ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к области электротехники, а более конкретно - к устройствам для заряда аккумуляторов и аккумуляторных батарей от сети переменного тока с нулевым выводом, и может быть использована для заряда кислотных или щелочных аккумуляторов, в частности для автомобильного транспорта.
Зарядные устройства базируются, в основном, на использовании трансформатора, понижающего сетевое напряжение 220 В 50 Гц до необходимого напряжения 13÷18 В. Известны устройства зарядно-выпрямительные промышленного назначения, объектов электроэнергетики и нефтегазового комплекса серии НРТ, выполненные по принципу управляемого диодно-тиристорного преобразователя переменного напряжения в постоянное (информация на сайте Интернет по адресу: http://www.promspravka.com/catalog). Эти зарядно-выпрямительные устройства имеют на входе трансформатор напряжения, а на выходе - LC-фильтр. Заряд и подзаряд аккумуляторных батарей осуществляется при постоянном напряжении. К недостаткам устройств серии НРТ следует отнести большие массогабаритные показатели. Они обусловлены наличием в схеме низкочастотного (50 Гц) трансформатора, который обеспечивает согласование сетевого напряжения с необходимым для заряда напряжением и имеет сравнительно большие массу и габариты.
Известны зарядные устройства с использованием на входе бестрансформаторных выпрямителей, например: 1. Зарядное устройство по патенту РФ на изобретение №2242073, МПК H02J 7/10; 2. Источник питания для заряда аккумуляторов, опубликованный на с.530 издания «Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Издание 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 608 с.». В
этих известных зарядных устройствах [1, 2] используется выпрямитель, предназначенный для выпрямления сетевого напряжения 220 В 50 Гц в постоянное напряжение и дальнейшее преобразование выпрямленного напряжения в необходимое низковольтное постоянное напряжение. Для этого на выходе устройства установлены трансформатор и выходной выпрямитель. Так, источник питания для заряда аккумуляторов [2] содержит входной выпрямитель, подключенный к сети переменного тока, входной фильтрующий элемент, включенный параллельно выходу выпрямителя, токочувствительный элемент, соединенный с одним из входов устройства управления, обратноходовой трансформатор, ключевой элемент, выходной выпрямитель и выходной фильтрующий элемент. Ключевой элемент соединен последовательно с токочувствительным элементом и первичной обмоткой трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора через выходной выпрямитель соединена с аккумуляторной батареей. Дополнительная обмотка обратной связи трансформатора соединена с устройством управления, выход которого связан с ключевым элементом. Передача энергии в таком источнике происходит при выключении ключевого элемента. Однако из-за наличия в схеме выходного трансформатора устройство тоже имеет завышенные габариты.
Из уровня техники известны также бестрансформаторные зарядные устройства с управляемыми выпрямителями, двухполупериодными или однополупериодными. Устройство заряда аккумуляторной батареи по патенту РФ на изобретение №2269843, МПК H02J 7/02, Н02М 10/44, содержит двухполупериодный мостовой выпрямитель на тиристорах, две токоограничивающие катушки индуктивности, включенные между одноименно-полярными выводами выходных клемм моста и клемм аккумуляторной двухсекционной батареи, и блок контроля и управления тиристорами. Средняя точка аккумуляторной двухсекционной батареи соединена с одной из клемм входной диагонали моста через ключ
двухсторонней проводимости. В одном такте каждого полупериода изменения тока источника переменного тока в одной из индуктивных катушек запасают избыточную энергию, которую в следующем такте передают в аккумуляторную батарею. А заряд аккумуляторной батареи в это время производят энергией, запасенной в другой индуктивной катушке. Наличие двух индуктивных катушек улучшает технико-экономические характеристики устройства заряда, но повышает его габариты. К тому же специалистам в области электротехники известно, что в катушках индуктивности происходят потери энергии, которые складываются из потерь в проводах, диэлектрике и сердечнике. Для снижения потерь зачастую приходится увеличивать размеры катушки. А это в свою очередь повышает массогабаритные показатели устройства в целом.