Введение

Предметом радиоэлектронной техники является теория и практика применения электронных, ионных и полупроводниковых приборов в устройствах, системах и установках для различных областей народного хозяйства. Гибкость электронной аппаратуры, высокие быстродействия, точность и чувствительность открывают новые возможности во многих отраслях науки и техники.

К характерной особенности современной техники относится широкое внедрение методов и средств автоматики и телемеханики, вызванное переходом на автоматизированное управление. Непрерывно усложняются функции, выполняемые системами автоматизированного управления, а относительная значимость этих систем в процессе производства непрерывно возрастает.

В связи с широким развёртыванием работ по созданию крупных автоматизированных информационных систем, работающих с цифровыми вычислительными машинами, получивших название автоматизированные системы управления, значение систем телемеханики и потребность в них существенно возрастают.

Явные тенденции к постоянному совершенствованию зарядных устройств является основанием для выбора темы дипломного проекта.

Целью данной работы является разработка программного кода для автоматики многорежимного зарядного устройства.

В ходе дипломного проектирования были поставлены следующие задачи:

1. знакомство с предметной областью;

2. сбор и анализ литературы по предметной области;

3. построение блок–схемы приложения;

4. разработка программного кода, отладка и тестирование диагностической программы;

5. формулирование выводов по проделанной работе.

Общая часть

1.1 Многорежимные источники питания

Многорежимные источники питания относится к области энергетики, и могут находить применение в качестве блоков питания мониторов и других технических средств. Многорежимный источник питания, содержит автономный источник питания, стабилизатор, фильтр, полевые транзисторы с внутренними интегральными диодами, трансформатор, блок коммутации, шинный формирователь, датчики сетевого напряжения и температуры, микроконтроллер, блок приема входных сигналов и усилитель.

Данное изобретение относится к области энергетики, а более конкретно к области "малой" энергетики – автономным источникам питания, которые могут найти широкое применение в различных отраслях хозяйственной деятельности человека и многочисленных и разнообразных электроприборах бытовой техники, например, могут найти применение в качестве блоков питания мониторов, компьютеров, телевизоров, аудио, видеосистем, в качестве зарядно–разрядных устройств аккумуляторов транспортных средств, в блоках питания, в навигационных радио– и световых маяках, на метеостанциях, в сварочных агрегатах, для строителей в полевых условиях, жителей регионов с частым отключением сети. Так же для владельцев торговых точек без электричества, для спасателей и пожарников при работе в задымленных помещениях, в системах отопления в виде газовых котлов, для ветрогенераторных установок, в устройствах контроля и охраны территорий и систем защиты помещений, в устройствах микроклимата и в других объектах различных предназначений.

Широкий спектр возможного использования заявленного изобретения обусловлен эксплуатацией его в многочисленных режимах, удобством и простотой эксплуатации и высокой надежностью и стабильностью при использовании в приборах в жилых, производственных, медицинских помещениях.

Основной задачей источников питания является возможность регулировки выходных параметров энергии, питающей многочисленные аппараты, отличающейся стабильными параметрами тока и напряжения. Заявляемый источник питания может быть использован также в качестве источника вторичного электропитания, обеспечивающего заданное значение тока.

В источниках питания, которые рассматриваются в данном пункте обеспечивается работа в несколько режимов, надежная защита от бросков тока, высокая помехозащищенность, защита от включения неправильной полярностью автономного источника питания, от перегрева и перегрузок по току транзисторов, от короткого замыкания со стороны выхода и автономного источника питания, а также от перезаряда и полного разряда аккумулятора и малое потребление на холостом ходу. Кроме того, в этом изобретении для удобства эксплуатации может обеспечивается возможность подключения в качестве блока приема входного сигнала дистанционного пульта, связь с которым может быть выполнена как проводная, так и беспроводная.

Преимуществом изобретения также является низкая стоимость. Кроме того, его можно использовать как зарядное устройство для аккумуляторов и как восстановитель последних, а также как пускозарядное устройство для двигателей автомобилей.

Еще одним преимуществом данного источника питания за счет использования микроконтроллера является возможность коррекции и модификации программы и начальных данных, а также вывод информации для мониторинга работы устройства. Также в нем может быть обеспечена связь с компьютером (или другим устройством ввода информации – таким как, например, программатор) для ввода в память начальных данных.

