Блок питания буферный или зарядное устройство для гелевых аккумуляторов на микросхеме BQ24450 для аккумуляторов 12 В ёмкостью 1,2…7 А·ч с током зарядки до 0,5 А. Может работать как буферный блок питания или аварийный источник.
Назначение блок питания буферный
Кислотные аккумуляторы, и в особенности их необслуживаемые варианты с электролитом в виде геля. Благодаря относительно низкой цене и хорошим эксплуатационным качествам по-прежнему находят применение в системах буферного питания.
Представленная схема буферного блока питания / зарядного устройства рассчитана на зарядку аккумулятора ёмкостью 1,2…7 А·ч с номинальным напряжением 12 В током силой до 0,5 А.
Рекомендации: устройство может работать как зарядное устройство или аварийный источник питания. Поэтому может пригодиться в качестве модуля в других устройствах или, например, в системах аварийного освещения.
Сердце блок питания буферный
Сердцем устройства является микросхема BQ24450 производства Texas Instruments — полный контроллер процесса зарядки. Структурная схема BQ24450 показана на рисунке.
Принципиальная схема зарядного устройства на её основе — на рисунке ниже.
Питание
Блок питания буферный питается от стандартного сетевого трансформатора, обеспечивающего напряжение 16…18 В AC. Разумеется, может быть использован и любой другой трансформатор с мощностью, подобранной под ток зарядки.
Переменное напряжение подаётся на разъём AC (выводы 1 и 2). Далее после выпрямления в мосте на диодах D1…D4 и фильтрации конденсатором CE1 питает схему зарядки.
Плата может питаться и постоянным напряжением в диапазоне 18…24 В DC — для этого источник подключается к клеммам 1 («+») и 3 («–») разъёма AC.
⚠️ Несмотря на широкий диапазон питающего напряжения, следует помнить об ограничении величины входного напряжения. Из-за мощности, рассеиваемой в исполнительных элементах. Зарядное устройство — это линейный регулятор, и любой избыток мощности рассеивается в виде тепла, особенно в начале процесса зарядки, когда напряжение аккумулятора наиболее низкое.
Для правильной работы схемы достаточно разницы напряжения между входом и выходом U1, составляющей 3 В при полностью заряженном аккумуляторе.
Режим двухступенчатой зарядки
Микросхема U1 сконфигурирована для работы в режиме двухступенчатого зарядного устройства с током предварительной зарядки.
BQ24450 начинает работу, когда напряжение питания превышает 4,5 В, если напряжение аккумулятора ниже опорного напряжения VTH (измерение через вывод CE, типично Vref = 2,3 В):
VTH = VREF × (RA + RB + RC//RD) ÷ (RB + RC//RD)
В прототипе VTH установлено на уровне 10,5 В. Ток зарядки подаётся через U1, транзистор Q1 отсечён, а величина тока установлена резистором R12 на уровне около 80 мА (для Vin = 18 В):
IPRE = (VIN – 2 – VBAT) ÷ R12
Это предотвращает нагрев и газообразование глубоко разряженного аккумулятора, когда зарядка проходила бы с максимальным током.
После превышения порога низкого напряжения аккумулятора внутренняя цепь, отвечающая за подзарядку, отключается. И за регулирование тока зарядки отвечает Q1, управляемый из цепи компаратора, измеряющего падение на соединённых параллельно резисторах R1 и R2. Ток зарядки устанавливается в соответствии с выражением:
IMAX CHG = VILIM ÷ (R1||R2)
Для сопротивлений, указанных на схеме, ток зарядки составляет 0,5 А (Vilim = 250 мВ).
⚠️ При использовании зарядного устройства в буферной схеме следует соответствующим образом подобрать его значение. Для того чтобы за заданное время успеть подзарядить аккумулятор, нагруженный питаемой схемой.
Зарядка максимальным током продолжается до достижения аккумулятором напряжения перезарядки (Boost) 14,7 В, которое поддерживается зарядным устройством. Величина напряжения Vboost рассчитывается по формуле:
VBOOST = VREF × (RA + RB + RC//RD) ÷ RC//RD
Режим поддержания (Float)
Подзаряжаемый аккумулятор снижает потребляемый ток. При падении напряжения на резисторах R1/R2 достигает 25 мВ (10 % тока зарядки), схема переходит в режим поддержания (Float).
Аккумулятор заряжен на 100 %, когда напряжение на его клеммах составляет 13,8 В. Величина напряжения Vfloat рассчитывается по формуле:
VFLOAT = VREF × (RA + RB + RC) ÷ RC
Если потребляемый ток не превышает тока зарядки, зарядное устройство выполняет функцию блока питания системы, поддерживая на аккумуляторе напряжение поддержания. Если потребляемый ток больше, напряжение на разряжаемом аккумуляторе снижается, и цикл зарядки повторяется.
Два режима работы float/boost позволяют быстро подзарядить аккумулятор и поддерживать его в надлежащем состоянии в течение всего срока эксплуатации.
Индикация состояний
Диоды ST1 и ST2 сигнализируют о состоянии работы схемы. Оптрон разделяет цепь сигнализации и изменения порогов зарядки без потери возможности сигнализации внутренних состояний схемы диодом ST1.
Зарядное устройство сигнализирует о трёх состояниях зарядки:
Состояние Индикация Условие
Bulk ST1 светится Напряжение аккумулятора ниже порога 95 % Boost
Boost Светятся оба диода Идёт зарядка максимальным током
Float Оба диода гаснут Аккумулятор заряжен
Внутренний автомат обеспечивает цикличность процесса зарядки в зависимости от состояния аккумулятора.
Встроенная в U1 схема компенсации напряжения зарядки обеспечивает коррекцию напряжения зарядки. В зависимости от температуры схемы, соответствующую характеристике гелевого аккумулятора.
Монтаж
Устройство собрано на небольшой двусторонней печатной плате, монтажная схема которой показана на рисунке.
Транзистор Q1 устанавливается на радиаторе. Место контакта с радиатором следует смазать теплопроводящей пастой.
Монтаж устройства не требует описания. При этом из-за компенсации напряжения зарядки необходимо обеспечить:
Первое, одинаковые температурные условия для аккумулятора и микросхемы U1;
Наконец вентиляцию радиатора Q1, чтобы он не влиял на измерение температуры.
Когда требуется больший ток зарядки (до 1,5 А), транзистор Q1 следует разместить на внешнем радиаторе.
Плата позволяет адаптировать устройство и к остальным описанным в технической документации режимам — путём соответствующего монтажа элементов Ra–Rd.
Каждый из резисторов, задающих напряжения, состоит из двух элементов, соединённых последовательно. Это сделано для облегчения подбора значений из типовых резисторов с допуском 1 % . Пример, при установке режимов работы для 6-вольтового аккумулятора или при подгонке напряжений для режимов циклической работы/поддержания.
Первый запуск блок питания буферный
Первый запуск стоит провести от лабораторного блока питания с измерением тока.
После подключения разряженного и защищённого соответствующим образом подобранным плавким предохранителем аккумулятора (и нагрузки) необходимо проконтролировать:
величину напряжения зарядки;
правильность переключения порогов;
сигнализацию внутренних состояний U1.
