) обчислюється за такою формулою (2):
Iкз = 600 mV/R3 (2)
Рис.8 Зарядний пристрій ДБЖ PowerCom сімейств KIN/BNT
На цьому розгляд особливостей мікросхеми LM317 ми закінчуємо та переходимо до огляду практичних схем зарядних пристроїв різних джерел безперебійного живлення.
Єдине, на що ще можна звернути увагу, так це на те, що мікросхема LM317 має і вітчизняний аналог – це стабілізатор 142ЕН12який нічим від неї не відрізняється (ні характеристиками, ні типом корпусу, ні внутрішньою схемою, ні схемами застосування).
Рис.9 Зарядний пристрій ДБЖ APC Back-UPS 600 (шасі 640-0208E)
На рис.9 представлений перший приклад використання LM317 для побудови зарядного пристрою. У цьому прикладі на вхід стабілізатора подається випрямлене, але не згладжене напруга, одержуване на виході діодного моста зі зниженої змінної змінної напруги. В результаті, на виході стабілізатора також формується не постійна напруга, а «параболи зі зрізаними верхівками». Обмеження параболи здійснюється на рівні напруги стабілізації, який насамперед задається резисторами R9і R11. Точне підстроювання цієї напруги здійснюється дільником R10/VR1. Таким чином, змінний резистор VR1дозволяє підрегулювати величину вихідної напруги зарядного пристрою. Згладжування вихідної напруги зарядного пристрою здійснюється електролітичним конденсатором C3.
Рис.10 Зарядний пристрій ДБЖ PowerCom KIN 800/1500AP
На рис.10 наводиться схема зарядного пристрою, що використовується в багатьох моделях сімейств KINі BNTфірми PowerCom. Цей зарядний пристрій будується за класичною схемою з обмеженням струму. Величина вихідної напруги зарядного пристрою задається резистивним дільником R7/R38.Токовим датчиком, що задає поріг струмового обмеження, є резистор R51. Токовий датчик керує транзистором Q8, За допомогою якого здійснюється блокування стабілізатора в момент перевищення струмом порогового значення. Увімкнення/вимкнення зарядного пристрою здійснюється транзистором Q10, який керується сигналом ON/OFF від мікропроцесора.
Рис.11 Зарядний пристрій ДБЖ PowerCom KIN 425/625AP
На рис.11 представлено ще одну схему зарядного пристрою для UPS компанії PowerCom. Ця схема також побудована на основі класичної схемотехніки зарядного пристрою з струмовим обмеженням, проте в ній передбачено зміну режимів зарядного пристрою. Зміна режимів роботи, тобто. програмування зарядного пристрою, що здійснюється сигналом VOLT_SELECT який є дискретним сигналом і генерується мікропроцесором. Цим сигналом змінюються параметри резистивного дільника, що задає вихідну напругу стабілізатора, зокрема змінюється опір «нижнього» резистора ( R2на рис.4). Встановлення сигналу VOLT_SELECT у високий рівень призводить до відкривання транзистора Q12та замиканню Q7. В результаті нижнім резистором дільника стає резистор. R15. Встановлення сигналу VOLT_SELECTу низький рівень призводить до відкривання транзистора Q7та закривання Q12, внаслідок чого «нижнім» резистором дільника стає R17 c іншим номіналом опору, що в результаті призводить до зміни вихідної напруги зарядного пристрою.
Увімкнення та вимкнення зарядного пристрою здійснюється сигналом ON/OFF та транзистором Q18при відкритті якого керуючий висновок стабілізатора LM317 ( конт.1) шунтується на «землю». Обмеження струму, як завжди, здійснюється транзистором Q19, який, у свою чергу, керується струмовим датчиком - резистором. R35.
На схемі, зображеній на рис.11, можна бачити ще й наявність датчика роботи зарядного пристрою, що складається з R53, R45і C19. Цим датчиком генерується сигнал CHRG_ON відразу ж, як тільки на вході UPS з'являється напруга живлення первинної мережі. Цей сигнал своїм високим рівнем повідомляє мікропроцесору про наявність мережної напруги та можливість початку процесу заряду акумуляторів. Саме цим сигналом мікропроцесор встановлює сигнал ON/OFF в низький рівень, що призводить до запуску зарядного пристрою. В принципі цей датчик можна було б назвати датчиком наявності мережевої напруги.
Рис.12 Зарядний пристрій ДБЖ Back-UPS 900/1250 (шасі 640-0209)
Зарядний пристрій на рис.12 призначений для формування потужного струму заряду акумуляторів. Але так як LM317 дозволяє формувати струм величиною лише до 1.5А, то для збільшення потужності встановлюють паралельно два стабілізатори ( IC12і IC13), у результаті струм навантаження ділиться між двома цими мікросхемами приблизно навпіл, тобто. цей зарядний пристрій забезпечує зарядний струм, величиною до 3А. Величина зарядної напруги задається резисторами R141, R142, R143і VR6. Як і в одному з уже розглянутих прикладів, змінний резистор VR6дозволяє забезпечити точне підстроювання напруги зарядного пристрою. Ця операція виконується на заводі-виробнику, а також може здійснюватись сервісними інженерами при тестуванні UPS.
У цьому схемі передбачено плавний запуск зарядного пристрою, тобто. вихідна напруга наростає поступово – за експоненційним законом. Плавний запуск забезпечується схемою, що складається з транзистора Q45та інтегруючого ланцюга R166/C48. У момент появи змінної напруги на виході трансформатора, що понижує. T2, конденсатор C48розряджений, внаслідок чого транзистор Q45виявляється закритим. Закритий Q45"відсікає" від "землі" резистивний дільник (і, зокрема, резистор R142), за допомогою якого задається величина вихідної напруги зарядного пристрою. Однак у міру заряду конденсатора C48, транзистор Q45починає відкриватися, і дільник, що задає, підключається до «землі». Напруга на конденсаторі зростає за експоненційним законом, внаслідок чого за таким самим законом змінюється вихідна напруга і струм.
Транзистор Q19є керуючим транзистором, за допомогою якого здійснюється включення та вимкнення зарядного пристрою. Управляється транзистор сигналом ACFAIL , який встановлюється у високий рівень у момент зникнення напруги. Активізація сигналу ACFAIL призводить до відкривання транзистора Q19та вимкнення зарядного пристрою.
Крім того, у цій схемі передбачена і термічна компенсація зарядної напруги, і термічний захист. Для цього призначений терморезистор R161і керований ним транзистор Q18, який, у свою чергу, керує транзистором Q19.
Крім LM317 в зарядних пристроях можуть застосовуватись і інтегральні трививідні стабілізатори на фіксовану напругу. Ці стабілізатори мають три висновки: вхідна напруга, вихідна напруга та «земля». Саме щодо «землі» ці стабілізатори і обмежують свою вихідну напругу. З усього різноманіття таких мікросхем, найбільш підходящими для побудови зарядних пристроїв акумуляторів є стабілізатори 15 Вольт. Проте напруга 15Вє надлишковим. Тому зниження величини діючого вихідного напруги ці стабілізатори змушують працювати у умовно-импульсном режимі. Такий режим має на увазі, що на вхід стабілізатора подається незгладжена випрямлена напруга. В результаті на виході стабілізатора формуються «зрізані» на рівні 15 Вольтпараболи, при згладжуванні яких далі отримують напругу навколо 14 Вольт. Приклад такого зарядного пристрою представлено на рис.13.
