Измеритель заряда автомобильных аккумуляторных батарей

А.Евсеев г.Тула
Автомобильные аккумуляторные батареи нередко заряжают устройствами, не имеющими стабилизатора тока. Предлагаемое в этой статье устройство позволяет и в этом случае объективно определить момент окончания зарядки батареи. Более того, оно выполнит это при произвольных форме и среднем значении зарядного тока.

Окончание зарядки аккумулятора стабильным током обычно определяют по истечению известного временного отрезка (так называемая зарядка по времени). Однако в действительности зарядный ток изменяется из-за действия различных дестабилизирующих факторов. Поскольку внутреннее сопротивление аккумуляторов очень мало, даже небольшое изменение зарядного напряжения способно вызвать значительное изменение тока.

С другой стороны, введение в зарядное устройство стабилизатора тока значительно усложняет конструкцию аппарата и снижает коэффициент полезного действия. Так или иначе, автомобильные зарядные устройства промышленного изготовления, как правило, не обеспечивают стабилизации зарядного тока.

Известно, что для полной зарядки аккумулятора ему необходимо сообщить определенный электрический заряд (количество электричества), равный произведению времени зарядки на средний ток. Иными словами, момент окончания зарядки можно определять значением сообщенного аккумулятору заряда. При этом изменения тока в процессе зарядки не повлияют на заряд, а лишь приведут к увеличению или уменьшению времени зарядки.

Необходимость измерения заряда возникает и в других случаях. Например, при проведении тренировочной зарядки аккумулятора всегда требуется узнать емкость, которая будет им отдана при разрядке до минимально допустимого напряжения. При выполнении различных электрохимических процессов (например, гальванопластики) также бывает полезно измерить количество электричества, прошедшего через раствор.

Для измерения заряда, пропущенного через измерительную цепь, в условиях нестабильного тока было разработано описываемое ниже устройство. Его принципиальная схема показана на рис.1. Основа устройства - преобразователь напряжения в частоту, выполненный на микросхеме DA1. Напряжение на его вход, пропорциональное току зарядки, поступает с токоизмерительных резисторов R1, R2 (либо с одного, либо с обоих, в зависимости от выбранного тумблером SA1 предела измерения). Поскольку функция преобразования линейна, частота на выходе микросхемы DA1 прямо пропорциональна току зарядки. Работа интегрального преобразователя КР1008ПП1 подробно описана в литературе [1, 2], поэтому здесь опущена.

Выходное импульсное напряжение преобразователя поступает на вход делителя частоты DD1. Частоту входных импульсов он уменьшает в 32768*60 = 1 966 080 раз. Коэффициент преобразования и коэффициент деления частоты выбраны такими, что при напряжении на входе преобразователя 1 В импульсы на выходе счетчика следуют с интервалом в 0,1 ч (или в 360 с). Иначе говоря, один импульс на выходе счетчика соответствует прошедшему через измерительную цепь электрическому заряду 0,1 А*ч, когда контакты тумблера SA1 разомкнуты, или 1 А*ч, когда замкнуты.

Несложный расчет позволяет определить требуемый коэффициент преобразования: 1966080/360=5461 Гц/В. Поскольку эта частота значительно (более чем в 50 раз) превышает 100 Гц, погрешность преобразования при измерении заряда, переносимого пульсирующим (после двуполупериодного выпрямления) током, должна быть незначительной, что и было подтверждено экспериментально.

Двуразрядный двоично-десятичный счетчик импульсов, выполненный на двух счетчиках по модулю 10 DD2, DD3 с цифровыми индикаторами HG1, HG2, подсчитывает число ампер-часов или их десятых долей. Децимальная точка индикатора HG1 включена в режиме "10 А*ч", децимальная точка индикатора HG2 мигает при протекании зарядного тока в цепи нагрузки и тем чаще, чем больше ток.

Для установки момента отключения источника зарядного тока после протекания заданного заряда в устройстве предусмотрен установочный блок, состоящий из двух десятичных счетчиков-дешифраторов DD4, DD5, переключателей SA3, SA4 и логического узла на элементах DD6.1, DD6.2.

Изменение состояния счетчиков DD2-DD5 происходит по спаду входных импульсов, а установка в исходное состояние - подачей напряжения высокого уровня на вход R.

В режиме измерения заряда переключателями SA3 и SA4 устанавливают требуемое значение заряда, тумблером SA1 выбирают емкость счетчика "10 А*ч" или "100 А*ч" (цена деления младшего разряда счетчика 0,1 или 1 А*ч соответственно). Вход прибора включают в разрыв цепи нагрузки в соответствии со схемой, представленной на рис.2, а, подают на прибор напряжение сети и замыкают контакты тумблера SA2 "Пуск".

На этом рисунке показана функциональная схема установки для измерения количества электричества, сообщаемого заряжаемой аккумуляторной батарее GB1. По такой же схеме собирают установку для проведения электрохимического процесса.

Через некоторое время на тех выходах счетчиков DD4, DD5, которые окажутся соединенными с подвижным контактом переключателей SA3, SA4, появится напряжение высокого уровня. Этот же уровень возникнет на выходе элемента DD6.2. В результате, во-первых, начнет работать генератор, выполненный на элементах DD6.3, DD6.4, вырабатывающий импульсную последовательность частотой около 2 кГц, а звуковой излучатель BF1 подаст сигнал, указывающий на то, что через заряжаемую батарею протекло заданное количество электричества.

Во-вторых, откроется транзистор VT1 и сработает электромагнитное реле K1, контакты K1.1 которого, разомкнувшись, обесточат нагрузку. В таком состоянии установка будет находиться до тех пор, пока ее не отключат от сети.

