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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Automatisches Laden von galvanischen Zellen und Batterien mit asymmetrischem Strom. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Den Lesern werden zwei Ladegerätekonstruktionen vorgestellt, die sich in der Höhe des Ladestroms unterscheiden, aber über eine einzige Wiederherstellungsmethode verfügen – asymmetrischen Strom. Die Wiederherstellung galvanischer Zellen und Batterien gelingt bekanntlich am besten durch Laden mit asymmetrischem Strom. Der Ladestrom ist zehnmal größer als der Entladestrom und die Dauer ist halb so lang [10, 1]. Geräte können mit längeren Unterbrechungen aufgeladen werden, beispielsweise aufgrund eines Netzspannungsausfalls. Beim Anlegen der Spannung wird der Ladevorgang automatisch wiederhergestellt. Die Geräte haben keine Angst vor versehentlichen Kurzschlüssen der Ausgangsbuchsen. Wenn Akkus über einen längeren Zeitraum gelagert werden, können Geräte zur Ladungserhaltung eingesetzt werden. Der Ladevorgang stoppt automatisch, wenn am geladenen Element die eingestellte Spannung erreicht ist. Mit den Geräten können Sie den Lade- und Entladestrom sowie die Ladestoppspannung in einem weiten Bereich ohne Instrumente (mit ausreichender Genauigkeit für die Praxis) einstellen. Erster Entwurf Entwickelt zum Laden einzelner kleiner Batterien vom Typ D-0,1; D-0,25; D-0,55; TsNK-0,45; NGKTs-1,8 oder ihre importierten Analoga und daraus zusammengesetzte Batterien sowie galvanische Zellen des Typs 316, 322, 343, 373, daraus zusammengesetzte Batterien und Batterien 3336, „Krona“, „Korund“ usw. . Die Anzahl der gleichzeitig geladenen galvanischen Zellen beträgt 7 Stück und die Anzahl der wiederaufladbaren Batterien beträgt 9 Stück. Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. 1 dargestellt. Es besteht aus einer Stromversorgung am Transformator T1, einer Gleichrichterbrücke an den Dioden VD1-VD4 und einem Filterkondensator C1.
Der Ladestromstabilisator besteht aus den Transistoren VT2, VT4 und stellt zusammen mit der Zenerdiode VD9 und dem Widerstand R22 eine Stromquelle dar. Der Stromwert wird durch den Widerstand R18 geregelt. Der Entladestromstabilisator besteht aus den Transistoren VT1, VT5 und LED HL2, die gleichzeitig als Referenzspannungsquelle für die Basis des Transistors VT5 und als Anzeige des Entladestroms dienen. Die Höhe des Entladestroms wird durch den Widerstand R23 eingestellt. Der Ladestrom (in Ampere) entspricht normalerweise 0,1 und der Entladestrom - 0,01 der Kapazität in Amperestunden. Beispielsweise beträgt der Ladestrom für die Elemente 316, 332 oder deren Batterien 60 mA und der Entladestrom 6 mA, für die Elemente 343, 373 oder deren Batterien jeweils 200 mA und 20 mA. Der Rechteckimpulsgenerator, der Impulse von Lade- und Entladeströmen erzeugt, besteht aus den Elementen DD1.2 und DD1.3, den Widerständen R9, R10 und den Dioden VD7, VD8. Das Verhältnis der Dauer der Hochpegelimpulse und der Pausen dazwischen beträgt 1:2. Die Dauer der Impulse wird durch den Widerstand R9 bestimmt, die Dauer der Pause hängt vom Widerstand R10 ab. Die Schwingfrequenz beträgt ca. 100 Hz (abhängig vom Kondensator C5). Der Generator startet, wenn am Ausgang des Elements DD1.1 ein High-Pegel-Signal anliegt. Der integrierte Komparator DA1 verfügt über eine Einheit zum automatischen Aus- und Einschalten des Ladevorgangs (AOC und AVZ). Es vergleicht die Referenzspannung (vom R4-Motor entfernt) des parametrischen Stabilisators VD5R2 oder VD6R3, die dem invertierenden Eingang zugeführt wird, mit der sich ändernden Spannung am Teiler R20, R21, proportional zur Spannung der geladenen galvanischen Zelle oder Batterie, die versorgt wird an den nichtinvertierenden Eingang DA1. Da die Referenzspannung für den ersten Bereich (5...2 