Многим автолюбителям и не только известно, что свинцово-кислотные аккумуляторы подвержены сульфатации во время разряда, которая впоследствии приводит к выходу из строя аккумулятора. Сульфатация – это процесс образования труднорастворимых кристаллов сульфата свинца на пластинах аккумулятора. Часто это происходит, если аккумулятор не полностью разряжается или заряжается. Сульфатация пластин приводит к увеличению внутреннего сопротивления и уменьшению емкости аккумулятора.
Для устранения сульфатации применяют специализированные десульфатирующие зарядные устройсва, либо отдельные устройства – десульфататоры. Их принцип основан на разрушении кристаллов сульфата свинца генерацией коротких импульсов высокой амплитуды, приложенных к аккумулятору.

С целью создания подобного устройства ко мне за помощью обратился один знакомый. Т.к. я не имел понятия о физике и химии десульфатации, то обратился за вдохновением в просторы интернета. За основу была взята широко распространенная схема, часто встречающаяся на сайтах посвященных радиоэлектроники, в том числе на страницах Радиокота [1]. Схема представляет собой импульсный преобразователь в котором энергия запасается индуктивностью и отдается в аккумулятор в виде импульсов высокой амплитуды. Работой десульфататора управляет асинхронный мультивибратор на интегральном таймере КР1006ВИ1 (NE555).
Десульфатирующую часть я решил оставить без изменения, а генератор построить на современной элементной базе, поймав несколько мышей одновременно.

 

 

 

Схема генератора, а также вольтметра построена на микроконтроллере семейства AVR (DD1), тактируемом от внешнего кварцевого резонатора (ZQ1) с частотой 8 МГц. Применение микроконтроллера обусловлено обеспечением гибкой перестройки десульфататора путем изменения программы без вмешательства в схему. Информация о работе десульфататора отображается на 3-х разрядном 7-сегментном индикаторе (HG1) с общим анодом. Т.к. ток на ножках микроконтроллера ограничен 20 мА, управление анодами индикатора осуществляется с помощью транзисторных ключей VT1 – VT3. Резисторы R14, R15 образуют делитель напряжения с коэффициентом деления 10 на входе АЦП (вход PC2), а стабилитрон VD1 защищает вход от превышения напряжения. Управление работой десульфататора осуществляется с помощью энкодера B1. Диоды VD2, VD3 обеспечивают развязку порта PB3, к которому подключена кнопка энкодера и электронного выключателя для исключения ложного срабатывания кнопки. Для управления питанием десульфататора на резисторах R16, R17, R18, R19, транзисторах VT4, VT5 собрана схема электронного выключателя питания. Цифровая часть схемы запитана от линейного стабилизатора DA1. Разъем XP2 необходим для питания схемы, минуя электронный выключатель во время отладки и программирования. Резисторы R20, R21, R22, R23, транзисторы VT6, VT7 образуют драйвер полевого n-канального транзистора VT8. Супрессор VD5 защищает от высоковольтных импульсов, опасных для человека.

Управляющая программа написана на языке Си в среде WinAVR. Исходные файлы с подробными комментариями приложены в конце статьи. В качестве драйвера 7-сегментного индикатора использована библиотека Pashgan [2], за что ему огромное спасибо. Для отладки цифровая часть схемы и электронный выключатель были смоделированы в среде Proteus.

 

Включение десульфататора осуществляется кратковременным нажатием кнопки энкодера. При это сигнал низкого уровня через диод VD3 открывает транзистор VT4, напряжение 12В с аккумулятора поступает на стабилизатор DA1. С выхода стабилизатора 5В приходит в микроконтроллер DD1. После инициализации микроконтроллера, на выходе PB2 появляется сигнал высокого уровня, который транзистором VT5 блокирует транзистор VT4, не давая ему закрыться. На индикаторе отображается заставка и в течение нескольких секунд высвечивается напряжение на аккумуляторе. Затем десульфататор переходит в режим запуска десульфатации.

