Самодельное устройство представляет собой трансформаторный источник постоянного тока с двумя уровнями выходного напряжения и автоматикой включения/отключения зарядного процесса. Основные функции:
Содержание:
- автоматическое включение зарядки при подключённом аккумуляторе и достижении минимального порога напряжения;
- автоматическое отключение зарядки при достижении контролируемых условий завершения заряда или при возникновении аварийной ситуации (перегрузка по току, просадка напряжения и т. п.).
Корпус — промышленный от ATX (переоборудованный под приборный блок): задняя панель корпуса использована как передняя панель прибора (индикаторы, кнопки, главный выключатель), а с задней стороны размещены выходные клеммы и предохранитель.
Трансформатор и вторичные обмотки
| Цвет провода | Измеренное переменное напряжение | Применение |
|---|---|---|
| коричневый | 7.95 В | питание управляющей электроники (через выпрямитель и стабилизатор) |
| жёлтый | 15.39 В | первая (низкотоковая) обмотка — стандартный режим заряда |
| синий | 22.00 В | вторая (высокотоковая) обмотка — режим повышенного тока |
Трансформатор снят со спутникового ресивера и имеет номинальную мощность порядка 40 В·А. Такая мощность обеспечивает возможность зарядного тока в пределах нескольких ампер при соответствующей конфигурации выпрямителя и шунта, но требует внимательного теплового расчёта и корректного выбора предохранителей.
Основные функциональные блоки электроники
- первичный выпрямитель/фильтр и силовой выпрямитель для подключения к выходным «бананам»;
- маломощный мостовой выпрямитель для питания управляющей электроники и линейный стабилизатор LM7805;
- силовая коммутация: два 5-вольтовых релейных модуля (модель SRD-05VDC-SL-C с оптоизоляцией HL-525) — одно реле управляет подачей питания на основной мост, второе — переключает между обмотками трансформатора;
- монитор тока/напряжения — модуль на базе микросхемы INA226; шунт 0,1 Ω присутствует на модуле, дополнительно распаяна параллельная перемычка для расширения измерительного диапазона; сопротивление шунта подлежит точной калибровке;
- индикаторная панель: четыре двухразрядных светодиодных индикатора (модуль D-5625ASK11) управляются драйвером MAX7219;
- микроконтроллерная плата на базе клоно-чипа W79E2051 (совместимый с 8051), с EEPROM AT24C02 (в оригинале предусматривались микросхемы семейства Atmel: AT89C2051 и AT24C02).
- UART-Bluetooth модуль (модель JDY-33) для передачи диагностики и логов; модуль помещён в металлический экран, что улучшает устойчивость связи в непосредственной близости к корпусу.
Все три выпрямительных моста и линейный стабилизатор смонтированы на общем радиаторе — требуется проверка температурного режима и, при необходимости, увеличение площади теплоотвода.
Измерения и обработка сигналов
- монитор INA226 конфигурирован в максимальной скоростной режиме (время измерения 140 µs без усреднения);
- микроконтроллер собирает сигналы по следующей процедуре: цикл измерений в течение 100 ms, в который агрегируются экстремальные значения U_min, U_max, I_min, I_max и счётчик количества детерминированных измерительных подциклов; после 100 ms следует «релаксация» перед следующим измерительным окном;
- для обеспечения обнаружения экстремумов в частично синусоидальном выпрямленном токе применяется плотное считывание (в пределах 10 полуволн должно быть достаточно для фиксации пиков без фазовой синхронизации по нулю); W79E2051 способен опрашивать INA226 вплоть до ~400 раз за 100 ms в предлагаемой конфигурации.
Собранный набор величин используется конечным автоматом управления для принятия решений по включению/переключению обмоток и отключению зарядки.
Алгоритм управления и режимы работы
Система реализует конечный автомат со следующими основными состояниями (схема состояний прилагается в виде диаграммы):
- состояние ожидания (ожидание подключения аккумулятора / условия для старта);
- заряд обычным током (первая обмотка);
- заряд повышенным током (вторая обмотка);
- калибровочные состояния для согласования измерений INA226 при разных обмотках;
- состояния ошибки и пост-ошибочные переходы.
Детектирование событий происходит по порогам, заданным в меню: пороги минимального/максимального напряжения, минимального/максимального тока, время зарядки T0, параметры переключения обмоток и т. п. В случае ошибки на нижнем дисплее отображается код E-XX; при ошибке связи с INA226 предусмотрено повторное инициирование интерфейса с sleep-циклом.
Управление, интерфейс пользователя и меню
- индикация производится четырьмя двухразрядными индикаторами; пользователю доступно семь параметров для вывода (режим, время зарядки, счётчик измерений, U_min, U_max, I_min, I_max), выбор отображаемого параметра — синими кнопками;
- верхняя/нижняя красные кнопки используются для входа/выхода в меню и для включения/отключения зарядки; меню позволяет задавать многочисленные параметры: громкость звукового сигнала, яркость дисплея (регулируется регистром интенсивности в MAX7219), коэффициент калибровки тока (калибровочный регистр INA226), граничные значения напряжений и токов, поведение после завершения цикла и пр.; значения сохраняются в энергонезависимую память.