V) von einem anderen parametrischen Stabilisator VD1R6 übernommen wird, gewährleistet dies eine hohe Stabilität und damit Genauigkeit der Installation der AOS- und AVZ-Einheiten. Die AOS-Spannung wird durch den Widerstand R4 eingestellt. Der Einfachheit halber sind die Grenzen der Automatisierungseinheit in zwei Bereiche unterteilt: 1...6 V und 6...13 V. Der Bereich wird mit dem Schalter SA1 ausgewählt. Gerätebedienung. Beim Anschluss einer entladenen galvanischen Zelle oder Batterie ist die Spannung am nichtinvertierenden Eingang DA1 kleiner als die Referenz am invertierenden Eingang, die durch den Widerstand R4 eingestellt wird. Daher wird am Open-Collector-Ausgang (Pin 9) des Komparators eine Spannung mit niedrigem Pegel und am Ausgang des Wechselrichters DD1.1 eine Spannung mit hohem Pegel eingestellt, was den Betrieb des Impulsgenerators ermöglicht. In diesem Fall erscheint am Ausgang des Elements DD1.3 ein Signal mit hohem Pegel, das die Schlüsseltransistoren VT2 und VT3 öffnet. Durch das Öffnen des Transistors VT2 entsteht Spannung an der Zenerdiode VD9, was bedeutet, dass der Transistor VT4 öffnet und ein voreingestellter Ladestrom durch das geladene Element fließt. Gleichzeitig geht ein Low-Level-Signal vom Ausgang DD1.2 zum unteren Eingang des Elements DD1.4. Am oberen Eingang des DD1.4-Elements in der Schaltung liegt ein High-Pegel-Signal an, das bis zum Ende des Ladevorgangs bestehen bleibt. Infolgedessen erscheint am Ausgang des Elements DD1.4 ein Signal mit hohem Pegel, das den Transistor VT1 schließt. Dementsprechend schließt auch der Transistor VT5, wodurch der Entladestrom nicht fließen kann. Wenn am Ausgang des Elements DD1.3 ein Signal mit niedrigem Pegel erscheint, schließen die Transistoren VT2 und VT3. Der Ladestrom wird gestoppt. Gleichzeitig wird vom Ausgang des Elements DD1.2 ein Signal mit hohem Pegel zum unteren Eingang des Elements DD1.4 empfangen (das Signal mit hohem Pegel kommt weiterhin am oberen Eingang an), wodurch die Transistoren VT1 geöffnet werden und VT5. Dadurch kann der Entladestrom fließen. Das Eintreffen des nächsten positiven Impulses vom Ausgang des Generators ermöglicht den Fluss des Ladestroms und macht eine Entladung unmöglich. Somit wird der Lade-Entlade-Vorgang fortgesetzt, bis die Spannung am geladenen Element den Aktivierungswert der AOC-Einheit erreicht. Dadurch schaltet der Komparator um und an seinem Ausgang wechselt die niedrige Spannung in eine hohe Spannung. Am Ausgang des Wechselrichters DD1.1 erscheint ein Low-Pegel-Signal. Der Generator funktioniert nicht mehr. Aus diesem Grund wird am Ausgang DD1.3 ein Low-Pegel-Signal gesetzt. Die Transistoren VT2 und VT4 werden geschlossen und der Ladevorgang wird beendet. Durch den Betrieb der AOS-Einheit und den Stopp des Generators entsteht am Ausgang des Elements DD1.2 und damit am unteren Element DD1.4 im Schaltkreis ein Signal mit hohem Pegel. Da am Ausgang des Elements DD1.1 und damit am oberen Eingang des Elements DD1.4 in der Schaltung ein Signal mit niedrigem Pegel anliegt, liegt am Ausgang des Elements DD1.4 ein Signal mit hohem Pegel an. VT1 und VT5 werden geschlossen. Die Entladung wird gestoppt. Wenn ein Ladeimpulsstrom fließt, steigt die Spannung an der galvanischen Zelle oder Batterie auf einen Wert an, der die Betriebsschwelle der AOC-Einheit überschreitet, was zu einer vorzeitigen Abschaltung des Ladegeräts führt. Dies kann zu einer erheblichen Unterladung führen. Um dies zu verhindern, wird die Spannung am geladenen Element bei fehlendem Ladestrom mit der Referenzspannung verglichen, wodurch das Laden auf die volle Kapazität ermöglicht wird. Während des Ladevorgangs öffnet der Transistor VT3 und umgeht den Widerstand R21, wodurch die Schaltschwelle des Komparators erhöht wird. Wenn eine Entladung auftritt, werden die Transistoren VT2 und VT3 