Автомобильное зарядное устройство 

Аккумулятор в автомобиле заряжается от электрического генератора. Для обеспечения безопасного режима зарядки аккумулятора, когда интенсивность выделения газов в аккумуляторе не превышает допустимый уровень, после генератора устанавливают реле-регулятор, обеспечивающий напряжение зарядки не более 14,1±0,2В. Для полной же зарядки аккумулятора требуется напряжение 14,5В. Таким образом, получается, что на 100% аккумулятор зарядить система зарядки автомобиля не может и периодически необходимо аккумулятор заряжать внешним зарядным устройством.

Если в теплый период времени обеспечить пуск двигателя может аккумулятор, заряженный и на 50%, то при отрицательных температурах окружающей среды емкость аккумулятора уменьшается вдвое. Пусковые же токи при запуске двигателя из-за загустевшей смазки возрастают и если своевременно не зарядить аккумулятор, то в любой момент без «прикуривания» от аккумулятора другого автомобиля, запустить двигатель может не получиться. Поэтому перед наступлением морозов необходимо в обязательном порядке зарядить внешним зарядным устройством аккумулятор на 100%.

Для зарядки автомобильного аккумулятора служат зарядные устройства. В продаже их огромный ассортимент, но выбор всегда затруднителен, да и стоят они не дешево. При желании и небольшом радиолюбительском опыте зарядное устройство можно сделать своими руками. С рекомендациями по режиму зарядки аккумулятора и особенностям его эксплуатации 

Схем зарядных устройств автомобильных аккумуляторов в печатных издания публиковалось много, в Интернете выложено тоже более чем предостаточно, но все проанализированные мною схемы имеют существенные недостатки.

Зарядить аккумулятор можно даже с помощью одного мощного диода и обогревателя. Включил аккумулятор последовательно к электросети через диод и обогреватель мощностью пару киловатт, вот и пошл ток черезаккумулятор величиной 4,5А. Через 10-15 часов, аккумулятор зарядится, но и расход электроэнергии составит 10-15кВт. У такого зарядного устройства всего один недостаток – низкий КПД, не более одного процента.

Зарядные устройства, сделанные на транзисторах, выделяют много тела, как правило, боятся короткого замыкания и ошибочного подключения полярности аккумулятора. Схемы зарядных устройств на тиристорах и симисторах не обеспечивают требуемой стабильность зарядного тока и излучают акустический шум, тоже не допускают ошибок подключения аккумулятора и излучают мощные радиопомехи, которые можно существенно снизить, одев на сетевой провод ферритовое кольцо.

В Интернете есть технические решения, как сделать зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов из блока питания компьютера. Хотя структурные схемы компьютерных блоков питания одинаковые, то электрические схемы разные, и для доработки требуется высокая радиотехническая квалификация, которой редко кто владеет. А просто взять компьютерный блок питания и слепо следовать инструкции по переделке его в зарядное устройство для автомобильного аккумулятора маловероятно приведет к положительному результату.

Интерес у меня вызвала конденсаторная схема зарядного устройства, КПД высокий, тепла не выделяет, обеспечивает стабильный ток заряда вне зависимости от степени заряда аккумулятора и колебаний питающей сети, не боится коротких замыканий выхода. Но тоже имеет недостаток. Если в процессе заряда пропадет контакт с аккумулятором, то напряжение на конденсаторах возрастает в несколько раз, (конденсаторы и трансформатор образуют резонансный колебательный контур с частотой электросети), и они вместе с трансформатором выходят из строя. Если решить этот вопрос, то получится идеальное зарядное устройство.

Долго думал, на удивление, придуманное схемное решение оказалось очень простым. Получилась практически идеальная схема зарядного устройства для аккумуляторов, не имеющая недостатков. Более семи лет заряжаю разработанным и изготовленным своими руками конденсаторным зарядным устройством, как автомобильные аккумуляторы, так и любого типа и емкости на 12В.

Принципиальная схема автомобильного зарядного устройства

При кажущейся сложности, схема зарядного устройства простая и состоит из нескольких простых законченных схем.

Если для повторении этой схемы зарядного устройства у Вас не достаточно радиотехнического опыта, то можно собрать более простую схему зарядного устройства, работающего по такому же принципу. В отличие от приведенной электрической схемы, в ней нет функции автоматического отключения при полной зарядке аккумулятора.