 

 

Переключение между режимами осуществляется вращением ручки энкодера «вправо» или «влево». Для изменения параметров необходимо кратковременно нажать кнопку энкодера. При этом изменяемый параметр начнет мигать. Подтверждение изменений также осуществляется нажатием кнопки. Все измененные параметры сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера.
Включение генерации осуществляется в режиме запуска десульфатации. При этом основной индикатор отключается, а работа десульфататора контролируется с помощью светодиода. Пока полевой транзистор закрыт, конденсаторы C15, C17 заряжаются через дроссель L4 до напряжения аккумулятора. Затем транзистор открывается на время выставленной длительности накопления энергии. Конденсаторы C15, C17 мгновенно разряжаются через него и дроссель L3, через который начинает протекать ток. Дроссель L3 накапливает энергию. После закрытия полевого транзистора VT8 ток через дроссель не прекращается мгновенно, а продолжает протекать высвобождая накопленную энергию в виде импульса высокой амплитуды через диод VD4 и конденсаторы C15, C17 в аккумулятор. Цикл повторяется с установленной в настройках частотой.

 

 

В оригинальной схеме [1] емкость конденсатора равна 100 – 200 мкф. В процессе экспериментов я увеличил емкость в 10 раз и получил значительно большую амплитуду импульсов.
Если во время запущенной десульфатации повернуть ручку энкодера «вправо» или «влево», на индикаторе в течение примерно 20 сек отобразится пиковая амплитуда импульса, отданная в аккумулятор. По амплитуде импульса можно определить степень сульфатации аккумулятора – чем выше амплитуда, тем больше внутреннее сопротивление и тем сильнее аккумулятор сульфатирован. Напряжение импульса зависит от частоты десульфатации и длительности накопления заряда. Эти значения подбираются экспериментально для каждого аккумулятора.
Внимание! Т.к. десульфататор работает на частоте звукового диапазона, во время десульфатации слышен характерный писк дросселя.
Для защиты аккумулятора от глубокого разряда в десульфататоре предусмотрена функция автоматического отключения питания, порог напряжения которой выставляется пользователем.
Для выключения питания десульфататора вручную необходимо длительно нажать кнопку энкодера в любом режиме работы.

 

 

Конструкция в первую очередь собиралась из деталей, имеющихся в наличии. Десульфататор собран на двух печатных платах, установленных в алюминиевый корпус подходящих размеров, выполняющий роль экрана и радиатора для транзистора VT8 и диода VD4.

 

 

 

 

 

В схеме установлен микроконтроллер ATmega8-16PU в корпусе DIP28. Возможна замена на ATmega8L. В качестве индикатора HG1 используется 3-х разрядный светодиодный 7-сегментный индикатор красного свечения с общим анодом, размер символа индикатора 14,2 мм (0,56”). В схеме применен китайский аналог HS31056K.
Резисторы R14, R15 делителя напряжения имеют точность 2%. Диоды VD2, VD3 – любые кремниевые. Транзистор VT4 – структуры p-n-p с током коллектора не менее 300 мА. Остальные биполярные – любые структуры n-p-n и p-n-p. Транзистор VT8 и диод VD4 должны быть рассчитаны на ток не менее 5А и напряжение 100В. Диод VD4 должен быть быстродействующим. В качестве стабилизатора напряжения DA1 можно применить КР142ЕН5А или аналог. Дроссель L2 – ферритовый фильтр, представляющий собой проводник, продетый через ферритовый стержень. Дроссель L3 - 40 витков (3 слоя) проводом ПЭВ - 1,0 на каркасе B65816N1012D001, сердечник RM12 N41 250 с зазором 1 мм. В качестве дросселя L3 можно применить готовый индуктивностью 100 – 330 мкГн из расчета, чем больше, тем лучше, на ток не менее 3-х Ампер. Дроссель L4 - 46 витков (4 слоя) проводом ПЭВ - 0,8 на каркасе B65814-C1512-T1, сердечник RM10 N47 с искусственным зазором 0,3 мм. Зазор необходим для предотвращения насыщения магнитопровода. В качестве дросселя L4 можно применить входной фильтр от импульсных источников питания, рассчитанный на ток 1 Ампер, необходимо использовать одну из обмоток фильтра. Индуктивность L4 должна быть минимум в 3 раза больше, чем индуктивность L3. Конденсатор С15 должен быть с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (Low ESR).