Поставленная цель достигается тем, что в многорежимный источник питания, содержащий автономный источник питания, выполненный в виде аккумуляторной батареи, стабилизатор, фильтр, преобразователь напряжения, состоящий из двух полевых транзисторов с внутренними интегральными диодами, и трансформатор, введены блок коммутации, шинный формирователь, датчики сетевого напряжения и температуры, дополнительный полевой транзистор с внутренним интегральным диодом, микроконтроллер, блок приема входных сигналов и усилитель. При этом выход автономного источника питания соединен с первым входом микроконтроллера и через стабилизатор соединен с входом питания микроконтроллера. Второй и третий входы, которого подключены соответственно к выходам усилителя и датчика температуры, выходы микроконтроллера соединены с шинным формирователем, подключенным к управляющему входу блока коммутации и к затворам первого и второго полевых транзисторов преобразователя напряжения и к затвору дополнительного полевого транзистора. Сток первого полевого транзистора преобразователя напряжения соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, средний вывод которой подключен к выходу автономного источника питания, а второй вывод – к стоку второго полевого транзистора преобразователя напряжения, истоки первого и второго полевых транзисторов преобразователя напряжения соединены с истоком дополнительного полевого транзистора. Сток дополнительного транзистора соединен с шиной нулевого потенциала, исток и сток каждого полевого транзистора преобразователя напряжения соединены с анодом и катодом соответствующего внутреннего интегрального диода. Сток и исток дополнительного полевого транзистора соединен с первым и вторым входами усилителя, выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к входам фильтра, выходы которого подключены к первой группе информационных входов блока коммутации, выход которого является выходом источника питания. Вторая группа информационных входов соединена с выводами питающей сети и с входами датчика сетевого напряжения, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера. Пятый вход которого соединен с блоком приема входных сигналов, при этом микроконтроллер выполнен с возможностью функционирования в соответствии с занесенной в его память программой и предназначен в ответ на сигналы, полученные от усилителя, датчика температуры, блока приема входных сигналов, автономного источника питания и датчика сетевого напряжения формировать импульсы заданной скважности для управления транзисторами, а также выполнен с возможностью обработки и запоминания сигналов, полученных от блока приема входных сигналов, и предназначен для контроля – изменения параметров питающей сети и величины выходного напряжения и контроля заряженности автономного источника питания, контроля режима функционирования и температуры полевых транзисторов, кроме того, микроконтроллер предназначен для задания значений временных интервалов допустимых превышений граничных параметров питающей сети и выбора режима автономного или сетевого питания для управления переключением блока коммутации.

Схема многорежимного источника питания представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – «Многорежимный источник питания»

Многорежимный источник питания содержит автономный источник питания 1, выполненный в виде аккумуляторной батареи, стабилизатор 2, фильтр 4, блок коммутации 9, датчики сетевого напряжения 6 и температуры 5, преобразователь напряжения, состоящий из двух полевых транзисторов 13 и 14 с внутренними интегральными диодами, дополнительный полевой транзистор 15 с внутренним интегральным диодом, трансформатора 12, микроконтроллер 3, шинный формирователь 29, блок приема входных сигналов 11 и усилитель 10.

Микроконтроллер 3 управляет работой схемы источника питания в соответствии с программой, находящейся в его программной памяти. В результате микроконтроллер 3 сам имеет блочную структуру, которая показана на фиг. 1 и может выполнять функции измерения и сравнения сигналов посредством блоков измерения и сравнения 16–19 и на основании этих данных формировать последовательности импульсов различной скважности посредством формирователей импульсов 20–22 и другие сигналы управления всеми компонентами схемы через порт управления 23 и порт связи с внешними устройствами 24. При этом выход автономного источника 1 питания соединен с первым входом микроконтроллера 3 и через стабилизатор 2 соединен с входом питания микроконтроллера 3, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам усилителя 10 и датчика температуры 5. Выходы микроконтроллера 3 соединены с шинным формирователем 29, подключенным к управляющему входу блока коммутации 9, к затворам полевых транзисторов 13 и 14 преобразователя напряжения и к затвору дополнительного полевого транзистора 15. Сток полевого транзистора 13 преобразователя напряжения соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора 12, средний вывод которой подключен к выходу автономного источника питания 1, а второй вывод – к стоку полевого транзистора 14 преобразователя напряжения. Истоки полевых транзисторов 13 и 14 преобразователя напряжения соединены с истоком дополнительного полевого транзистора 15 и с первым входом усилителя 10, а сток дополнительного транзистора 15 соединен с шиной нулевого потенциала и вторым входом усилителя 10.

