Технология струйного заряда аккумулятора

Технология струйного заряда аккумулятора

Свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в источниках бесперебойного питания устройств хранения информации при эксплуатации подвержены быстрому износу и преждевременному выходу из строя. Причиной является кристаллизация пластин, межэлектродные замыкания дендроидными отложениями на поверхности пластин, сульфатация.

Ёмкость и срок службы аккумуляторных батарей зависит от режима работы зарядного устройства, метода зарядки.

Прежде чем рассматривать желаемый режим заряда аккумулятора, следует проследить процесс разряда аккумулятора и причины его преждевременного выхода из строя.

Как правило разряд аккумулятора в системах бесперебойного питания в процессе эксплуатации происходит очень редко и на время в несколько минут, достаточного для вывода системы хранения данных из режима работы, для устранения сбоя. В винчестерах компьютеров за это время считывающая головка возвратится в исходное состояние, в ином случае могут быть испорчены загрузочные сектора и рабочая информация. В последующем потерянную информацию возможно частично восстановить, а полное использование жёсткого диска будет невозможным.

Отсутствие разрядной характеристики в работе аккумулятора приводит к его преждевременному выходу из строя.

Аккумуляторы в бесперебойных системах диагностируются внутренней схемой на соответствие напряжения на аккумуляторе заданным параметрам, при наличии сетевого напряжения устройство бесперебойного питания автоматически переводит питание нагрузки от сети. При потере питания сети устройство должно перейти в режим преобразования энергии аккумулятора в напряжение близкое по параметрам сетевому питанию.

Внешняя диагностика аккумулятора бесперебойного питания после эксплуатации подтверждает наличие высокого внутреннего сопротивления – ввиду высокой кристаллизации, высокий саморазряд при внутреннем замыкании пластин, вызванный сульфатацией. Высокое напряжение на электродах диагностируется внутренней схемой как полный заряд и аккумулятор далее не заряжается. Повышение напряжения заряда приводит к увеличению выделения тепла. Снижение ёмкости аккумулятора вызвано нерабочей сульфатацией поверхности пластин, ток нагрузки не в состоянии выйти из внутренних слоёв пористой структуры пластин аккумулятора и напряжение на выходе при нагрузке недопустимо падает, приводя к сбою в работе источника бесперебойного питания.

Небольшой расход энергии на выводе систем хранения информации из рабочего состояния не требует установки мощных автомобильных аккумуляторов, а для восполнения использованной энергии аккумулятора, мощных зарядных устройств.

Для зарядки аккумулятора и поддержания его в рабочем состоянии следует применить зарядное устройство с использованием двух методов зарядки : быстрого заряда и струйного (компенсационного) заряда.

Метод медленного заряда применяемый при зарядке аккумуляторов сотовых телефонов в данной ситуации неприемлем, как и на сотовых телефонах он приводит к кристаллизации пластин и выходу аккумулятора в неожиданный момент.

Батарея аккумулятора при этом методе не заряжается до конца или перегревается, с тепловым разрушением пластин. Системы хранения данных эксплуатируются более суток и аккумуляторы в устройствах поддержания напряжения должны находится в режиме дежурного подзаряда также продолжительное время.

Одной из причин выхода из строя аккумулятора является заряд постоянным током при отсутствии небольшого разрядного тока и отсутствия цикличности в режиме заряда. При разрядном токе ионы свинца успевают восстановиться до аморфного состояния с осаждением на поверхность пластин. В перерывах импульсов зарядного тока снижается температура аккумулятора.

Заряд аккумуляторов закрытого типа с гелиевым наполнителем должен отвечать следующим параметрам : ограничение напряжения заряда с целью снятия перезаряда и нагрева, автоматическое ограничение зарядного тока в начальный период быстрого заряда – это защитит регулятор тока от перегрузки и перегрева, а элементы аккумулятора от недопустимой величины зарядного тока, реализация струйного подзаряда импульсным током коротким по времени и амплитудой не ниже рекомендуемого изготовителем тока заряда. Среднее значение зарядного тока не превышает 0,05 С, где С – ёмкость аккумулятора.

Использование цикличности тока для регенерации пластин позволит поддерживать аккумулятор в рабочем состоянии сколько угодно долго. За короткое время снижается в десятки раз внутреннее сопротивление аккумулятора, восстанавливается ёмкость и рабочее напряжение.

 Режим быстрого заряда характеризуется следующими параметрами:

Время заряда 1-2 часа, это достаточно для восстановления ёмкости аккумулятора, после аварийного включения бесперебойного питания, ток заряда 0,2-0,3 С, степень заряда батареи 100%.Полного отключения заряда не происходит – он переходит при достижении напряжения конца заряда в буферный режим струйного подзаряда. Конечное напряжение аккумулятора указано в паспорте или на корпусе, к примеру для аккумулятора Champion 12 Вольт 7 А/ч, установленный в устройство бесперебойного питания типа «АРС», составляет 13,3 -13,8 В при 20 градусах температуры корпуса. Характеристика зарядного тока крутопадающая – с повышением напряжения на аккумуляторе ток заряда падает приближаясь к минимальному значению в 0,03 -0,05 С – режиму струйного подзаряда. При отсутствии отключений электросети аккумулятор в заряженном состоянии может находиться сколько угодно долгое время в режиме ожидания. При технологии струйной подзарядки компенсируется расход ёмкости аккумулятора на поддержание работы схемы в дежурном режиме и саморазряд. Стабилизация напряжения заряда отрицательной обратной связью с аккумулятора на генератор импульсов зарядного тока позволяет поддерживать режим заряда в автоматическом режиме.

