Зарядное устройство для автомобильного аккумулятора на Attiny25. Схема и описание

Многие люди до сих пор заряжают 12 В кислотные аккумуляторы, в частности автомобильные аккумуляторы, с помощью несложных выпрямителей, которые содержат только трансформатор и диоды. Преимущество — простота, но при этом параметры зарядки далеки от оптимальных значений.

Старое проверенное правило гласит, что типичный автомобильный аккумулятор должен заряжаться током равным 1/10 его емкости. Зарядка с более низким током увеличит время зарядки, но не окажет отрицательного влияния на аккумулятор.

Неудобно и опасно заряжать током большим чем 1/10 емкости. Прежде всего, в этом случае трудно распознать момент окончания зарядки и легко перезарядить автомобильный аккумулятор. Кроме того, аккумулятор может нагреваться, а в худшем случае может быть поврежден. Аккумулятор после такой зарядки теряет емкость или вообще может выйти из строя, поэтому следует тщательно выбирать зарядное устройство.

Второе проверенное правило говорит о необходимости прекращения зарядки, когда напряжение на аккумуляторе достигнет 14,4 В. К сожалению, это значение трудно измерить во время процесса зарядки, поскольку подключенный выпрямитель вызывает повышение напряжения и пульсацию.

Для получения надежного измерения потребуется отключить выпрямитель. Вышеуказанные проблемы относятся к каждому классическому выпрямителю, конструкция которого основана только на трансформаторе и мостовом выпрямителе.

Данная схема представляет собой зарядное устройство для автомобильного аккумулятора, которое может улучшить такой выпрямитель и устранить эти основные недостатки.

Основные параметры зарядного устройства:

• регулировка тока зарядки до 10 А
• автоматическое завершение процесса зарядки
• индикация состояния зарядки с помощью светодиода
• защита от короткого замыкания и обратной полярности
• может работать как адаптер к выпрямителю
• источник питания — трансформатор 100 … 200 Вт 16. ..20 В
• подходит для зарядки аккумуляторов емкостью до 100 Ач

Работа зарядного устройства

Основной функцией, которую выполняет схема, является регулирование зарядного тока. Регулировка выполняется методом, аналогичным фазовому регулированию, применяемому при управлении тиристором или симистором, но слегка измененным — инвертированным.

В нашей схеме исполнительным элементом является мощный MOSFET-транзистор. Это решение обеспечивает гораздо меньшие потери мощности и более простое и гибкое управление, чем в случае симистора.

Двухполупериодный выпрямленный сигнал поступает к исполнительному транзистору. Транзистор начинает открываться, когда уровень напряжения стремиться к нулю, благодаря чему ток плавно увеличивается — вместе с синусоидальным сигналом.

Момент закрытия транзистора определяет величину тока, поступающего на аккумулятор. Чем позже закрывается транзистор, тем большая часть сигнала будет передана, и в результате мы получим больший ток и наоборот.

Данная схема не является стабилизатором тока, она не поддерживает постоянное значение тока. Однако схема позволяет ограничить начальное значение тока, которое на самом деле является максимальным значением, поскольку во время зарядки значение тока уменьшается с увеличением заряда аккумулятора.

На последнем этапе ток зарядки может быть намного ниже, чем в начале. Это увеличивает время, необходимое для полной зарядки, но позволяет более точно определить время окончания.

Вторая важная функция системы — контролировать значение напряжения аккумулятора. Чтобы получить наиболее точный результат, измерение производится при закрытом силовом транзисторе. Такой измерительный цикл запускается один раз каждые 200 полупериодов напряжения питания, то есть каждые 2 секунды, после которого ток зарядки не протекает (в течение примерно 10 мс).

Результат измерения не искажается зарядным током, импульсами напряжения или сопротивлением проводов. Если измеренное напряжение достигло 14,4 В, зарядка прекращается, а когда напряжение падает ниже этого уровня, процесс зарядки возобновляется.

В конце зарядки такой цикл будет повторяться многократно, так как даже полностью заряженный аккумулятор не держит на своих клеммах напряжение 14,4 В. Напряжение довольно быстро падает до значения ок. 13 В, а затем оно должно стабилизироваться в районе 12,6 В.

Текущий уровень заряда отображается светодиодом. Светодиод мигает с частотой примерно каждые 2 с, с заполнением в зависимости от уровня заряда аккумулятора. При напряжении примерно до 11 В светодиод мигает с 5% заполнением, чем выше напряжение, тем дольше светодиод будет гореть в каждом цикле вплоть до 14,4, когда он будет гореть постоянно.

На практике — даже после зарядки аккумулятора светодиод может время от времени мигать, поскольку напряжение на аккумуляторе снижается. Это так называемый режим поддержки заряда аккумулятора.