Исток и сток каждого полевого транзистора преобразователя напряжения соединены с анодом и катодом соответствующего внутреннего интегрального диода, выводы вторичной обмотки трансформатора 12 подключены к входам фильтра 4, выходы которого подключены к первой группе информационных входов блока коммутации 9, выход которого является выходом источника питания 8, а вторая группа информационных входов соединена с выводами питающей сети 7 и с входами датчика сетевого напряжения 6, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера 3, пятый вход которого соединен с блоком приема входных сигналов 11.

Шинный формирователь 29 предназначен для передачи последовательности импульсов заданной формы и определенной скважности, сформированных формирователями 20–22 микроконтроллера 3.

Управление выбором определенной шины в формирователе 29 и заданием значения передаваемых через шинный формирователь сигналов осуществляется микроконтроллером 3, обеспечивающим выдачу информации в определенные моменты времени в соответствии с выбранным режимом функционирования источника питания, при этом передача осуществляется только в одну сторону.

Использование шинного формирователя позволяет увеличить число подключаемых к контроллеру элементов, при этом сигналы дополнительных линий связи передаются с одновременным усилением, что обеспечивает передачу без ухудшения параметров передаваемых сигналов.

Микроконтроллер 3, содержит внутреннюю периферию, в состав которой входят многоканальный аналого–цифровой преобразователь, внутреннее опорное напряжение, таймер, ШИМ генератор и интерфейс управления, возможна также реализация на микроконтроллерах без внутренней периферии с соответствующими внешними компонентами. Фильтр 4 в простейшем виде состоит из сглаживающего конденсатора. Блок приема входных сигналов 11 может состоять из буфера для тумблера или схемы, например, на фотодиоде с усилителем для приема сигнала с пульта дистанционного управления.

Функционирование данного устройства при работе в различных режимах происходит следующим образом.

При получении блоком приема входных сигналов 11 извне управляющего воздействия, будь то тумблер управления, пульт дистанционного управления или сигнал с компьютера, устройство входит в один из режимов своего функционирования: преобразователь напряжения; зарядное устройство (а также подрежим, восстановление аккумуляторов); бесперебойный источник питания с соответствующим отображением режимов на устройствах индикации, будь то светодиоды, ЖКИ и т. д.

При функционировании данного источника питания в режиме преобразователя постоянного напряжения он обеспечивает преобразование постоянного напряжения автономного источника 1 питания 12–24 В и более в переменное напряжение 220 В с частотой 50–60 Гц. При этом при получении микроконтроллером 3 соответствующих сигналов от датчика сетевого напряжения 6, усилителя 10 или от автономного источника питания 1 микроконтроллер 3 с соответствующего выхода формирует импульсные последовательности с управляемой скважностью, поступающие через шинный формирователь 29 на затворы транзисторов 13 и 14 и посредством трансформатора 12, фильтра 4 и блока коммутации 9 обеспечивает на выходе 8 как синусоидальную (на малых нагрузках), так и прямоугольную (на больших нагрузках) форму сигнала, а также их компиляцию на средних нагрузках. Также при наличии дополнительной низковольтовой вторичной обмотки на трансформаторе 12 выход этой обмотки совместно с электродами можно использовать в качестве сварочного аппарата.

В этом режиме устройство работает следующим образом.

Применяется типовая схема однотактного преобразователя на полевых транзисторах 13 и 14 с внутренними интегральными диодами с трансформатора 12 (возможно использование другой типовой схемы двухтактного преобразователя странсформатором без среднего отвода на первичной обмотке с использованием четырех транзисторов с внутренними интегральными диодами).

Дополнительный транзистор 15 в этом режиме открыт микроконтроллером 3 через шинный формирователь 29 и образует собой небольшое сопротивление, в результате между стоком и истоком возникает напряжение, пропорциональное протекающему через этот транзистор току. После усиления на усилителе 10 оно подается на блок измерения и сравнения 17 микроконтроллера 3, в котором сравнивается с опорным напряжением внутри микроконтроллера, и значение разности поступает на формирователь импульсов 20 микроконтроллера 3.

В результате микроконтроллер 3 формирует импульсы, скважность которых зависит от значения разности опорного напряжения и выхода усилителя, и выдает их посредством шинного формирователя 29 на затворы транзисторов 13 и 14, которые коммутируют ток в первичной обмотке трансформатора 12, и на вторичной обмотке этого трансформатора с помощью выходного фильтра 4 образуется напряжение 220 В.