 Характеристики зарядного устройства:

Напряжение сети 220 Вольт.

Максимальный ток заряда 650 мА.

Напряжение заряда 13,8 Вольт.

Аккумулятор 12 Вольт 1- 7а/ч.

Ток быстрого заряда 350-450 мА.

Ток струйного подзаряда 30- 40 мА.

Разрядный ток 22 мА.

Время заряда 1-2 часа.

Время подзаряда непрерывно.

Время аварийного режима 10-30 минут.

Мощность нагрузки 50 ватт.

В схему источника бесперебойного питания входит импульсное зарядное устройство, в котором постоянный зарядный ток преобразуется с помощью генератора на таймере в последовательность импульсов, а паузы между импульсами положительной полярности заполнены постоянным разрядным током отрицательной полярности. Аккумулятор нагружен разрядным током и во время зарядки, который используется для индикации подключения аккумулятора в схему.

Преобразователь тока выполнен на ключах полевых транзисторах с управлением от генератора сетевой частоты. При отсутствии сетевого напряжения выработанное преобразователем напряжение сетевой частоты и уровня поступает через реле на нагрузку, при наличии сетевого напряжения оно через контакты включенного в сеть реле поступает на нагрузку без преобразований.

В устройстве имеется световая индикация включения, полярности подключения аккумулятора, индикатор высокого напряжения и зарядки. Звуковой датчик указывает на отсутствие сетевого напряжения и предупреждает о принятии мер по выводу системы хранения информации из рабочего режима за короткое время по программе.

Аналоговый таймер DA1 (Рис.1) вырабатывает импульсы стабильной частоты в режиме автогенератора. Процесс заряд – разряда времязадающего конденсатора С1 будет проходить циклически, время заряда зависит от значения резистора R2 – Т1 =0.69 С1R2, время разряда более продолжительно T2 = 0.69C1 (R3+R4).

Полный период импульса равен Т=Т1+Т2. Частота автогенератора зависит от значения элементов R2,R3,R4, C1 – F=1/T. Скважность зависит от рабочего периода импульса D=T1/T. При снижении времени разряда уменьшением значения резистора R2 скважность увеличивается.

Диод VD1 формирует короткий импульс зарядного тока.

Резистор R3 позволяет установить ток заряда в соответствии с паспортными данными аккумулятора.

Питание таймера выполнено от аналогового стабилизатора DA2, диод VD2 позволяет защитить таймер и стабилизатор от неправильной полярности аккумулятора.

Напряжение таймера выбрано исходя из напряжения питания микросхемы DD1 –генератора преобразователя напряжения батареи питания.

Конденсаторы С2,С3,С4,С5 снижают уровень помех по цепям питания.

После подачи питания на таймер DA1 и внешние цепи конденсатор С1 начнёт заряжаться по экспоненте до напряжения 2/3 Un за время Т1, после чего внутренний компаратор таймера по входу 6 DA1 переключит внутренний триггер в противоположное состояние, откроется внутренний разрядный транзистор по выводу 7 DA1, конденсатор С1 начнёт разряжаться до уровня 1/3 Un за время Т2.

Зарядка аккумулятора произойдёт по такому же сценарию.

Вывод 5 в микросхеме таймера DA1 позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы, в данном случае, для установки выходного напряжения заряда на аккумуляторе GB1. В качестве ключевого переключателя тока в схему введён полевой транзистор N – типа, импульсы с выхода 3 таймера через резистор R5 поступают на затвор транзистораVT1, транзистор открывается и ток заряда с выпрямителя питания VD3 через ограничительный резистор R10 и предохранитель FU1 поступает на аккумулятор GB1. Индикатор HL3 указывает короткими световыми импульсами о процессе заряда аккумулятора, отсутствие свечения предупреждает об обрыве в цепи заряда аккумулятора или неисправном транзисторе VT1.

Наличие питания таймера DA1 индицируется светодиодом HL1 жёлтого свечения.

Светодиод HL2 в параллельном соединении с аккумулятором выполняет три обязанности, индицирует зелёным свечением правильную полярность подключения аккумулятора GB1 и является цепью разряда аккумулятора с током до 20 мА. При красном свечении светодиод указывает на аварийное состояние или неправильной полярности подключения аккумулятора в схему.

Напряжение отрицательной обратной связи с положительной шины аккумулятора через ограничительный резистор R7 и установочный резистор R8 подаётся на управляющий электрод регулируемого параллельного стабилизатора напряжения DA3 – интегральный аналог стабилитрона, способного формировать регулируемое образцовое

напряжение на выводе 5 таймера DA1.При повышении напряжения на аккумуляторе управляемый стабилитрон открывается и изменяется напряжение стабилизации.