geschlossen. Der Komparator vergleicht die tatsächliche Spannung am geladenen Element mit der Referenzspannung. Wenn der eingestellte AOC-Spannungswert erreicht ist, stoppt der Ladestrom vollständig. Der Entladestrom durch den Teiler R20, R21, VT3 und den Transistor VT5 ist unbedeutend und beträgt für ein Element 1,5 V nur 10 μA und für 7 Elemente 200 μA. Wenn jedoch die chemischen Prozesse abgeschlossen sind, nimmt die Spannung an der geladenen Zelle oder Batterie langsam ab, was dazu führt, dass der Komparator auslöst, wenn die Referenzspannung die Ausgangsspannung überschreitet. Um ein solches Einschalten des Ladegeräts zu verhindern, wird ein Widerstand R7 eingeführt, der zur Erzeugung einer Hysterese – der Differenz zwischen den Spannungen AOS und AVZ – dient. Die Hysterese sorgt dafür, dass das Ladegerät bei tieferer Entladung wieder eingeschaltet wird. Bei der Auswahl der R7-Bewertung ist zu berücksichtigen, dass der Generator startet, wenn die Spannung am entladenen Element unter der AVZ-Spannung liegt, wenn das Ladegerät an das Netzwerk angeschlossen wird, unabhängig davon, ob das zu ladende Element vorher oder nachher angeschlossen wird Das Gerät ist mit dem Netzwerk verbunden. Wenn die Spannung am entladenen Element größer als die AVZ-Spannung ist, startet der Generator erst, wenn das Gerät an das Netzwerk angeschlossen und dann an das Element oder die Batterie angeschlossen wird. Für einen stabilen Betrieb des Komparators und Generators wird deren Stromversorgung durch einen parametrischen Stabilisator VD5R2 stabilisiert. Die VD10-Diode verhindert eine Entladung durch das Ladegerät bei einem Stromausfall im Versorgungskreis. Die Kondensatoren C3 und C4 schützen das Gerät vor Fehlfunktionen, wenn im Netzwerk Impulsstörungen auftreten. Das Gerät ist auf einer Leiterplatte aus 1,5 mm dickem Folien-Glasfaserlaminat montiert. Die Platinenzeichnung ist in Abb. 2 dargestellt.
Auf der Frontplatte befinden sich die LEDs HL1-HL3 und die variablen Widerstände R4, R18 und R23 mit aufgedruckten Skalen sowie der Schalter SA1. Der VT4-Transistor ist auf einer Kühlkörperplatte mit den Maßen 40x25 mm und 6 mm Dicke verbaut. Als Netztransformator kam TS-10-ZM1 zum Einsatz, geeignet ist auch jeder andere, der an der Sekundärwicklung eine Spannung von 16...18 V bei einem Strom von mindestens 250 mA liefert. Einzelheiten. Das Gerät enthält keine selbstgebauten oder seltenen Teile. Der Schalter SA1 kann von beliebiger Art sein. Kondensatoren C1, C2 Typ K50-6; C3-C5 Typ KM. Festwiderstände vom Typ MLT, variabel PP3-11 Gruppe A. Die Mikroschaltung DD1 ist austauschbar K561LE5, der Komparator DA1 ist K521CA3. Anstelle der grünen LED AL307V sind AL307G, AL307NM geeignet, und anstelle der roten LED AL307B sind AL307K, AL307BM geeignet. D9B-Dioden können durch D220, D311, KD503, KD509 mit jedem Buchstabenindex ersetzt werden. Anstelle der Zenerdiode KS512A können Sie auch zwei in Reihe geschaltete KS156A verwenden. Wir können den KT3102B-Transistor KT315G oder KT3117 durch einen beliebigen Buchstabenindex ersetzen, und anstelle des KT3107B-Transistors können wir KT361 mit einem beliebigen Buchstabenindex außer A verwenden. KT814B kann KT814V, G, KT816B, G ersetzen. Aufstellen. Wenn die Installation fehlerfrei abgeschlossen wurde, sollten beim Anschluss des Geräts an das Netzwerk die LEDs HL1, HL2, HL3 aufleuchten. Sie können die Impulse beobachten, indem Sie ein Oszilloskop an den Ausgang des DD1.3-Generators anschließen. Durch vorübergehendes Erhöhen des Wertes des Kondensators C5 auf 1...2 µF wird die Frequenz des Generators reduziert und man erkennt Schwankungen im Blinken der LEDs. Dann wird der AOD festgelegt. Dazu benötigen Sie ein stabilisiertes Netzteil mit einem Laststrom von mindestens 0,2 A und einer Spannung von 0...15 V. Die Ausgangsspannung wird über ein