Аналогично микроконтроллер 3 посредством блока измерения и сравнения 16 определяет напряжение на автономном источнике питания 1, через блок измерения и сравнения 18 и датчика температуры 5 определяет температуру на транзисторах 13–15 и через блок измерения и сравнения 17 определяет ток, протекающий через транзистор 15, и, используя эти данные, корректирует скважность формирователя импульсов 20 так, чтобы поддерживать напряжение на выходе трансформатора 12–220 В по возможности синусоидальной формы (возможен вариант более точного поддержания выходного напряжения, используя дополнительный датчик сетевого напряжения, подсоединенного к выходам вторичной обмотки трансформатора).

Микроконтроллер при необходимости отключает преобразователь, если параметры вышли за пределы, будь то полный разряд автономного источника питания 1, предельно допустимый ток, протекающий через транзисторы 13–15, в случае короткого замыкания или недопустимой нагрузки на выходе 8, или превышение рабочей температуры транзисторов 13–15.

Также микроконтроллер 3 через порт управления 23 и шинного формирователя 29 коммутирует с помощью блока коммутации 9 сеть преобразователя на выход 8.

При функционировании заявляемого источника питания в режиме зарядного устройства он обеспечивает преобразование переменного напряжения входа питающей сети 7 (как правило, промышленной сети 220 В) через блок коммутации 9, фильтр 4, трансформатор 12 и внутренние интегральные диоды транзисторов 13 и 14 в постоянное напряжение 12–24 В и более формирующееся на выходах источника питания 1 для его подзарядки. При этом при получении микроконтроллером 3 соответствующих сигналов от датчика сетевого напряжения 6, усилителя 10 или от автономного источника питания микроконтроллер 3 с соответствующего выхода формирует импульсные последовательности с управляемой скважностью, поступающие на затворы транзисторов 13–14, обеспечивая оптимальную величину протекающего тока в автономный источник питания 1.

В этом режиме устройство работает следующим образом: режим заряда автономного источника питания 1 осуществляется при наличии напряжения в питающей сети 7, которое подается на вторичную обмотку трансформатора 12, и на его первичной обмотке получается переменное напряжение 12–24 В или более.

Транзисторы 13 и 14 в этом режиме закрыты микроконтроллером 3 посредством шинного формирователя 29. Но внутренние интегральные диоды этих транзисторов образуют двухполупериодный однофазный выпрямитель (в случае использования схемы двухтактного преобразователя на четырех транзисторах, их внутренние диоды образуют схему двухполупериодного мостового выпрямителя).

Для увеличения протекающего тока можно шунтировать диоды малым сопротивлением самого транзистора в момент, когда напряжение зарядки, образующееся на первичной обмотке трансформатора 12, превысит напряжение на автономном источнике питания 1. Для этого микроконтроллер 3 посредством своего блока измерения и сравнения 19 и датчика сетевого напряжения 6 следит за значением и полярностью питающей сети 7 и посредством своего формирователя импульсов 21 организует включение транзисторов 13–14 так, чтобы они работали по принципу диодного моста.

При положительной полуволне сети 7 и превышении напряжения на автономном источнике питания 1 микроконтроллер 3 выключает транзистор 13 и включает транзистор 14 (соответствующие протеканию тока в автономный источник питания 1), а при отрицательной полуволне сети 7 и превышении напряжения на автономном источнике питания 1 выключает транзистор 13 и включает транзистор 14, что опять–таки соответствует протеканию тока в автономный источник питания. При этом из–за практического отсутствия сопротивления транзисторов резко снижается выделение на них тепла и дает возможность протекать большим зарядным токам.

Также микроконтроллер 3 при помощи блока измерения и сравнения 18 измеряет протекающий ток в первичной цепи трансформатора 12 и выдает на транзистор 15 посредством формирователя импульсов 22 и шинный формирователь 29 последовательность импульсов определенной скважности, ограничивающую средний ток, протекающий на зарядку автономного источника питания 1.

При помощи блоков измерения и сравнения 16 и 17 микроконтроллер 3 контролирует напряжение на автономном источнике питания 1 и температуру на транзисторах 13–15 и выключает формирователь импульсов 21, если параметры вышли за допустимые пределы, будь то полный заряд автономного источника питания 1, предельный допустимый ток, вызванный коротким замыканием на автономном источнике питания 1, или превышение рабочей температуры транзисторов 13–15.

