Admin

Лабораторный блок питания с функцией зарядки аккумуляторов

В. КИБА, г. Волжский Волгоградской обл.

После проведённой модернизации лабораторный блок питания (ЛБП), описание которого приведено в статье автора "Мощный инверторный лабораторный блок питания" ("Радио", 2023, № 12, с. 16—25), может заряжать аккумуляторы. Больше всех модернизация коснулась блока управления (БУ). Ранее применённый в нём модуль Arduino Nano пришлось заменить более совершенным модулем LGT8F328P, что позволило реализовать в ЛБП функцию зарядки аккумуляторов. Теперь вместо двух знаков после запятой на дисплее выводятся три знака, что повысило точность измерения. В блок силовой (БС) был добавлен узел защиты силовых транзисторов от перегрузки с отключением импульсов управления.


Модуль LGT8F328P по размерам и функциям является почти полным аналогом Arduino Nano, только с лучшими параметрами. Два этих модуля по боковым контактам полностью совместимы и в этом смысле частично взаимозаменяемы. Для нового модуля надо добавить собственное ядро, которое будет доступно в менеджере плат при добавлении в настройках Arduino IDE ссылки <https://raw.githubusercontent.com/ dbuezas/lgt8fx/master/package_ Igt8fx_index. json>.
После загрузки в менеджере плат Arduino IDE надо выбрать LGT8F328, как показано на рис. 1—рис. 3. С другими версиями, например LGT8F328P-LQFP32 MiniEVB, компиляция прошла с ошибками, хотя с обратной стороны на плате написано LGT8F328P-LQFP32 MiniEVB, но без "танцев с бубном" там не обойтись. С используемой версией модуля LGT8F328 Arduino IDE работает практически как с платой Arduino Nano.
При модернизации было решено не делать зарядное устройство для всех типов аккумуляторов, как в универсальных ЗУ, и тем более для Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов, а только для тех, которые у меня используются. Но несложно ввести свои типы аккумуляторов и доработать алгоритмы зарядки. Но памяти микроконтроллера может не хватить на все типы аккумуляторов, она и так уже заканчивается.


Теперь в ЛБП с функцией зарядки десять режимов работы, переключаемых циклически по кольцу кнопкой эн-кодера, которые перечислены по порядку:

• — POWER, в этом режиме можно регулировать выходное напряжение;
• — CURRENT — режим установки ограничения тока, через 10 с после регулировки устройство переходит в режим POWER;
• — DRELL — устанавливается выходное напряжение 20 В (у меня дрель на напряжение 24 В, и, чтобы каждый раз при включении не выставлять напряжение для её питания, на выходе устанавливается именно это напряжение);
• — Li-Ion 2S — режим зарядки бата-
• реи из двух литиевых аккумуляторов, зарядка отключается при достижении заданного напряжения;
• — Li-Ion 3S — режим зарядки батареи из трёх аккумуляторов, зарядка отключается при достижении заданного напряжения;
  
• — Li-Ion 4S — режим зарядки батареи из четырёх литиевых аккумуляторов,
  
• зарядка отключается при достижении заданного напряжения;
• — Li-Ion 5S — режим зарядки батареи из пяти литиевых аккумуляторов, зарядка отключается при достижении заданного напряжения;
• — Li-Ion 6S — режим зарядки батареи из шести литиевых аккумуляторов, зарядка отключается при достижении заданного напряжения;
• — Plumbum — режим зарядки батареи автомобильного свинцового аккумулятора с номинальным напряжением 12,6 В. При достижении напряжения 14,5 В ток зарядки уменьшается в два раза, зарядка отключается при достижении заданного предела напряжения 16,5 В. Перед включением режима зарядки аккумулятора устанавливают ток зарядки — 10 % от номинальной ёмкости батареи, и при нажатии на кнопку зарядки аккумулятора это значение запоминается, и по нему контролируется процесс окончания зарядки;
• — Plum_Gel — режим зарядки гелевой свинцовой аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 12,6 В. На каждой батарее указано предельное напряжение зарядки в виде надписи Cycle use 13.8-14.1V. Это напряжение немного отличается от установленного порога 14 В. При достижении этого порога ток зарядки ступенчато уменьшается на 0,1 А, и зарядка отключается при уменьшении тока на 50 %. Перед включением режима зарядки аккумулятора устанавливают ток зарядки — 10 % от его номинальной ёмкости, и при нажатии на кнопку энкодера это значение запоминается, и по нему контролируется процесс окончания зарядки.

При включении режима зарядки аккумулятора (или батареи аккумуляторов) сначала устанавливается минимальное напряжение батареи (3 В), умноженное на число встроенных аккумуляторов в батарее (кроме свинцовых аккумуляторов), и потом повышается напряжение до включения режима стабилизации зарядного тока. В процессе зарядки можно регулировать ток зарядки аккумулятора. По окончании зарядки устройство издаёт трёхкратный звуковой сигнал и переходит в режим регулировки напряжения на выходе в режиме POWER с установкой минимального напряжения на выходе устройства.


