1. Обзор аналогов зарядного устройства

Назначение ЗУ в том, чтобы восполнять электроэнергию аккумуляторной батареи при ее многократном использовании.

Благодаря ЗУ мы можем согласовать по уровню входное напряжение с необходимым для аккумуляторной батареи зарядным напряжением и обеспечить необходимую величину зарядного тока

Схемотехника практической реализации ЗУ довольно разнообразна: от простейших — неуправляемый выпрямитель с согласующим трансформатором на входе, до схем с поэлементным контролем и зарядом аккумуляторной батареи(АБ). Приимущество первого способа в простоте реализации. Основной недостаток — отсутствие контроля за состоянием АБ.

Для повышения долговечности аккумуляторных батарей при высокой надежности их в эксплуатации ЗУ должно иметь возможность работать в двух режимах: режиме заряда со стабилизацией зарядного тока и режиме подзаряда при стабилизации напряжения на АБ. Второй режим используется для компенсации потерь емкости за счет саморазряда АБ. Такие ЗУ позволяют реализовать многоступенчатый (несколько уровней стабилизации тока), а, кроме того, и форсированный заряд аккумулятора.

Различают несколько способов заряда аккумуляторных батарей:

-Заряд стабилизированным током. Он сопровождается постепенным повышением напряжения. В результате на определенной стадии заряда на электродах начинают протекать побочные реакции. При этом эффективность заряда падает.

Преимущество метода состоит в простоте технического обеспечения и легкости контроля зарядной емкости по величине напряжения.

Недостатки метода это невысокая эффективность использования электроэнергии, опасность перегрева электролита, а также пониженная разрядная емкость.

-Заряд при постоянном напряжении. Позволяет эффективно использовать процесс заряда на начальном этапе, поскольку зарядный ток сначала велик. К концу заряда ток многократно снижается.

Преимуществом метода является автоматическое уменьшение тока заряда.

Недостатком является продолжительный заряд по сравнению с методом при постоянном токе.

Для исключения недостатков был предложен ряд комбинированных режимов заряда:

1. Ступенчатый заряд – способ заряда сначала ведут при постоянном напряжении, до момента сообщения половины емкости, затем при постоянном токе. Ступенчатый способ заряда позволяет объединить преимущества при заряде, когда постоянное напряжение и способ при постоянном токе. Способ ступенчатого заряда обеспечивает достаточную полноту заряда за короткий промежуток времени.

2. Импульсный заряд – заряд повышенным током с одновременным или чередующимся наложением импульсного тока.

Схемотехнически зарядные устройства выполняют либо на базе непосредственных преобразователей постоянного напряжения, либо на базе преобразовательных ячеек с промежуточным звеном переменного тока с высокочастотным трансформатором.

Правильный заряд аккумуляторной батареи [5] является одним из наиболее важных условий, позволяющих обеспечить длительный срок их службы. Важно правильно спроектировать зарядное устройство, чтобы обеспечить оптимальный режим заряда батареи для восстановления номинальной емкости, определяющей количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор. Заряд аккумуляторной батареи, как правило, осуществляется в две ступени. На первой ступени рекомендуется заряжать аккумулятор неизменным по значению током I_зар ≤ 0,25С. При этом аккумулятор получает основную часть энергии, в пределах 95 %. Зарядка аккумулятора на второй ступени происходит при стабильном напряжении. Этот режим обычно называют режимом подзаряда и используют для компенсации уменьшения емкости аккумулятора, вызванного токами саморазряда.

На рис. 1.1 приведена функциональная схема зарядного устройства, силовая цепь которого выполнена на базе непосредственного преобразователя постоянного напряжения НПН понижающего типа. Регулирование выходного напряжения в нем осуществляется за счет изменения относительной длительности открытого состояния силового транзистора при использовании широтно-импульсного регулирования.

Рисунок 1.1. – Зарядное устройство

2. Разработка структурной схемы

Структурная схема отображает общие принципы работы схемы.

Здесь изображены все части изделия , каждая из которых выполняет свою функцию. Так же из структурной схемы мы можем увидеть как эти функциональные части между собой взаимодействуют. источника питания будет иметь следующий вид:

Рисунок 2.1 - Структурная схема

Напряжение на входе выпрямляется при помощи входного выпрямителя, затем сглаживается фильтром. После этого напряжение преобразуется ключевым преобразователем (полумостовым инвертором) в высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемого значения импульсным трансформатором.

Трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку выходной цепи источника питания от входной питающей сети. Поскольку источник питания имеет два канала выходного напряжения, то импульсный трансформатор имеет две вторичные обмотки, обеспечивающие подключение двух выпрямителей. Выпрямленное напряжение сглаживается выходным фильтром.

Краткое описание работы каждой функциональной части:

1. Сетевой выпрямитель и входной фильтр выполняют функцию выпрямления напряжения сети и сглаживание низкочастотных пульсаций.

2. Регулируемый инвертор составляет основу схемы. Задача регулируемого инвертора заключается в преобразовании постоянного напряжения в переменное с одновременным регулированием его значения. Управлением ключами осуществляется в противофазе.

Таким образом, с каждым переключением ключей меняется полярность прикладываемого к первичной обмотке трансформатора TV1 напряжения, которое трансформируется во вторичную обмотку.

3. Трансформатор (TV1) обеспечивает преобразование переменного напряжения и гальваническую развязку нагрузки от питающей сети и служит для согласования уровней входного и выходного напряжений..

4. Выходной выпрямитель и выходной фильтр выполняют функцию выпрямления полученного переменного напряжения и обеспечивают коэффициент пульсаций выходного напряжения не более 2%.

5. Схема управления силового инвертора формирует сигналы управления силовыми ключами по заданному алгоритму и обеспечивает тем самым возможность регулирования выходного напряжения в требуемом диапазоне.

Схема управления силового инвертора может быть реализована:

-в аналоговом виде с использованием дискретных полупроводниковых элементов;

-в цифровом виде;

-в комбинированном виде – с использованием аналоговых и цифровых микросхем;

-на базе микропроцессоров.

Сигнал с выхода устройства поступает на вход системы управления, обеспечивая отрицательную обратную связь замкнутой системы по току.

При отклонении выходного напряжения от номинального схема управления изменяет длительность открытого состояния силовых ключей таким образом, чтобы отклонение выходного напряжения не привышало допустимого значения. Таким образом, обеспечивается стабилизация выходного напряжения с заданной точностью.

6. Датчик напряжения –контролирует напряжение

7. Датчик тока –отслеживает значение тока