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство заряда аккумуляторной батареи с однополупериодным выпрямителем (авторское свидетельство СССР №1129675, МПК H02J 7/10). Оно содержит транзисторный регулятор напряжения из трех транзисторов, включенный между источником энергии и заряжаемым аккумулятором и выполняющий одновременно функцию выпрямителя. Управляющий вход транзисторного регулятора подключен к схеме управления, включающей источник опорного напряжения, первый стабилитрон с шунтирующей его цепочкой, включенной между источником опорного напряжения и регулятором напряжения, и времязадающие RC-цепочки. Источник опорного напряжения подключен к зажимам источника энергии и состоит из последовательно соединенных стабилитрона (второго) и двух зарядных (балластных) резисторов. Положительный вывод стабилитрона источника опорного напряжения подключен к отрицательному выводу источника питания. При подаче напряжения от источника питания в зарядном устройстве формируются нижний уровень напряжения, допустимый для длительного заряда батареи,
и верхний уровень ограничения напряжения на батарее при импульсном ее заряде. Для температурной стабилизации и регулирования в некоторых пределах уровня напряжения на управляющем входе транзисторного регулятора в схему устройства включена цепочка, шунтирующая аккумуляторную батарею и состоящая из последовательно соединенных диода и двух резисторов (один - регулируемый), средняя точка которых соединена с эмиттером первого из транзисторов. Между источником опорного напряжения и регулятором напряжения включен диод, который выполняет функцию защиты от коротких замыканий и исключает влияние колебаний напряжения источника питания на источник опорного напряжения. Устройство по прототипу надежно функционирует и одновременно имеет более низкие в сравнении с предыдущими аналогами массогабаритные показатели. К недостаткам следует отнести длительное формирование импульсного режима заряда, что в конечном итоге увеличивает время заряда аккумуляторной батареи. Кроме того, для формирования заряда в схему устройства включено много полупроводниковых элементов, что в свою очередь усложняет схему и снижает надежность зарядного устройства.
Задача полезной модели состоит в создании простого, малогабаритного и надежного бестрансформаторного зарядного устройства.
Технический результат, получаемый при реализации предложенного зарядного устройства и направленный на решение поставленной задачи, заключается в обеспечении заряда аккумуляторной батареи на падающем участке синусоиды выпрямленного напряжения (обратном ходе синусоидального выпрямленного напряжения) и исключении тем самым подачу высокого входного напряжения на аккумулятор, приводящего к возникновению аномальных режимов.
Технический результат достигается следующим образом.
Как и прототип заявляемое в качестве полезной модели зарядное устройство для аккумуляторной батареи содержит сетевой источник питания, элемент защиты, выпрямитель, регулируемый резистор, соединенный с выпрямителем, схему управления, подключенную к управляющему входу выпрямителя и включающую балластный резистор, времязадающую RC-цепочку и последовательно соединенные между собой стабилитрон и ограничительный резистор. В отличие от прототипа в качестве выпрямителя использован тиристор, а в качестве элемента защиты использован предохранитель. Фазный вывод сетевого источника питания подключен к положительной обкладке аккумуляторной батареи через предохранитель, регулируемый резистор и тиристор, а отрицательная обкладка аккумуляторной батареи соединена с нулевым выводом сетевого источника питания. Балластный резистор, времязадающий резистор и времязадающий конденсатор RC-цепочки соединены последовательно и включены между фазным и нулевым выводами сетевого источника питания. Средняя точка RC-цепочки соединена через стабилитрон и ограничительный резистор с управляющим электродом тиристора, катод которого объединен с нулевым выводом сетевого источника питания, а анод через регулируемый резистор и предохранитель соединен с фазным выводом источника питания. Сопротивления балластного и времязадающего резисторов и емкость конденсатора выбраны в соответствии с временем заряда аккумуляторной батареи в диапазоне 7÷10 мс по формуле:
5
6
T=(R+R)C, где
Т - постоянная заряда (время заряда конденсатора);
5
R - сопротивление балластного резистора;
6
R - сопротивление времязадающего резистора;
С - емкость времязадающего конденсатора.
Предложенная совокупность признаков, характеризующих заявляемую полезную модель, среди известных технических решений не
обнаружена. Этим подтверждается новизна заявляемого зарядного устройства.