Gleichspannungsmessgerät kontrolliert. Sie legen zunächst die Grenzen für die Regelung der Automatisierungsspannung in den Bereichen I (6 V) und II (13 V) fest. Dazu wird die Kathode der VD10-Diode abgelötet. Der Widerstand R15 ist aus R14 und DD1.3 gelötet, und der Widerstand R12 ist aus dem Element DD1.4 gelötet und mit dem negativen Stromanschluss verbunden. In diesem Fall öffnet VT5 und VT3 schließt, was dem Entlademodus entspricht, wenn das geladene Element überwacht wird. Der Motorwiderstand R23 wird gemäß Diagramm auf die untere Position eingestellt, um die Belastung der stabilisierten Einheit zu verringern. Wir versorgen die Buchsen XS1, XS2 mit Spannung von der Hilfsquelle. Der Widerstand R4 wird zuerst in der obersten Position und dann in der niedrigsten Position gemäß dem Diagramm platziert und durch Anlegen einer Spannung von der Quelle sichergestellt, dass die Grenzwerte der automatischen Spannungsregelung innerhalb von 1...6 V (I-Bereich) liegen 6...13 B (Bereich II). Die Untergrenze der AOS-Spannung wird durch Auswahl der Widerstände R5 und R6 (abhängig von den Bereichen I bzw. II) und die Obergrenze durch Verwendung von VD5 und VD6 festgelegt. Die Komparatorschalter entsprechen dem Spannungswert, bei dem die HL3-LED erlischt (die HL2-LED leuchtet während des Setups ständig). Anschließend wird die Skala des Widerstands R4 „Ladeschlussspannung“ in beiden Bereichen kalibriert, indem unterschiedliche Spannungen aus der Hilfsstromversorgung zugeführt werden. Dazu wird der Schieber des Widerstands R4 gemäß Diagramm in die oberste Position verschoben. Stellen Sie den Ausgang der Hilfsquelle auf eine dem Einstellwert entsprechende Spannung ein und bewegen Sie den Schieberegler des Widerstands R4 entsprechend der Schaltung langsam in die untere Position. Die AOS-Spannung entspricht der Position des Widerstands-R4-Schiebers, bei der die HL3-LED erlischt. Durch leichtes Erhöhen und anschließendes allmähliches Absenken der Spannung wird die tatsächliche Schaltschwelle des Komparators überprüft. Bei Bedarf werden diese Vorgänge wiederholt. Reduzieren Sie die Quellenspannung sanft und überprüfen Sie die AVZ-Spannung anhand des Aufleuchtens der HL3-LED. Wählen Sie bei Bedarf den Widerstand R7. Anschließend kalibrieren sie die Skala des Widerstands R23 „Entladestrom“. Durch Anschließen eines Milliamperemeters mit einer Messgrenze von mindestens 1 mA an den Spalt zwischen Buchse XS20 und dem Pluspol der Hilfsstromquelle legen Sie Spannung an und kalibrieren die Waage durch Ändern des Widerstandswerts von Widerstand R23 entsprechend dem Wert des Strom durch das Gerät. Anschließend wird die Skala des Widerstands R18 „Ladestrom“ kalibriert. Dazu wird R14 von DD1.3 abgelötet und mit dem Pluspol des Stabilisators (+12 V) verbunden. Schließen Sie ein Milliamperemeter mit einem Grenzwert von mindestens 10 mA an die Kathode der VD2-Diode und die XS200-Buchse an und kalibrieren Sie die Waage, indem Sie den Wert des Widerstands R18 entsprechend dem Wert des Stroms durch das Gerät ändern. Anschließend werden die Widerstände R12, R14, R15 sowie die Diode VD10 eingelötet. Im Betrieb wird die AOC-Spannung auf 1,7...1,9 V pro geladener galvanischer Zelle und 1,35...1,45 V pro Batterie eingestellt. Zweiter Entwurf Entwickelt zum Laden von Autobatterien. Der Unterschied liegt in der Verwendung eines leistungsstarken Ladestrom- und Entladestromstabilisators. Das schematische Diagramm ist in Abb. 3 dargestellt. Lassen Sie uns nur auf einige der Funktionen eingehen. Widerstand R4 erhöht die Hysterese. Als Ladestromstabilisator wird eine einfache leistungsstarke Stromquelle verwendet [3]. Die Stromversorgung des Operationsverstärkers erfolgt jedoch über VT2, da bei Uin = 0 eine kleine Ausgangsspannung am Ausgang von DA2 verbleibt, was zum Öffnen des Transistors VT4 führt.