Схема ограничителя тока на балластных конденсаторах

В конденсаторном зарядном устройстве регулировка величины и стабилизация силы тока заряда аккумулятора обеспечивается за счет включения последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора Т1 балластных конденсаторов С4-С9. Чем больше емкость конденсатора, тем больший будет ток заряда аккумулятора. Практически это законченный вариант зарядного устройства, можно подключить после диодного моста для зарядки аккумулятор и зарядить его, но надежность такой схемы зарядного устройства очень низкая. Если нарушится контакт с клеммами аккумулятора, то конденсаторы и трансформатор выйдут из строя.

Емкость конденсаторов, которая зависит от тока и величины напряжения на вторичной обмотке трансформатора, можно приблизительно определить по формуле, но легче ориентироваться по данным таблицы.

Для регулировки, чтобы сократить количество конденсаторов, их можно подключать параллельно группами. У меня переключение осуществляется с помощью двух галетного переключателя, но можно поставить несколько тумблеров.

Схема защиты от неправильного подключения полюсов аккумулятора и измерений

Защиту от не правильного подключения аккумулятора к выводам зарядного устройства обеспечивает реле Р3. Если аккумулятор подключен не правильно, диод VD13 не пропускает ток, реле обесточено, контакты реле К3.1 разомкнуты и ток не поступает на клеммы аккумулятора. При правильном подключении реле срабатывает, контакты К3.1 замыкаются, и аккумулятор подключается к схеме зарядки. Такую схему защиты от переполюсовки и измерения тока заряда аккумулятора и напряжения при подключении аккумулятора к зарядному устройству можно использовать с любым зарядным устройством, как транзисторным, так и тиристорным.

Благодаря наличию переключателя S3, при зарядке аккумулятора есть возможность контролировать не только величину тока зарядки, но и напряжение. При верхнем положении S3, измеряется ток заряда, при нижнем – напряжение. Если зарядное устройство не подключено к электросети, то вольтметр покажет напряжение аккумулятора, а когда идет зарядка аккумулятора, то напряжение зарядки. В качестве головки применен микроамперметр М24 с электромагнитной системой. R17 шунтирует головку в режиме измерения тока, а R18 служит делителем при измерении напряжения. На сайте есть отдельные статьи, посвященные вопросам измерения напряжения и силы тока.

Схема автоматики зарядного устройства автомобильного аккумулятора

Для питания операционного усилителя и создания опорного напряжения применена микросхема стабилизатора DA1 типа 142ЕН8Г на 9В. Микросхема это выбрана не случайно. При изменении температуры корпуса микросхемы на 10 градусов, выходное напряжение изменяется не более чем на сотые доли вольта.

Система автоматического отключения зарядки при достижении напряжения 15,6В выполнена на половинке микросхемы А1.1. Вывод 4 микросхемы подключен к делителю напряжения R7, R8 с которого на него подается опорное напряжение 4,5В. Вывод 4 микросхемы подключен к другому делителю на резисторах R4-R6, резистор R5 подстроечный для установки порога срабатывания автомата. Величиной резистора R9 задается порог включения зарядного устройства 12,54В. Благодаря применению диода VD7 и резистора R9, обеспечивается необходимый гистерезис между напряжением включения и отключения заряда аккумулятора.

Работает схема следующим образом. При подключении к зарядному устройству автомобильного аккумулятора, напряжение на клеммах которого меньше 16,5В, на выводе 2 микросхемы А1.1 устанавливается напряжение достаточное для открывания транзистора VT1, транзистор открывается и реле P1 срабатывает, подключая контактами К1.1 к электросети через блок конденсаторов первичную обмотку трансформатора и начинается зарядка аккумулятора. Как только напряжение заряда достигнет 16,5В, напряжение на выходе А1.1 уменьшится до величины, недостаточной для поддержания транзистора VT1 в открытом состоянии. Реле отключится и контакты К1.1 подключат трансформатор через конденсатор дежурного режима С4, при котором ток заряда будет равен 0,5А. В таком состоянии схема зарядного устройства будет находиться, пока напряжение на аккумуляторе не уменьшится до 12,54В. Как только напряжение установится равным 12,54В, опять включится реле и зарядка пойдет заданным током. Предусмотрена возможность, в случае необходимости, переключателем S2 отключить систему автоматического регулирования.