Снижение напряжения на катоде (вывод 3 DA3 ) приводит к снижению напряжения в точке 5 DA1 прямого доступа делителя с уровнем 2/3 Un, что приведёт к повышению частоты генератора на таймере DA1 и снижению напряжения и зарядного тока аккумулятора GB1.

Пропадание сетевого напряжения вызывает отключение реле К1 с переключением контактов К1.1 и К1.2. Первые разрешают работу генератора на микросхеме DD1 подавая на вход R (вывод 5 DD1) низкого уровня, после запуска генератора на выходах T1 и Т2 сформируются прямоугольные импульсы частотой 50 Герц. Импульсы сдвинуты по фазе на четверть периода. Для преобразования импульсов прямоугольной формы в близкие к форме синусоиды на выходе трансформатора Т2 установлен конденсатор С7. Газоразрядный индикатор HL3 указывает на наличие высокого напряжения.

Применение полевых транзисторов не требует установки мощных радиаторов.

Большая часть радиодеталей схемы установлены на печатной плате, остальные закреплены в корпусе, использованном от блока питания компьютера. Бюджетный вентилятор В1 используется по прямому назначению.

Радиодетали схемы соответствуют таблице1.

Обозначение Тип

Номинал

Замена

Примечание

R3,R8,R14

СП3-41

 

СП-5

 

R 10

С5-36

2-5 Ом

С5-16

проволочный

Остальные резисторы

С2-29

0,125ватт

МЛТ-0,125

 

Микросхема DA1

N555

 

КР1006ВИ1

 

DA3

КР142ЕН19

 

TL 431

 

VT1-VT3

IRLR2505

 

IRF3701,IRF3808.

 

T1

ТП112 -12В

16В0,45А

ТП 114-7 16В 1А

 

Т2

ТН-36 -220

50 ватт

ТТП-40,ТН-6О

 

К1- реле

РП-21-003УХЛ

220В 50Гц

 

 

Наладку схемы устройства следует начать с проверки источника питания +16 вольт и напряжения на выходе аналогового стабилизатора DA2. В отсутствии аккумулятора GB1 в схеме светодиод индикации тока заряда HL3 не горит, HL2 мигает с частотой генератора на таймере DA1, при подключении аккумулятора будет мигать светодиод заряда и гореть зелёным свечением индикатор полярности, при правильной полярности подключения аккумулятора, при неверной полярности светодиод загорит

красным свечением. Для установки зарядного тока в разрыв цепи аккумулятора подключить амперметр на ток до одного ампера, резистором R3 установить ток заряда в пределах 0,2С, а резистором R8 напряжение на аккумуляторе 13,3 вольта. После 1-2 часов заряда напряжение на аккумуляторе возрастёт до 13,8 вольта и ток упадёт до 0,1С, далее в режиме струйного подзаряда ток снизится до 0,03С.

Звуковой капсюль НА1 имеет внутренний генератор низкой частоты.

Отключив сетевое напряжение устанавливают резистором R14 частоту 50 Гц на конденсаторе С7.

На полевые транзисторы VT1-VT3 установить небольшие радиаторы размерами 10*50*10 мм.

Светодиоды индикации установить на корпусе со стороны противоположной вентилятору В1.

Литература:

1) В.Коновалов «Измерение R-вн АБ»  «Радиомир» №8 2004 г стр.14

2) В.Коновалов, А.Разгильдеев.»Восстановление аккумуляторов» «Радиомир» №3 2005г. стр.7

3) В.Коновалов «Эффект памяти снимает вольтдобавка». «Радиомир» №10 2005 г. стр.13.

4) В.Коновалов «Зарядно- восстановительное устройство для Ni-Ca аккумуляторов» «Радио» №3 2006 г. стр.53.

5) Д.А.Хрусталёв «Аккумуляторы» Москва 2003г.

6) И.П.Шелестов «Радиолюбителям полезные схемы» книга 5.Москва 2003 г.

7) В.Коновалов «Ключевое зарядное устройство» «Радиомир» №9.2007г. стр13.

8) Микросхема КР142ЕН19. «Радио» №4.1994г.

9) Импульсное зарядное устройство «Радио» № 8.1995г. стр.61

10) Обслуживание «необслуживаемых» аккумуляторов, «Радиомир» №11.2001 г. стр.13.

11) М.Озолин «Простой источник бесперебойного питания».«Радио» №8.2005 г. стр.32.

12) С.Бирюков «Первичные кварцевые часы».«Радио» №6 2000г. стр34.

13) В.Коновалов «Регенератор аккумуляторных батарей».«Радиомир» №6.2008г стр.14.

14) В.Коновалов «Импульсная диагностика аккумуляторов».«Радиомир» №8 2008г. стр.15.

Скачать печатную плату в формате LAY

Автор: Коновалов Владимир, Творческая лаборатория «Автоматика и связь» ИРК ПО


Категория: Источники питания
Метки:

Написать коментарий

*
= 5 + 9

Добавить изображение

Последние статьи