Использование тиристора в качестве выпрямителя и предложенной схемы управления позволяет значительно упростить схему зарядного устройства и уменьшить его массогабаритные показатели. Подбором сопротивления времязадающего резистора можно добиться желаемых пределов регулирования времени заряда аккумуляторной батареи и выходного напряжения, необходимого для заряда аккумуляторной батареи.
оп
На фиг.1 изображена схема заявляемого зарядного устройства, а на фиг.2 - представлены зависимости выпрямленного и зарядного напряжения от времени заряда конденсатора. Заштрихованной области на фиг.2 соответствует область заряда аккумуляторной батареи, где U - зарядное напряжение аккумуляторной батареи.
Зарядное устройство для аккумуляторной батареи подключено к сетевому источнику 1 напряжением 220 В 50 Гц и содержит предохранитель 2, регулируемый резистор 3, тиристор 4, балластный резистор 5, времязадающую RC-цепочку из времязадающего резистора 6 и времязадающего конденсатора 7, стабилитрон 8, ограничительный резистор 9. Позицией 10 на фиг.1 обозначена аккумуляторная батарея.
Зарядное устройство для аккумуляторной батареи работает следующим образом.
При включении зарядного устройства и подаче напряжения питания от сетевого источника 1 начинает работать та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В начале положительного полупериода тиристор 4 закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения происходит заряд времязадающего конденсатора 7 по цепи: «+» сетевого источника питания 1, балластный резистор 5, времязадающий резистор 6, «+» конденсатора 7 и «-» сетевого источника питания (фиг.1). Увеличение напряжения на конденсаторе 7 отстает от сетевого напряжения на величину, зависящую от суммарного
сопротивления резисторов 5, 6 и емкости конденсатора 7. Заряд конденсатора 7 продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет величины, необходимой для включения стабилитрона 8 и соответственно напряжения, достаточного для открывания тиристора 4. Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора 4. Постоянная заряда конденсатора 7 выбирается исходя из сопротивлений резисторов 5, 6 и емкости конденсатора 7 по формуле:
5
6
Т=(К+К)С, где
Т - постоянная заряда (время заряда конденсатора);
5
R- сопротивление балластного резистора;
6
R - сопротивление времязадающего резистора;
С - емкость времязадающего конденсатора. Подбором сопротивления времязадающего резистора 6 можно добиться желаемых пределов регулирования времени заряда аккумуляторной батареи 10, то есть в диапазоне 7÷10 мс (фиг.2), которому соответствует спадающая часть синусоиды напряжения, и регулирования выходного напряжения, необходимого для заряда аккумуляторной батареи 10. Изменяя наклон прямой заряда (фиг.2) с помощью регулируемого резистора 3 можно добиться включения стабилитрона 8 и соответственно тиристора 4 в диапазоне от 17 до 10 В, обеспечивая заряд аккумуляторной батареи 10 на спадающей части синусоиды. Следовательно, отпадает необходимость использования электромагнитных устройств в схеме зарядного устройства. А значит, исключается высокое напряжение, подаваемое на заряд аккумуляторной батареи 10. Тем самым повышается надежность зарядного устройства и улучшаются его масса-габаритные показатели. Тиристор 4 остается открытым до конца полупериода и запирается при переходе тока через ноль и смене полярности. Следующее включение тиристора 4 произойдет когда конденсатор 7 полностью разрядится. Предохранитель 2 служит для отключения схемы при
возникновении аномальных режимов и более надежен, чем диод, выполняющий функцию защиты от коротких замыканий зарядного устройства по прототипу. Стабилитрон 8 служит для стабилизации напряжения включения тиристора 4, поскольку любые колебания величины напряжения сети изменяют в тех же пределах величину выпрямленного напряжения, нарушая и ухудшая режим заряда аккумуляторной батареи. Ограничительный резистор 9 служит для ограничения тока разряда конденсатора 7 при пробое стабилитрона 8 и включении тиристора 4 при напряжении, соответствующем напряжению заряда аккумуляторной батареи 10. Регулируемый резистор 3 служит для ограничения зарядного тока аккумуляторной батареи 10. Используя электронную цепь заряда, конденсатор 7 может обеспечить на выходе надежный метод зарядки аккумуляторной батареи 10.