Также микроконтроллер 3 через порт управления 23, шинный формирователь 29 и блок коммутации 9 коммутирует сеть 7 на выход 8.

Через блок приема входных сигналов 11 можно дать микроконтроллеру 3 команду выполнять несколько попыток заряда с разными зарядовыми токами, обеспечивая подрежим восстановления аккумуляторов.

При функционировании данного источника питания в режиме бесперебойного источника питания, при условии отсутствия или нестабильных параметрах напряжения на входе сети 7, он обеспечивает преобразование постоянного напряжения автономного источника 1 питания 12–24 В и более в переменное напряжение 220 В с частотой 50–60 Гц в соответствии с режимом преобразователя напряжения и через блок коммутации 9 передает его на выход 8. Возможен вариант, когда к блоку коммутации 9 подключен дизель–бензиновый генератор, тогда при попадании напряжения на входе сети 7 сначала включается режим преобразователя напряжения и после исчерпания ресурса автономного источника 1 запускается дизель–бензиновый генератор, и его напряжение подключается к выходу 8.

При обнаружении микроконтроллером 3 через датчик сетевого напряжения 6 напряжения на входе сети 7 микроконтроллер 3 с помощью своего порта управления 23, шинного формирователя 29 и блока коммутации 9 переключает это напряжение на выход 8. При этом при получении микроконтроллером 3 посредством своего блока измерения и сравнения 16 условия неполной заряженности автономного источника питания 1 устройство включает режим зарядного устройства.

На транзисторе 15 также реализована защита от включения автономного источника питания 1 неправильной полярностью. Для этого он включен так, что внутренний интегральный диод оказывается включенным на встречу внутренним интегральным диодам транзисторов 13 и 14, т.е. стоком к шине нулевого потенциала. При всех закрытых транзисторах ток в цепи не проходит независимо от того, какой полярностью подключен автономный источник питания. В случае неправильной полярности схема не работает, транзисторы закрыты, и ток в первичной обмотке трансформатора не проходит.

2. Процесс заряда аккумуляторных батарей

У каждого из способов заряда аккумуляторных батарей есть свои положительные и отрицательные стороны:

1. зарядка аккумулятора  при постоянном токе – заряд батареи производится при постоянной величине зарядного тока.

Кислотные аккумуляторы особенно чувствительны к отклонению параметров зарядки от номинальных. Установлено, что зарядка чрезмерно большим током приводит к деформации пластин и даже к их разрушению. Зарядный ток, рекомендуемый в инструкции по эксплуатации аккумуляторной батареи, обеспечивает оптимальное протекание электрохимических процессов в аккумуляторе и нормальную его работу в течение длительного времени. Степень заряженности аккумулятора можно контролировать по значениям плотности электролита и напряжения (для кислотных аккумуляторов) и только напряжения (для щелочных аккумуляторов). Окончание зарядки кислотного аккумулятора характеризуется установлением напряжения на одном элементе аккумуляторной батареи, равного 2,5–2,6 В. Кислотные аккумуляторы чувствительны к недозарядкам и перезарядкам, поэтому следует своевременно заканчивать зарядку.

Щелочные аккумуляторные батареи менее критичны к режимам. Для них окончание зарядки характеризуется установлением на одном элементе постоянного напряжения 1,6–1,7 В.

В данном проекте будет рассматриваться зарядку кислотных аккумуляторов, так как они более распространены и больше критичны к режимам эксплуатации и зарядки. Для кислотных аккумуляторных батарей рекомендуется ток заряда равный 0,1Q (0,1 от номинальной ёмкости при 20–часовом режиме разряда). Это значит, что для батареи ёмкостью 55 А/ч ток заряда должен быть равен 5,5 А. Для поддержания постоянства тока в течение всего процесса заряда необходимо регулирующее устройство. Кроме того, надо периодически измерять плотность и температуру электролита, а также напряжение батареи, чтобы вовремя определить конец заряда. Если в течение 2 часов плотность электролита и напряжение батареи остаются постоянными, а при заряде заметно бурное газовыделение – батарея полностью заряжена.

Недостаток такого способа – необходимость постоянного (каждые 1,5–2 часа) контроля и регулирования зарядного тока, а также обильное газовыделение в конце заряда.