- устройство поддерживает передачу диагностических пакетов через UART/Bluetooth; формат пакетов содержит код состояния/перехода (в десятичном) и набор измеренных параметров в шестнадцатеричном представлении.
INA226 включает калибровочный регистр, в который заносится коэффициент, позволяющий переводить измеренное значение падения на шунте (в единицах 2.5 µV) в миллиамперы; в описанной реализации используется опорное значение 1345, полученное эмпирически и согласованное с тестовой нагрузкой (лампа H4, ток ≈4 A). Для расширения диапазона измерений шунт был параллельно «разбавлен» проводником — этот подход требует документирования фактического сопротивления параллели и применения корректного значения калибровочного регистра; рекомендуется вместо парных «проволочных» решений применять точно измеряемые низкоомы шунты с известным допуском и температурным коэффициентом.
Замечания по безопасности и надёжности
- Тепловой режим. Радиатор, на котором размещены выпрямительные мосты и линейный стабилизатор, должен иметь расчётную теплопередачу, соответствующую ожидаемой мощности рассеяния. При длительной работе под нагрузкой рекомендуется принудительное охлаждение (вентилятор).
- Плавкие элементы защиты. На первичной и вторичных линиях должны быть установлены предохранители соответствующего номинала; на выходе — защитный предохранитель/полимерный (PTC) для предотвращения аварийных токов.
- Коммутация. Реле типа SRD-05VDC-SL-C пригодны для переключения сетевых и низкочастотных цепей, но при длительной коммутации токов в нескольких амперах контакты быстро изнашиваются. Для силовой коммутации предпочтительнее применять MOSFET-коммутацию (с каналом N и драйвером, реализующим «ideal diode» или обратную защиту) либо твердотельные реле.
- Силовые проводники и диод в зарядном порту. Один тонкий диод в линии зарядного порта — потенциальная точка ограничения тока и нагрева. Рекомендуется заменить на Schottky-диод повышенного номинала (3–5 A) с низким падением U_F или реализовать идеальный диод на MOSFET для минимизации потерь. Силовые провода и клеммы должны иметь сечение, соответствующее номинальному току (см. рекомендации ниже).
- Изоляция и защита пользователя. Поскольку устройство собирается в корпусе ATX, необходимо обеспечить надёжное PE-заземление корпуса, изоляцию сетевой и низковольтной частей и корректную разводку элементов с учётом creepage/clearance при 230 В.
- Алгоритмическая безопасность. Наличие таймера T0 и контроль предельных значений тока и напряжения — обязательны; при ошибке должен выполняться безопасный переход в состояние ожидания и/или отключения нагрузки.
Предложения по улучшению ЗУ
- заменить силовые реле на MOSFET-переключатели с соответствующим драйвером и схемой защиты от обратной полярности; это снизит потери и повысит ресурс.
- заменить линейный стабилизатор LM7805 на импульсный DC-DC модуль при необходимости повышения КПД или при значительном рассеиваемом тепле.
- применить точный низкоомный калиброванный шунт с известным температурным коэффициентом; оформить измерительный тракт с компенсацией температурной погрешности.
- увеличить прочность и площадь печатных токопроводящих дорожек или перейти на двустороннюю/многослойную плату с толстыми медными зонами питания; использовать болтовые/винтовые клеммы для силовых соединений.
- предусмотреть аппаратную фильтрацию и среднечастотную демпфировку для INA226 (чтобы уменьшить выбросы пиков в быстром режиме измерения) и опцию программного усреднения для стабильного отображения на дисплее.
- добавить температурные датчики (NTC) в батарейный отсек и вблизи выпрямителей для защиты по температуре и для логов в Bluetooth-пакете.
- для упрощения сервисного обслуживания вынести предохранители и силовые клеммы на фронтальную/заднюю панель в доступное место и задокументировать их номиналы.
Рекомендации по тестированию
Проверка тепловой устойчивости при длительной работе: прогон под нагрузкой, равной 100% номинального тока в течение 2–4 часов с регистрацией температуры радиатора и корпуса; калибровка INA226: использовать эталонный миллиамперметр и нагрузку (лампа/нагрузочный резистор), зафиксировать коэффициент и записать в EEPROM (AT24C02); проверить в нескольких точках тока; тест устойчивости алгоритма: имитировать отключения аккумулятора, короткие замыкания, скачки входного напряжения и проверить корректность срабатываний ошибок E-01…E-11 и восстановления после ошибок; проверка механической надёжности релейных контактов при циклической коммутации и при необходимости — переход на полупроводниковую коммутацию.
Заключение и видео работы
Итого, устройство представляет собой практичную и достаточно функциональную реализацию трансформаторного зарядного с автоматикой, пригодную для стационарной подзарядки автомобильных аккумуляторов в гаражных условиях. Для промышленной надёжности и безопасной эксплуатации требуются доработки по тепловому менеджменту, повышению надёжности силовой коммутации, точной калибровке измерительного тракта и обеспечению защиты пользователя. При корректном учёте перечисленных замечаний устройство может служить надёжным инструментом для периодической зарядки батарей и для экспериментальной работы с системами управления зарядом.