Измеритель заряда питается от двуполярного стабилизатора напряжения 2х9 В, выполненного на микросхемах DA2, DA3. Понижающий сетевой трансформатор T1 - унифицированный из серии ТПП. Конденсаторы C6-C10, защищающие микросхемы устройства от помех, устанавливают по одному около каждой из микросхем DD1-DD5.

При напряжении 1 В на входе преобразователя напряжение-частота децимальная точка индикатора HG2 включается с периодом примерно 3 с, индицируя протекание тока через цепь нагрузки. Чем больше этот ток, тем чаще включение точки.

Нити катода люминесцентных индикаторов HG1 и HG2 питаются от минусового плеча стабилизатора. Это сделано для увеличения разности напряжения между анодами-элементами и катодом индикатора, что дает возможность увеличить яркость свечения табло. Люминесцентные индикаторы в измерителе питаются пониженным напряжением (паспортное напряжение 20...30 В), поэтому их аноды-элементы подключены к выходам счетчиков К176ИЕ4 непосредственно, без дополнительных транзисторов.

Вместо ИВ-ЗА подойдут индикаторы ИВ-6, однако они крупнее и потребляют больший ток накала катода, поэтому потребуется подобрать резисторы R7, R8. Транзистор VT1 - любой кремниевый маломощный структуры N-P-N (например, из серий КТ312, КТ315, КТ503, КТ3117). Диодные мосты VD1, VD2 - любые из серий КЦ402 - КЦ405; диод VD3 - также любой из серий КД503, КД509, КД510, КД513, КД521, КД522.

Конденсаторы C4, C11 - оксидные, К50-16 или К50-35; CЗ - керамический (КМ-4, КМ-5, К10-7В, К10-47) или слюдяной, причем он должен иметь небольшой ТКЕ (МПО), поскольку от этого зависит стабильность коэффициента преобразования; остальные - любых типов, Резистор R1 состоит из двух параллельно соединенных С5-16В номиналом 0,2 Ом и мощностью 5 Вт. Его можно изготовить самостоятельно из отрезка толстого провода высокого сопротивления. Подстроечный резистор R4 - многооборотный СП5-2; остальные - МЛТ, С2-23, С2-33, причем R2 составлен из двух резисторов, соединенных параллельно (например, с номиналами 1 и 10 Ом).

Реле K1 использовано импортное, Best BS902CS (его обмотка имеет сопротивление 500 Ом, контакты рассчитаны на коммутацию постоянного и переменного тока до 10 А при напряжении 220 В). Оно имеет габариты 20х15х15 мм. Подходящее отечественное реле для измерителя заряда можно подобрать из группы автомобильных [З].

Трансформатор ТПП232-127/220-50 может быть заменен на любой из ряда ТПП231-127/220-50 - ТПП235-127/220-50, при этом следует соединить вторичные обмотки таким образом, чтобы на диодные мосты VD1 и VD2 поступало напряжение 12...15 В. Сетевой трансформатор можно изготовить и самостоятельно. Его наматывают на ленточном магнитопроводе ШЛ16x20. Обмотка I содержит 2400 витков провода ПЭВ-1 0,08, обмотки II и III - по 140 витков провода ПЭВ-1 0,25.

Звуковой пьезоэлектрический излучатель BF1 - любой из серии ЗП. Тумблер SA1 - П2Т или другой, рассчитанный на ток не менее 5 А; SA2 - любой. Галетные переключатели SA3 - МПН-1.

Измеритель заряда собран в пластмассовом корпусе размерами 200х180х65 мм. Детали размещены на двух платах из текстолита, монтаж выполнен навесными проводниками. На одной из них размерами 190х130 мм, прикрепленной к днищу корпуса, установлены элементы T1, VD1, VD2, DA2, DA3, C4, C5, C11, C12, R1, R2, K1, BF1. Остальные детали распаяны на второй плате (165х45 мм), привинченной к передней панели. Стабилизаторы напряжения DA1, DA2 смонтированы на теплоотводах с охлаждающей поверхностью З0...40см² каждый.

Калибруют устройство следующим образом. Входные контакты измерителя включают в разрыв цепи нагрузки по схеме рис.2, а и задают рабочий ток равным 1 А. Контакты тумблера SA1 при этом должны находиться в разомкнутом положении, а тумблера SA2 - замкнутом. Измеряя многократно период следования импульсов на выходе преобразователя DA1 (вывод 7), подстроечным резистором R4 устанавливают их шестисекундный период. Затем проверяют точность шестиминутного периода импульсов на выходе M (вывод 10) счетчика DD1 и, если необходимо, корректируют тем же резистором.

Следует отметить, что объективно установить заряд, который должен принять аккумулятор, можно, если известна его реальная емкость и он разряжен до нижней допустимой границы.

Для определения емкости батареи собирают разрядную установку по схеме на рис.2,б.

Максимальный постоянный ток, который можно пропускать через входную цепь в положении "100 А*ч" переключателя SA1 - 10 А, а в положении "10 А*ч", - 1 А. Если измеряемый ток имеет форму импульсов (например, при зарядке батареи аккумуляторов), то среднее значение тока нужно уменьшить до 6...7 А, иначе резистор R1 перегреется. При разомкнутых контактах тумблера SA1 ток не должен превышать 1 А.

Л И Т Е Р А Т У Р А1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах (изд. 2, перераб. и доп.) - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1988,с.269-273.
2. Якубовский С.В., Ниссельсон Л.И., Кулешова В.И. и др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник (под ред. Якубовского С. В.). - М.: Радио и связь, 1990,с.432-445.
3. Банников В. Малогабаритные автомобильные электромагнитные реле. Радио, 1994, №9, с.42; №10, с.41.

Обсудить на форуме