Для снижения газовыделения и повышения степени заряженности батареи целесообразно ступенчатое снижение силы тока по мере увеличения зарядного напряжения. Когда напряжение достигнет 14,4 В, зарядный ток уменьшают в два раза (2,75 ампера для батареи емкостью 55 А/ч) и при таком токе продолжают заряд до начала газовыделения. При заряде батарей последнего поколения, которые не имеют отверстий для доливки воды, целесообразно при увеличении зарядного напряжения до 15 В ещё раз уменьшить ток в два раза. Обычно новая, приведенная в рабочее состояние батарея заряжается от 3 до 8 ч. Чтобы не произошел взрыв выделяющихся в конце заряда газов, нельзя подносить к батарее открытое пламя или отключать зарядное устройство путем отсоединения проводовпод нагрузкой, не следует в это время пользоваться нагрузочной вилкой или пробником . Если температура электролита при заряде поднимется выше + 45 °С, заряд следует прекратить и дайть электролиту остыть до+30 °С.

Если в конце заряда плотность электролита окажется меньше или больше требуемой, надо отобрать резиновой грушей часть электролита и столько же долить в батарею в первом случае концентрированного электролита плотностью 1,40 г/см , а во втором – дистиллированной воды. Затем продолжить заряд в течение получаса и снова проверить плотность электролита. Иногда может потребоваться несколько корректировок, прежде чем плотность электролита станет нормальной. Однако в большинстве случаев данная процедура не требуется.

При заряде способом постоянства тока все делается не спеша, заряжается батарея довольно долго и должна постоянно находится под контролем. При заряде постоянным током в первую очередь насыщается поверхность электрода, и это мешает развитию процесса вглубь.

2. Контрольно–тренировочный цикл аккумуляторных батарей (КТЦ) заключается в следующем. Батарею полностью заряжают постоянным током, затем разряжают током 10–часового режима до напряжения 10,2 В и вновь дают полный заряд. Этот цикл позволяет оценить фактическую емкость и реальные возможности «пожилой» батареи, а серия циклов в некоторых случаях несколько улучшает электрические показатели, если батарея ещё годна для дальнейшего использования.

3. Зарядка аккумулятора при постоянном напряжении. При заряде этим методом степень заряженности АКБ по окончании заряда напрямую зависит от величины зарядного напряжения, которое обеспечивает зарядное устройство. Так, например, за 24 часа непрерывного заряда при напряжении 14,4 В 12–вольтовая батарея зарядится на 75–85 %, при напряжении 15 В – на 85–90 %, а при напряжении 16 В– на 95–97 %. Полностью зарядить батарею в течение 20–24 часов можно при напряжении зарядного устройства 16,3 –16,4 В. В первый момент включения, зарядный ток может достигать большой величины, в зависимости от внутреннего сопротивления (ёмкости) батареи. Поэтому зарядное устройство снабжают схемными решениями, ограничивающими максимальный ток заряда. По мере заряда напряжение на выводах аккумуляторной батареи постепенно приближается к напряжению зарядного устройства, а величина зарядного тока, соответственно, снижается и приближается к нулю в конце заряда (если величина зарядного напряжения выпрямителя ниже напряжения начала газовыделения). Это позволяет производить заряд без участия человека в полностью автоматическом режиме. Обычно критерием окончания заряда в подобных устройствах является достижение напряжения на выводах батареи при её заряде, равного 14,4 + 0,1 В. Однако, для удовлетворительного (на 90–95 %) заряда современных необслуживаемых батарей с помощью выпускаемых промышленностью зарядных устройств, имеющих максимальное зарядное напряжение 14,4 ч–14,5 В, потребуется более суток.

Этот способ очень удобен, так как регулировать зарядный ток и следить за состоянием батареи при заряде не нужно, газовыделения из батареи нет. Но зарядить батарею полностью этим способом нельзя. Поэтому, используя в основном способ заряда батареи при постоянстве напряжения, следует периодически сочетать его с полным зарядом при постоянстве силы тока.

Способы зарядки аккумуляторных батарей при постоянном токе и при постоянном напряжении равноценны с точки зрения их влияния на долговечность батареи. С точки же зрения глубины и полноты заряда первый способ лучше. Но этот способ требует большего времени и постоянного контроля за процессом заряда. Заряд аккумулятора при постоянстве напряжения хотя и не обеспечивает полного заряда батареи, позволяет поддерживать её в рабочем состоянии. Этим способом батарея заряжается и на автомобиле (13,9–14,4В).