Таким образом, система автоматического слежения за зарядкой аккумулятора, исключит возможность перезаряда аккумулятора. Аккумулятор можно оставить подключенным к включенному зарядному устройству хоть на целый год. Такой режим актуален для автолюбителей, которые ездят только в летнее время. После окончания сезона автопробега можно подключить аккумулятор к зарядному устройству и выключить только весной. Даже если в электросети пропадет напряжение, при его появлении зарядное устройство продолжит заряжать аккумулятор в штатном режиме

Принцип работы схемы автоматического отключения зарядного устройства в случае превышения напряжения из-за отсутствия нагрузки, собранной на второй половинке операционного усилителя А1.2, такой же. Только порог полного отключения зарядного устройства от питающей сети выбран 19В. Если напряжение зарядки менее 19В, на выходе 8 микросхемы А1.2 напряжение достаточное, для удержания транзистора VT2 в открытом состоянии, при котором на реле P2 подано напряжение. Как только напряжение зарядки превысит 19В, транзистор закроется, реле отпустит контакты К2.1 и подача напряжения на зарядное устройство полностью прекратится. Как только будет подключен аккумулятор, он запитает схему автоматики, и зарядное устройство сразу вернется в рабочее состояние.

Конструкция автомобильного зарядного устройства

Все детали зарядного устройства размещены в корпусе миллиамперметра В3-38, из которого удалено все его содержимое, кроме стрелочного прибора. Монтаж элементов, кроме схемы автоматики зарядного устройства, выполнен навесным способом.

Конструкция корпуса миллиамперметра, представляет собой две прямоугольные рамки, соединенные четырьмя уголками. В уголках с равным шагом сделаны отверстия, к которым удобно крепить детали.

Силовой трансформатор ТН61-220 закреплен на четырех винтах М4 на алюминиевой пластине толщиной 2мм, пластина в свою очередь прикреплена винтами М3 к нижним уголкам корпуса. Силовой трансформатор ТН61-220 закреплен на четырех винтах М4 на алюминиевой пластине толщиной 2мм, пластина в свою очередь прикреплена винтами М3 к нижним уголкам корпуса. На этой пластине установлен и С1. На фото вид зарядного устройства снизу.

К верхним уголкам корпуса закреплена тоже пластина из стеклотекстолита толщиной 2мм, а к ней винтами конденсаторы С4-С9 и реле Р1 и Р2. К этим уголкам также прикручена печатная плата, на которой спаяна схема автоматического управления зарядкой аккумулятора. Реально количество конденсаторов не шесть, как по схеме, а 14, так как для получения конденсатора нужного номинала приходилось соединять их параллельно. Конденсаторы и реле подключены к остальной схеме зарядного устройства через разъем (на фото выше голубой), что облегчило доступ к другим элементам при монтаже.

На внешней стороне задней стенки установлен ребристый алюминиевый радиатор для охлаждения силовых диодов VD2-VD5. Тут так же установлен предохранитель Пр1 на 1А и вилка, (взята от блока питания компьютера) для подачи питающего напряжения.

Силовые диоды зарядного устройства закреплены с помощью двух прижимных планок к радиатору внутри корпуса. Для этого в задней стенке корпуса сделано прямоугольное отверстие. Такое техническое решение позволило к минимуму свести количество выделяемого тепла внутри корпуса и экономии места. Выводы диодов и подводящие провода распаяны на не закрепленную планку из фольгированного стеклотекстолита.

На фотографии вид зарядного устройства для аккумуляторов с правой стороны. Монтаж электрической схемы выполнен цветными проводами, переменного напряжения – коричневым, плюсовые – красным, минусовые – проводами синего цвета. Сечение проводов, идущих от вторичной обмотки трансформатора к клеммам для подключения аккумулятора должно быть не менее 1мм2.

Шунт амперметра представляет собой отрезок высокоомного провода константана длиной около сантиметра, концы которого запаяны в медные полоски. Длина провода шунта подбирается при калибровке амперметра. Провод я взял от шунта сгоревшего стрелочного тестера. Один конец из медных полосок припаян непосредственно к выходной клемме плюса, ко второй полоске припаян толстый проводник, идущий от контактов реле Р3. На стрелочный прибор от шунта идут желтый и красный провод.

Схема автоматического регулирования и защиты от неправильного подключения аккумулятора к зарядному устройству спаяна на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. На фотографии представлен внешний вид собранной схемы.