Das elektronische Gerät ist auf einer Leiterplatte aus einseitigem Fiberglas mit einer Dicke von 1,5 mm montiert. Die Platinenzeichnung ist in Abb. 4 dargestellt. Die Dioden VD1-VD4 und der Transistor VT6 werden auf Kühlkörpern mit einer Fläche von mindestens 100 cm2 installiert, der Transistor VT4 wird auf einem Kühlkörper mit einer Fläche von mindestens 200 cm2 installiert.
Transformator T1 seriell TN-61220/127-50 oder ein anderer mit einer Spannung an der Sekundärwicklung von 15...18 V bei einem Strom von 7...8 A. Transformator T1, Kondensator C1, Widerstände R18, R23, Dioden VD1 -VD4, VD5 und die Transistoren VT4 und VT6 werden separat montiert. Auf der Frontplatte befinden sich Stellwiderstände R15, R19 und R22 sowie die LEDs HL1, HL3. Einzelheiten. Die Dioden D231 können durch D243, D245, KD213A und andere für einen Strom von mindestens 5 A ersetzt werden. Kondensatoren C1, C2 Typ K50-6, K50-16. Anstelle der Zenerdiode D818E können Sie die Zenerdiode KS191 mit beliebigem Buchstabenindex verwenden. Widerstand R18 Typ C5-16MV, R20 Typ PEV15. Der Operationsverstärker K553UD2 ersetzt K153UD2 oder KR140UD18. Es ist wichtig, dass der Eingangsspannungsbereich bis zur positiven Versorgungsspannung reicht. Stromkreise bestehen aus Kupferdraht mit einem Querschnitt von mindestens 0,75 mm2. Der Aufbau ähnelt dem ersten Entwurf. Sie beginnen mit der Automatisierungseinheit (AOP und AVZ). Dazu werden die Kathode der Diode VD10 und der Widerstand R10 aus dem Element DD1.4 und der Widerstand R13 aus dem Widerstand R12 und dem Element DD1.3 gelötet. Die Widerstände R10 und R13 sind an die negative Stromleitung angeschlossen. Der Widerstand R22 wird in der unteren Position und der Widerstand R19 in der oberen Position gemäß dem Diagramm platziert. An die Ausgangsklemmen wird eine stabilisierte Quelle mit einem Laststrom von mindestens 0,5 A und einer Ausgangsspannung von 10...15 V angeschlossen. Die Ausgangsspannung wird durch ein Gleichspannungsmessgerät kontrolliert. Legen Sie den erforderlichen Spannungswert an (14,2...14,8 V) und drehen Sie den R19-Schieber gemäß Diagramm langsam in die unterste Position, bis die HL3-LED erlischt. Dieser Wert wird auf der Skala R19 „Ladeschlussspannung“ notiert. Überprüfen Sie dann durch schrittweises Reduzieren der Quellenspannung, ob sich das Gerät bei 12,4...12,8 V einschaltet (wählen Sie ggf. R4, R5). Danach wird die Skala des Widerstands R22 „Entladestrom“ kalibriert. Schließen Sie dazu ein Milliamperemeter für einen Strom von 0...500 mA an die Lücke zwischen Pluspol und Hilfsstromquelle an und stellen Sie durch Ändern des Wertes des Widerstands R22 den erforderlichen Strom ein und kalibrieren Sie die Waage. Als nächstes wird die Skala des Widerstands R15 „Ladestrom“ kalibriert. Dazu wird der Widerstand R12 vom Element DD1.3 abgelötet und mit der Plusleitung des Spannungsstabilisators +12 V verbunden. Der Minuspol der Batterie wird mit dem Minuspol des Ladegeräts verbunden. An die Kathode der VD5-Diode und an die Plusleitung der Batterie wird ein Amperemeter mit einer Messgrenze von mindestens 10 A angeschlossen. Schalten Sie das Gerät ein und stellen Sie durch Ändern des Widerstandswerts R15 den erforderlichen Strom ein und kalibrieren Sie die Waage. Danach werden die Diode VD10 und die Widerstände R10, R12 und R13 wiederhergestellt. Der entladene Akku wird an das Gerät angeschlossen. Anschließend werden der erforderliche Lade- und Entladestrom sowie die AOC-Spannung eingestellt und anschließend das Gerät an das Netzwerk angeschlossen. Auf Wunsch können Sie eine LED für falschen Batterieanschluss eintragen. Литература:
Autor: N.I. Mazepa
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