4. Зарядка аккумулятора импульсным током. Под импульсным зарядом аккумулятора подразумевают применение тока, который изменяет свою величину или напряжение периодически, через определенные интервалы времени. По характеру этих показателей импульсный ток разделяют на две разновидности: пульсирующий и ассиметричный.

Зарядка пульсирующим током

Рисунок 2 – «Заряд пульсирующим током»

Пульсирующим током называют такой, у которого величина меняется в пределах от нуля до максимального значения, сохраняя неизменной свою полярность.

Зарядка ассиметричным током

Рисунок 3 – «Заряд ассиметричным током»

Асимметричный, или реверсивный, ток определяется наличием обратной амплитуды, иными словами, в каждом цикле он меняет свою полярность. Однако количество электричества, протекающего при прямой полярности, больше, чем при обратной, что и обеспечивает заряд аккумулятора.

Этот способ позволяет не только восстанавливать работоспособность засульфатированных аккумуляторных батарей, но и проводить профилактическую обработку исправных.

5. Зарядка аккумулятора по Вудбриджу (правило ампер–часов)

В 1953 году Вудбриджем был сформирован так называемый закон ампер–часа величина зарядного тока аккумулятора (в амперах) не должна превышать величины недостающего до полной ёмкости заряда (в ампер–часах).

2. Методы зарядки аккумуляторов

В зависимости от возможностей, задач и условий эксплуатации аккумуляторов применяются различные методы заряда аккумуляторов. 

a) Заряд постоянным током – этот метод реализуется с помощью стабилизированного источника тока. Величина  зарядного  тока  поддерживается постоянной во всей области полезного заряда.  Область полезного заряда занимает время до обильного газовыделения.

Величина (нормальная) зарядного тока устанавливается численно равной 0.1  емкости  аккумулятора,  выраженной в ампер–часах.  Как правило, это максимальный зарядный ток.

    Целесообразно заряжать током в 2 раза меньшим.  Это  увеличивает  сохранность аккумулятора, поскольку  реализуются менее интенсивные электрохимические процессы и механические напряжения в  активных  элементах аккумулятора.       При заряде контролируют ток,  напряжение, температуру и плотность электролита.          С целью  полного  использования  активной массы пластин заряд аккумулятора продолжают  1–2  часа  при  сильном   газовыделении, уменьшив ток  в  2–3  раза.  Эта область перезаряда необходима для полной уверенности, что аккумуляторная батарея полностью заряжена. Зарядный КПД батарей равен 0.85. 

Разумеется, не более 85% этого электричества запасено в батарее, а остальное израсходовано на тепло и газовыделение в процессе электролиза.       После прекращения  заряда и выключения тока напряжение на зажимах аккумулятора резко падает и затем снижается медленно по мере выравнивания плотности  элетролита в порах пластин и между пластинами. 

Недостатки этого метода заряда – сравнительно большое время заряда;  сложное зарядное устройство. 

Преимущества метода заряда постоянным током: – хорошо  контролируются все стадии процесса заряда аккумулятора; легко  реализуются  "щадащие" режимы зарядки малыми токами, продлевающие срок службы аккумулятора.       b) Ступенчатый заряд – метод применяется при ускоренном заряде аккумуляторных батарей. Поясним этот метод на примере трехступенчатого заряда.       На первой ступени заряда, когда нет обильного газовыделения, величина зарядного тока Jз1 устанавливается численно равной 0.15 емкости аккумулятора, выраженной в ампер–часах. Больше ток не следует устанавливать, поскольку чрезмерный зарядный ток вызывает разрыхление активной массы, азрушение и коробление пластин. Первая ступень заряда продолжается в течение времени tз, пока на каждом аккумуляторе батареи напряжение достигнет 2.4–2.5 В и начнется обильное газовыделение. После этого зарядный ток уменьшают в 2–3 раза и заряд продолжается, пока напряжение опять возрастет до 2.4–2.5 В.       Далее так Iз3 уменьшают до 1А и продолжают заряд до напряжения 2.7 В. Ступенчатый заряд отличается тем, что экономится время заряда аккумуляторной батареи.       с) Заряд током при постоянном напряжении.       Этот метод применяется при наличии источника тока со стабилизированным напряжением. Такими источниками тока являются, в частности, генераторы постоянного тока на автомобилях, напряжение которых поддерживается автоматически с помощью реле–регулятора. Напряжение бортовой сети при этом  должно быть 2.4 В на аккумулятор (или 14.4 В на батарею 6СТ). В начале заряда ток имеет наибольшее значение вследствие значительной разности между напряжением источника и ЭДС батареи. При этом чем больше мощность зарядного источника тока и чем сильнее разряжена батарея, тем больше зарядный ток. По  мере заряда ЭДС батареи возрастает и величина зарядного тока падает до нуля. 