Рисунок печатной платы схемы автоматического регулирования и защиты простой, отверстия выполнены с шагом 2,5мм. Такую печатную плату можно изготовить в домашних условиях самостоятельно. На фотографии вид печатной платы со стороны установки деталей.

Шкала стрелочного прибора милливольтметра В3-38 не подходила под требуемые измерения, пришлось начертить на компьютере свой вариант, напечатал на плотной белой бумаге и клеем момент приклеил сверху на штатную шкалу. Благодаря большему размеру шкалы и калибровки прибора в зоне измерения, точность отсчета напряжения получилась 0,2В.

На провода для подключения автомобильного аккумулятора к зарядному устройству с одной стороны установлены зажимы типа крокодил, с другой стороны разрезные наконечники. Для подключения плюсового вывода аккумулятора выбран красный провод, для подключения минусового – синий. Сечение проводов для подключения к устройству аккумулятора должно быть не менее 1мм2.

К электрической сети зарядное устройство подключается с помощью универсального шнура с вилкой и розеткой, как применяется для подключения компьютеров, оргтехники и других электроприборов.

Детали автомобильного зарядного устройства

Силовой трансформатор Т1 применен типа ТН61-220, вторичные обмотки которого соединены последовательно, как показано на схеме. Так как КПД зарядного устройства не менее 0,8 и ток заряда обычно не превышает 6А, то подойдет любой трансформатор мощностью 150 ватт. Вторичная обмотка трансформатора должна обеспечить напряжение 18-20В при токе нагрузки до 8А. Если нет готового трансформатора, то можно взять любой подходящий по мощности и намотать новую вторичную обмотку. Рассчитать количество витков можно с помощью специального калькулятора для расчета трансформаторов. Скачать простой калькулятор для расчета параметров трансформаторов мощностью до 500 ватт Вы можете с моего сайта. Программа калькулятора состоит из одного файла 180 КБ и не требует установки, достаточно запустить исполняемый файл и калькулятор готов к расчету.

Конденсаторы С4-С9 типа МБГЧ на напряжение не менее 350В. Можно использовать конденсаторы любого типа, рассчитанные на работу в цепях переменного тока.

Диоды VD2-VD5 подойдут любого типа, рассчитанные на ток 10А. VD7, VD11 - любые импульсные кремневые. VD6, VD8, VD10, VD5, VD12 и VD13 любые, выдерживающие ток 1А. Светодиод VD1 – любой, VD9 я применил типа КИПД29. Отличительная особенность этого светодиода, что он меняет цвет свечения при смене полярности подключения. Для его переключения использованы контакты К1.2 реле Р1. Когда идет зарядка основным током светодиод светит желтым светом, а при переключении в режим подзарядки аккумулятора – зеленым. Вместо бинарного светодиода можно установить любых два одноцветных.

В качестве операционного усилителя выбран КР1005УД1, аналог зарубежного AN6551. Такие усилители применяли в блоке звука и видео в видеомагнитофоне ВМ-12. Усилитель хорош тем, что не требует двух полярного питания, цепей коррекции и сохраняет работоспособность при питающем напряжении от 5 до 12В. Заменить его можно практически любым аналогичным.

Реле Р1 и Р2 любые на напряжение 9-12В и контактами, рассчитанными на коммутируемый ток 1А. Р3 на напряжение 9-12В и ток коммутации 10А, например РП-21-003. Если в реле несколько контактных групп, то их желательно запаять параллельно.

Переключатель S1 любого типа, рассчитанный на работу при напряжении 250В и имеющий достаточное количество коммутирующих контактов. Если не нужен шаг регулирования тока в 1А, то можно поставить несколько тумблеров и устанавливать ток заряда, допустим, 5А и 8А. Если заряжать только автомобильные аккумуляторы, то такое решение вполне оправдано. Переключатель S2 служит для отключения системы контроля уровня зарядки. В случае заряда аккумулятора большим током, возможно срабатывание системы раньше, чем аккумулятор зарядится полностью. В таком случае можно систему отключить и продолжить зарядку в ручном режиме.

Электромагнитная головка для измерителя тока и напряжения подойдет любая, с током полного отклонения 100мкА, например типа М24. Если нет необходимости измерять напряжение, а только ток, то можно установить готовый амперметр, рассчитанный на максимальный постоянный ток измерения 10А, а напряжение контролировать внешним стрелочным тестером или мультиметром, подключив их к контактам аккумулятора.