Дополнительной функцией данного зарядного устройства является защита от короткого замыкания. Работа этой функции основана на том факте, что пока на выходных клеммах зарядного устройства нет напряжения (аккумулятор не подключен), зарядка не будет включена.

Только появление напряжения минимум 9 В (от аккумулятора) приводит зарядку в действие. Состояние выходных клемм проверяется в каждом полупериоде, непосредственно перед включением транзистора, поэтому даже случайное отключение проводов от аккумулятора и их замыкание не повредят устройству (при условии, что от отключения до короткого замыкания прошло не менее 10 мс).

И последняя функция схемы — оповещение о неправильной полярности подключения аккумулятора. Если аккумулятор подключен к выходным клеммам в обратном направлении, немедленно прозвучит звуковой сигнал.

Испытания подтвердили, что даже изменение полярности во время работы зарядного устройства не приведет к каким-либо повреждениям. Но для большей безопасности аккумулятор следует подключать при отключенном от сети зарядном устройстве, и при отсутствии звукового оповещения можно подать напряжение питания.

Схема зарядного устройства для автомобильного аккумулятора вместе с элементами выпрямителя показана на рисунке ниже. Транзистор Т1 (2N2222) со смежными элементами представляет собой детектор перехода напряжения через ноль. Однако в нашем случае мы имеем дело с двухполупериодным сигналом, то есть пульсирующим сигналом.

Кроме того, когда аккумулятор подключен через диод, содержащийся в структуре MOSFET транзистора T3, на пульсирующую форму сигнала также накладывается постоянное напряжение от аккумулятора.

По сути, транзистор T1 является детектором момента, когда напряжение пульсирующей формы выходит за пределы значения напряжения аккумулятора. Именно с этого момента ток может течь в сторону аккумулятора — заряжая его.

Транзистор T2 с обвеской работает как драйвер силового транзистора T3. Положительные импульсы с напряжением 5 В с выхода микроконтроллера открывают исполнительный транзистор Т3, а резистор R10 закрывает его после импульса.

Слишком высокая амплитуда управляющего сигнала может привести к повреждению схемы затвора MOSFET транзистора, поэтому в схему добавлен стабилитрон D1.

Управляющие импульсы синхронизируются с сигналом от нашего детектора импульсов. Чем дольше длится импульс, тем большая часть сигнала пройдет, и в результате будет течь больший ток.

Другими элементами устройства являются:

• Блок питания, построенный на основе стабилизатора напряжения IC2 (78L05);
• Микроконтроллер IC1 (Attiny25) с управляющей программой;
• Схема сигнализации обратной полярности аккумулятора — элементы R15, BUZZ и D3 (1N4007);
• Потенциометр на 50 кОм для регулировки тока;
• Сигнальный светодиод ;
• Блок измерения напряжения — регулируемый делитель напряжения на резисторах R12 и R13.

Сборка и запуск зарядного устройства

Схема собрана ​​на односторонней печатной плате размером 71 x 60 мм. Исполнительный транзистор T3 должен быть установлен радиатор.

После сборки и проверки схемы установите запрограммированный микроконтроллер в панельку. Теперь вы можете подключить трансформатор и, если все сделано правильно, светодиод будет циклически мигать, указывая на работу устройства.

Фьюзы

При программировании микроконтроллера необходимо выставить следующие фьюзы:

• 0xE2 LOW
• 0xDD HIGH
• 0xFF EXTENDED

В PonyProg фьюзы будут выглядеть так:

В Uniprof фьюзы будут выглядеть так:

Примечание. Светодиод не будет мигать, если на схему подается постоянное напряжение, например, только от аккумулятора. Также стоит проверить, есть ли напряжение на выходе зарядного устройства. Если мультиметр показал значительное напряжение, это указывает на неисправность в цепи управления исполнительного транзистора.

Вся схема требует простой регулировки – установка напряжения окончания зарядки. Для этого необходимо отключить управление исполнительным транзистором — самый простой способ сделать это — вынуть микроконтроллер из гнезда и отогнуть вывод 5 микроконтроллера, чтобы после вставки микроконтроллера в панельку вывод 5 висел в воздухе.

Теперь подключите источник питания от трансформатора или выпрямителя, и подключите к клеммам регулируемый источник питания с заданным напряжением 14,4 В.

Регулировка заключается в настройке (резистор R13) такого состояния, чтобы светодиод светился непрерывным светом, но в то же время находился на границе мигания. После регулировки все отсоедините и правильно установите микроконтроллер (вывод 5).

Скачать прошивку и рисунок печатной платы (14,1 KiB, скачано: 1 019)