Делаем зарядное для АКБ из трансформатора UPS и ККМ L6561

Автор: Enemigo
Опубликовано 26.06.2018
Создано при помощи КотоРед.

В данной публикации представлен проект зарядного устройства автоаккумулятора на базе трансформатора от старого UPS APC CS500. Отличительная особенность предлагаемого устройства состоит в том, что в отличие от традиционных способов заряда АКБ: ограничение тока или напряжения, в нем применяется ограничение средней мощности отдаваемой из сети в аккумулятор. Принцип реализован за счет использования микросхемы корректора коэффициента мощности L6561, которая на выходе формирует серию импульсов тока треугольной формы, огибающая которых повторяет колебания напряжения сети (рис. 1).

Такой принцип обладает несколькими преимуществами. Во-первых, не требуются громоздкие конденсаторы фильтров на входе и на выходе устройства. Во-вторых, отбор мощности из сети происходит согласованно с колебаниями переменного напряжения т.е. обеспечивается высокий коэффициент мощности подключенной к ней нагрузки. Иными словами зарядное устройство ведет себя аналогично резистору. И, в-третьих, уменьшается нагрев как пассивных так и активных элементов схемы за счет работы в так называемом переходном режиме. Для контроля заряда применен модуль Arduino Nano, хотя можно использовать любой из доступных микроконтролеров с четырьмя портами ввода-вывода.

Принципиальная схема устройства представлена на рис 2. Устройство состоит из трех основных частей: блок ККМ, блок формирования напряжения питания элементов схемы и микроконтролер.

За основу взят выходной трансформатор блока бесперебойного питания APC CS500, включенный в обратном направлении: вторичная обмотка включена в сеть 220В, а с первичных обмоток T1, T3 отбирается энергия.

Рассмотрим работу каждого из блоков подробнее. Через диодную сборку D1 выпрямленное напряжение с T1 сглаживается конденсатором C1. Здесь конденсатор C1 служит фильтром высокочастотных помех и поэтому не требует большой емкости. Тем не менее для устойчивой работы ККМ должен быть не менее 220мкФ. Увеличение емкости C1 приводит к искажению формы напряжения на входе блока ККМ и уменьшению коэффициента мощности устройства.

Далее через делитель напряжения R6, R7 попадает на вход MULT микросхемы U1, где используеься для формирования длительности открытого состояния ключа Q1, регулирующего ток в индукторе T2. Чем выше напряжение на входе MULT тем выше пиковый ток в индукторе (хотя время открытия ключа Q1 в результате оказывается постоянным см. рис. 1). При открытии ключа Q1 ток в индукторе T2 линейно нарастает вызывая рост напряжения на токочувствительном составном резисторе R3,R16,R18,R19, которое подается на вход CS микросхемы U1, и когда оно достигает пороговой  MULT ключ Q1 закрывается, а ток продолжает течь через диодную сборку D2 на выход блока ККМ заряжая конденсатор C2 или отдается в заряжаемую батарею. Цикл повторяется в момент, когда ток индуктора становится равным нулю. Этот момент определяется с помощью токочувствительной обмотки L2 индуктора T2, напряжение с которой подается на вход ZСD микросхемы U1.

Напряжение заряженного конденсатора C2 или батареи через делитель R4, R5, R21 подается на вход INV, где сравнивается с пороговым 2.5В и при его достижении генерация импульсов и передача энергии прекращается. С помощью данного входа реализовано ограничение напряжения заряда батареи.

Блок формирования напряжений питания построен на базе гасящей обмотки трансфоматора, которая при подключении трансформатора T1 к сети генерирует выпрямленное через диодный мост D3 постоянное напряжение 26В на конденсаторе C5. Далее микросхема U2 понижает это напряжение до уровня 13В, небходимого для питания микросхемы U1. Вместо микросхемы 34063 можно применить любое устройство понижения напряжения до уровня 12-18В, например, линейный стабилизатор 7812. Напряжение 26В используется для открытия ключа Q2, который служит в качестве реле, подключающего выход блока ККМ к заряжаемой батарее. Поскольку применен ключ N-типа, необходимо для его открытия подать напряжение на затвор превышающее 20В что и было сделано.   