Преимущества этого метода – короткое время заряда; автоматически уменьшается ток заряда по мере роста степени заряженности батареи. 

Недостатки метода – требуется точная установка напряжения источника зарядного тока во избежание систематического недозаряда или перезаряда; иногда требуются ограничители тока на начальном этапе заряда; нельзя исправлять сульфатированные пластины. 

d) Заряд реверсивным током. 

Улучшение эксплуатационных характеристик аккумуляторов осуществляется, в основном, путем совершенствования их конструкции, а также структуры и состава применяемых активных масс. 

Улучшаются эксплуатационные характеристики аккумуляторов и при их заряде реверсивным током, т.е. переменным током с различными амплитудами и длительностями импульсов обоих направлений за каждый период их следования. При этом в каждом периоде аккумулятор заряжается и частично разряжается.       При определенном соотношении амплитуд и длительности импульсов прямого и обратного тока снижается газовыделение и температура электролита.       В соответствии с теорией и практикой электролиза заряд аккумулятора реверсивным током дает возможность управлять восстановительными реакциями и структурными изменениями активного материала пластин, получая, в зависимости от соотношения и абсолюных значений анодного и катодного периодов, кристаллы различных размеров и форм. Это позволяет увеличить суммарную пористость и площадь действующей поверхности пластин, т.е. увеличить поверхность соприкосновения электролита с активным материалом электрода, облегчить условия диффузии и выравнивания концентрации электролита в приэлектродном слое.       Увеличение пористости способствует повышению величины максимального тока заряда (и разряда). 

При заряде аккумуляторных батарей реверсивным током за счет улучшения условий перемешивания электролита в приэлектродном слое положительного электрода создается более кислая среда, благоприятствующая получению тетрагональной формы (модификации) диоксида свинца. При катодном периоде (разрядном периоде реверсивного тока) из этой модификации получается более рыхлый сульфат свинца, который в анодный период (зарядный период реверсивного тока) дает большее количество PbO2. За счет превращения сульфата свинца в диоксид свинца и металлический свинец в анодный период просиходит разработка пор активного материала и улучшение условий доступа электролита к глубинным слоям активного материала. 

В анодном периоде на положительном электроде аккумулятора адсорбируется атомарный кислород, количество которого во времени увеличивается, что затрудняет доступ электролита к глубинным слоям активного материала. В катодый период происходит очищение поверхности пластин  от кислорода. Электролит получает возможность глубже проникать в поры, что дает возможность большему количеству PbSO4 вступить в реакцию и превратиться в PbO2 с увеличением емкости аккумулятора. 

При заряде реверсивным током в конце разряда выделяется меньше тепла и интенсивность газовыделения начинается позже, создаются условия регулирования восстановительных реакций, уменьшаются скорости роста кристаллов сульфата свинца. 

Порядок зарядки реверсивным током аналогичен заряду постоянным током. 

Недостатки метода – сложный источник калиброванного реверсивного тока. 

Преимущества – отпадает необходимость в периодических контрольно–тренировочных циклах батареи; почти полностью исключается необратимая сульфатация пластин, как одна из причин старения и выхода из строя аккумулятора;  при необходимость ускоренного заряда можно увеличивть зарядный ток в 2–3 раза выше нормального без повреждения аккумулятора; при заряде малым реверсивным током (1–2 А) эффективно идет процесс десульфатации пластин и восстановления емкости аккумуляторной батареи, даже сильно засульфатированной. Пожтому такой режим зарядки аккумулятора иногда называют "десульфатацией".      e) Непрерывный подзаряд. 

В любительской практике применяется, в основном, при хранении аккумуляторов.       Устанавливается ток заряда примерно равный току саморазряда аккумулятора из расчета, что батарея теряет около 1% емкости в сутки. Целесообразно при этом использовать реверсивный ток во избежание сульфатации пластин.       f) Импульсный заряд. 

По своей сущности эквивалентен ступенчатому заряду. Применяется только на заведомо исправных аккумуляторах при ускоренном заряде. На первой ступени заряда ток устанавливается равным нескольким десяткам ампер. Контролируются температура электролита, не допуская чрезмерного перегрева (не более 45 С) и газовыделение.