AVT3300. Ładowarka podtrzymująca do akumulatora 12 V

Zadaniem tego układu jest ciągłe doładowywanie akumulatora kwasowego o nominalnym napięciu 12  V. Użytkownik może płynnie ustawić końcowe napięcie ładowania oraz wybrać maksymalne natężenie prądu ładowania: 50 mA, 150 mA, 300 mA lub 400 mA. Prosty obwód elektroniczny będzie na bieżąco kontrolował napięcie na zaciskach nadzorowanego magazynu energii i w razie potrzeby doładuje go. Może też pełnić rolę tak zwanego zasilacza buforowego. Po wyłączeniu zasilania niniejszej ładowarki, będzie ona obciążała akumulator w marginalnym stopniu.

Energia trafiająca do akumulatora pochodzi z sieci 230 V. Odpowiedni transformator został osadzony na niewielkiej płytce drukowanej układu, zatem cała konstrukcja jest zwarta i kompaktowa. Może służyć doładowywaniu akumulatora samochodowego w czasie mrozów, aby zmniejszyć jego rezystancję wewnętrzną, lub gdy akumulator zbyt szybko się rozładowuje.

Schemat układu pokazano na rysunku 1. Zasilanie 230 V/50 Hz jest doprowadzone do zacisków złącza J1. Do obniżenia napięcia oraz zapewnienia izolacji galwanicznej służy transformator sieciowy TR1.

1.  Schemat ideowy

Po stronie wtórnej transformatora możemy wyróżnić mostek prostowniczy złożony z diod Schottky'ego D1... D4. Dioda LED1 informuje o włączeniu zasilania, a rezystor R2 ogranicza jej prąd. Kondensator C2 wygładza tętnienia wyprostowanego napięcia.

Ładowanie akumulatora kwasowego najprościej jest realizować w trybie stały prąd/stałe napięcie (CC/CV) Układ najpierw ogranicza natężenie prądu ładowania do ustalonego maksimum, a potem, w miarę wzrastania poziomu naładowania, dąży do utrzymania stałego pułapu napięcia. Taki układ ma zatem dwie regulacje: maksymalnego prądu i  maksymalnego napięcia.

Ustawiając te wartości na poziomie, przykładowo, 200 mA i 13,8 V, będziemy mieli gwarancję, że z wyjścia układu nie popłynie prąd o natężeniu większym niż 200 mA, oraz że napięcie na jego zaciskach wyjściowych nigdy nie będzie wyższe niż 13,8 V.

Do utrzymania prądu na zadanym poziomie służy prosty układ źródła prądowego zbudowany na układzie US1 (LM317). Rezystory R4...R6 ustalają maksymalne natężenie prądu, przy czym na stałe włączony jest tylko R6. Został tak dobrany, że natężenie prądu wyjściowego powinno wynosić około 50 mA. R5 można dołączyć do niego równolegle, nakładając zworkę na wyprowadzenia JP1, przez co prąd wyjściowy wzrośnie o około 100 mA. Analogiczna jest rola R4, który można dołączyć zworką JP2, dzięki czemu natężenie prądu ładowania wzrośnie o około 250 mA.

W typowym układzie źródła prądowego z użyciem LM317, jego wejście ADJ jest zwarte bezpośrednio z wyjściem całego układu. W tym układzie został włączony rezystor R3, o wartości 910 Ω, którego zadaniem jest polaryzowanie układu US2 prądem o natężeniu nie większym niż 1,25 V/910 Ω≈1,37 mA. Regulowane źródło napięcia odniesienia TL431, wymaga minimalnego prądu katody na poziomie 1 mA.

US2 służy do utrzymania zadanego napięcia wyjściowego. Pobiera z wyjścia układu sygnał sprzężenia zwrotnego w postaci napięcia wychodzącego z dzielnika napięciowego.

"Górnym" rezystorem tego dzielnika jest sumaryczna rezystancja R7 i P1, więc można go wyregulować w zależności od potrzeb. Zadaniem US2 jest utrzymanie spadku napięcia na R8 równego 2,5 V. Jeżeli chciałoby ono wzrosnąć, będzie obniżał potencjał swojej katody, co z kolei spowoduje obniżenie się napięcia wyjściowego do zadanej wartości - jego rola ma znaczenie w trybie stałego napięcia. Podczas pracy układu w trybie stałego prądu ładowania, napięcie na R8 jest niższe niż żądane 2,5 V, więc US2 pozostaje zatkany. W tym momencie znaczenie ma jedynie US1.

Dioda D5 umożliwia wypływanie prądu z układu do akumulatora, ale blokuje jego przepływ w drugą stronę. W ten sposób akumulator nie będzie rozładowywany po wyłączeniu ładowarki z sieci. Jego jedynym obciążeniem będzie sumaryczna rezystancja R7+P1+R8, co będzie powodowało przepływ prądu o natężeniu rzędu 0,25 mA. Prąd o tak niskim natężeniu nie rozładuje akumulatora kwasowego o pojemności kilku amperogodzin lub większej, większy wpływ będzie miał wewnętrzny efekt samorozładowania.

Spadek napięcia na diodzie D5 nie ma wpływu na napięcie wyjściowe, ponieważ spadek napięcia na niej jest kompensowany przez US2, który pobiera informację o napięciu wyjściowym z jej katody, czyli uwzględnia jego aktualną wartość. Za to wartość tego spadku powinna być jak najniższa, aby móc zapewnić układowi US1 wystarczającą różnicę potencjałów między jego wejściem i wyjściem. Taką właściwość ma dioda o możliwie małym dopuszczalnym napięciu wstecznym. 20 V będzie wartością wystarczającą, aby napięcie z naładowanego akumulatora kwasowego 12 V nie przebiło jej złącza.

Montaż i uruchomienie

Układ należy zmontować na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 90×50 mm. Wzór jej ścieżek i schemat montażowy przedstawia rysunek 2. Montaż elementów należy wykonać w klasycznej kolejności, czyli zaczynając od elementów w obudowach o najniższej wysokości, takich jak rezystory i diody prostownicze. Stabilizator US1 należy przykręcić do radiatora przed wlutowaniem, uprzednio podkładkę silikonową i tulejkę izolacyjną.

 2. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej

Prawidłowo zmontowany układ zaczyna działać od razu po włączeniu zasilania, jednak na pierwsze uruchomienie polecamy nie podłączać akumulatora. Najpierw trzeba ustawić końcowe napięcie ładowania, co trzeba uczynić po podłączeniu do zacisków J2 woltomierza. Regulacji dokonuje się poprzez obracanie potencjometru P1.

Typowe napięcie ładowania akumulatorów kwasowych podczas pracy buforowej powinno zawierać się w przedziale 13,5...13,8 V.

Drugim krokiem jest wybór prądu ładowania. Użytkownik ma do wyboru cztery różne wartości, które ustawia się poprzez nakładanie lub zdejmowanie zworek JP1 i JP2. Szczegóły zostały zebrane w tabeli 1, która uwzględnia również wartości rzeczywiste, zmierzone w prototypie. Typową wartością natężenia prądu podtrzymującego jest 1/100 C, gdzie C to pojemność w amperogodzinach [Ah], lub mniej. Dlatego dla akumulatora o pojemności 45 Ah zaleca się doładowywanie go prądem o natężeniu nie większym niż 450 mA - w przypadku tego układu, należałoby wybrać opcję 400 mA. Szczegółów dotyczących zalecanego prądu podtrzymania należy szukać w karcie katalogowej akumulatora, ponieważ podana tutaj zależność jest jedynie orientacyjna.