Настройка блока автоматики автомобильного зарядного устройства

Правильно собранное устройство в настройке не нуждается, кроме установки переменным резистором R5 верхнего порога отключения зарядки. Но прежде чем собирать схему полностью, необходимо сделать и откалибровать шунт R17 для измерения величины тока и подобрать добавочный резистор R18 для измерения напряжения стрелочным индикатором и желательно подобрать номиналы конденсаторов С4-С9 практическим путем с конкретным трансформатором, подключив аккумулятор через амперметр к диодному мосту частично собранного зарядного устройства.

Для проверки порогов срабатывания реле, нужно не включая устройство заряда в сеть, подключить регулируемый блок питания с выходным клеммам зарядного устройства. Изменяя величину подаваемого напряжения по щелчкам реле проверить и отрегулировать уровни в случае необходимости.

Упрощенный вариант схемы автомобильного зарядного устройства

Если автоматическое прекращение зарядки аккумулятора не является актуальным или трудно собрать электронную защиту, предлагаю схему упрощенного варианта зарядного устройства аккумуляторов, обладающую всеми достоинствами выше предложенной. Из схемы удалена автоматика, электронная защита и измерительный прибор, а для защиты от случайного отключения от зарядного устройства аккумулятора, установлен дополнительный маломощный трансформатор, диодный мост и реле.

Принцип работы стабилизатора тока и системы защиты от неправильного подключения аккумулятора остался прежним. А схема защиты несколько изменилась. После подключения аккумулятора к зарядному устройству срабатывает реле Р2 и замыкаются его контакты К2, аккумулятор подключается к силовому диодному мосту VD3-VD6. Для того, что бы пошел заряд, нужно нажать на кнопку «Пуск», напряжение пойдет на трансформатор Т2, и на выходе моста VD7-VD10 на конденсаторе С7 появится напряжение постоянное около 30В, которое за вычетом напряжения аккумулятора запитает напряжением около 12В реле Р1. Реле сработает и замкнутся его контакты К1, закоротив кнопку S2 «Пуск». После отпускания кнопки схема зарядного устройства продолжит работу. Если случайно аккумулятор отключится от зарядного устройства, напряжение на выходе диодного моста VD3-VD6 резко возрастет, а на обмотке реле Р1, наоборот, уменьшится, реле отключится и его контакты К1 разомкнутся, отключив схему зарядного устройства от питающей сети. Недостатком релейной схемы защиты является прекращение заряда аккумулятора в случае пропадания напряжения питающей сети.

Трансформатор Т2 любой мощности с выходным переменным напряжением около 25В. В качестве реле хорошо подойдут автомобильные, рассчитанные на напряжение 12В.

Порядок зарядки автомобильного аккумулятора зарядным устройством

Перед зарядкой снятый с автомобиля аккумулятор необходимо очистить от грязи и протереть его поверхности, для удаления кислотных остатков, водным раствором соды. Если кислота на поверхности есть, то водный раствор соды пенится. Если аккумулятор имеет пробки для заливки кислоты, то все пробки нужно выкрутить, для того, что бы образующиеся при зарядке в аккумуляторе газы могли свободно выходить. Обязательно нужно проверить уровень электролита, и если он меньше требуемого, долить дистиллированной воды. Далее нужно переключателем S1 на зарядном устройстве выставить ток заряда и подключить аккумулятор к его клеммам. Если переключатель S3 находится в нижнем положении, то стрелка прибора на зарядном устройстве сразу покажет напряжение, которое выдает аккумулятор. Осталось вставить вилку сетевого шнура в розетку и процесс зарядки аккумулятора начнется. Вольтметр уже начнет показывать напряжение зарядки.

Согласно теории, заряжать аккумулятор можно током, не хватающей ему емкости до полной зарядки. То есть, если аккумулятор имеет емкость 50 ампер часов и заряжен на половину, то в первый момент заряда можно установить ток 25А и с каждой минутой его уменьшать, вплоть до нуля при полной зарядке. На таком принципе работают некоторые автоматические зарядные устройства, позволяющие всего за несколько часов полностью зарядить автомобильный аккумулятор. Но такие зарядные устройства очень дорогие. Да и необходимость в таком зарядном устройстве не возникнет, если зарядить аккумулятор заблаговременно.