Блок управления служит для определения факта подключения батареи и момента окончания заряда. Возможности алгоритма заряда здесь ограничены лишь фантазией автора программы. С делителя R10, R11 напряжение со входа подается на АЦП вход микроконтролера, где сравнивается с пороговым. Если напряжение меньше 9В батарея неисправна или отсутствует: устройство выключено. Если понизить порог напряжения, то при попытке зарядить неисправную батарею ККМ, а соответственно и ограничение мощности, не будет работать, т.к. ток будет бесконтрольно (напряжение на выходе ККМ должно быть всегда больше чем на входе) напрямую идти через цепь D1-T2-D2-Q2 в нагрузку, что чреевато выходом указанных элементов из строя.

Если напряжение выше 9В микроконтролер подает высокий уровень на транзистор Q3, который совместно с Q4 является частью цепи развязки микроконтролера от высокого напряжения 26В. Транзистор Q4 заряжает затвор Q2 и тот отрывается, подключая батарею к блоку ККМ. Одновременно снимается низкий уровень с входа ZCD, блокирующий генерацию. Устройство начинает заряд. Ключ Q6 служит для ступенчатого изменения мощности заряда. При его отрытии средняя мощность зарядного тока увеличивается в два раза. При достижении напряжения 14.5В на АКБ энергия, запасенная в индукторе может быть избыточной для батареи поэтому ее нужно снижать к концу заряда. В алгоритме применен пороговый уровень напряжения батареи 13.8В, при котором устройство уменьшает зарядный ток в два раза.

О некоторых деталях. Полевые транзисторы Q1,Q2,Q6 SMD сняты со старой материнской платы. Подойдут любые на напряжение D-S 20-30В. Нагрев этих элементов незначительный: в момент окрытия Q1 напряжение равно 0, а в момент закрытия ток бежит через диод D2. Резисторы датчика тока R3,R16,R18,R19 мощностью от 0,5Вт. Индуктор T2 намотан двойным проводом диаметра 1мм на ферритовом кольце 26х16х15мм 9 витков. В кольце сделан пропил при помощи алмазного напильника. Ширина пропила значения не имеет, важно, чтобы кольцо было достаточно объемным и выдерживало пиковый ток 17А. Индуктивность > 1uH. Желтое кольцо фильтра из БП ATX хоть и выглядит весьма соблазнительно, но здесь не подойдет - будет греться. Обмотка L2 содержит столько же витков сколько и L1. Диаметр провода в обмотке L2 не имеет значения. Чтобы не перепутать полярность L2 следует воспользоваться правилом: тот конец намотки L2, который соответствует концу намотки L1, подключаемой к выводу 3 диода D2 подключается к резистору R2. Ноги 1 и 3 диода D2 можно подключить параллельно

О настройке. При первом настройке конденсатор C1, ключ Q1 и микроконтролер не устанавливаются. Выставляется напряжения питания 13В на конденсаторе C7. Для зарядного тока 6А движком потенциометра R7 добиться амплитуды 0,85В на ноге MULT (0,6В на вольтметре в режиме AC). После этого устанавливается ключ Q1, конденсатор C1, и движком R21 устанавливается напряжение 14.5В DC на конденсаторе C2. После этого устанавливается прошитый микроконтролер: все зарядное готово к работе.

 Несмотря на сложность схемы и ее описание схема помещается на небольшой макетке размерами 8х6см.

Прошивка и компоновка деталей на странице проекта https://easyeda.com/enemigo/L6561-PFC-StepUp-Lead-acid-battary-charger

Все вопросы в Форум.