Для контроля температуры заряжаемого аккумулятора (батареи) можно подключить датчик температуры на микросхеме DS18B20. При превышении температуры заряжаемого аккумулятора 40 °C режим зарядки отключается с выходом в режим POWER с установкой минимального напряжения на выходе устройства. Датчик температуры подключается с помощью компьютерного разъёма USB-A (рис. 4), но это на усмотрение конечного пользователя, мне было так удобно, кому-то будет удобнее применить другой разъём.
На дисплее (рис. 5) в его верхней центральной части большим шрифтом выводится информация о напряжении и токе, слева мелким шрифтом выводится информация о температуре теплоотвода силовых транзисторов, справа — частота вращения вентиляторов. В нижней части дисплея слева вверху выводится режим работы, внизу слева — значение ШИМ, справа выводится значение порога ограничения выходного тока, в правой нижней части — вверху температура заряжаемого аккумулятора, внизу — продолжительность зарядки аккумулятора (батареи). Обновление информации на дисплее происходит через 0,5 с, в режиме зарядки — один раз в 1 с.
Далее в модернизированном ЛБП будут описаны только те узлы, в которые были внесены изменения. Начнём с блок-схемы, показанной на рис. 6. Дополнительно введены четыре провода, соединяющие контакты +12 В, Uref, DTC и GND БС и блока регулировки (БР), которые предназначены для контроля тока защиты выходных транзисторов. В БС добавлена система защиты от перегрузки силовых транзисторов, и при её срабатывании блокируются управляющие импульсы, поступающие на силовые транзисторы от БР.


На рис. 7 показана схема модернизированного БУ. В нём модуль Arduino Nano заменён модулем LGT8F328P, микроконтроллер которого работает на частоте 32 МГц от внутреннего RC-генератора. Этот режим работы можно установить во вкладке "Инструменты" (Tools) и называется Clock Source. Обратной совместимости с платой Arduino Nano нет, поскольку в LGT8F328P есть функции, которых нет в Arduino Nano и которые применяются в этом устройстве. Добавлен второй датчик температуры ВК2, измеряющий температуру заряжаемого аккумулятора. При превышении температуры аккумулятора выше 40 °C его зарядка прекращается. Добавлена кнопка SB1 для включе-ния/отключения режима зарядки аккумулятора (батареи). Добавлен акустический сигнализатор НА1, озвучивающий также нажатия на кнопки.

Произведены и изменения в программе. Теперь измерения напряжения и тока производятся с помощью 12-раз-рядного АЦП, что повысило точность измерений, особенно для Li-Ion аккумуляторов. Также пришлось перевести ШИ-регулировку (PWM) выходного напряжения с восьми разрядов (256 значений) на 12 разрядов (4096 значений), что повысило плавность регулировки напряжения и тока. Если для регулировки выходного напряжения 256 значений хватало, то при переключении ШИ-регулировки на одно значение ток зарядки увеличивался сразу на 0,5 А, что было неприемлемо для стабилизации зарядного тока. В результате испытаний остановился на 12-разрядной PWM, что обеспечило плавность регулировки зарядного тока. Этот режим можно реализовать только на выходе D9 модуля LGT8F328P, поскольку его работу обеспечивает 16-разрядный таймер 1. И ещё было обнаружено, что длительность импульса PWM немного "плавает", что в Arduino Nano, что в LGT8F328P, но ничего с этим сделать не смог. Если на индикацию напряжения это влияет не сильно, то на показаниях тока последние цифры могут "плавать", что влияет на функцию стабилизации тока, поскольку влияние этого эффекта при измерении тока более значительно, чем на измерение напряжения.


Для ускорения реакции микроконтроллера модуля LGT8F328P на события, происходящие при работе устройства, все функции, требующие этого, работают по прерыванию таймера 2 с периодом 1 мс. Поскольку часть функций измерения напряжения оказалась несовместимой с микроконтроллером LGT8F328P, пришлось для коррекции показаний вольтметра ввести в схему подстроечный резистор R2. На рис. 8 показана модернизированная плата БУ, собранная на макетной плате. На ней видно расположение элементов, но кто-то может предпочесть свой вариант.
Схема блока регулировки (БР) показана на рис. 9. Здесь изменения коснулись добавления разъёма ХР1 для подачи напряжения 5 В на вывод 4 (DTC) микросхемы DA1 (TL494IN) и блокировки импульсов управления силовыми транзисторами. Сигнал включения блокировки поступает с БС. Конденсатор С9 подавляет помехи, поступающие со стороны этого блока.

В процессе работы появилась идея, как избавиться от БР и возложить его функции на БУ. В микроконтроллере LGT8F328P присутствует дополнительный четвёртый 16-разрядный таймер 3 с дополнительными выходами. Были реализованы ШИ-сигналы (выводы DO и D2 модуля) — два коротких положительных импульса со сдвигом 180 градусов между ними, с помощью которых была попытка реализовать свою идею. Но там возникла проблема, поскольку регулировка напряжения от минимума до максимума укладывается в очень узкий интервал регулировки длительности импульса 0,5...2 мкс, но, возможно, придётся ещё добавить частотную модуляцию, но пока эта идея в разработке. Дело в том,что в реализованном устройстве получается так, что из БУ ШИ-сигнал поступает в БР, где он преобразуется в аналоговый сигнал с помощью двойного RC-фильтра, а потом преобразуется снова в ШИ-сигнал для подачи его на блок драйвера (БД). Но пока вернёмся к описанию устройства. БР оказался очень чувствителен к разным импульсным помехам, особенно к тем, которые создаёт БС. Для их подавления по цепям питания были установлены дополнительные плёночные конденсаторы, что позволило добиться стабильной работы. На рис. 10 показана смонтированная модернизированная плата БР.

Модернизированная схема БС показана на рис. 11. В него добавлен трансформатор токаТ1, преобразующий ток силовых транзисторов в напряжение, которое выпрямляет диодный moctVDI, а при превышении установленного порога открывается симис-тор VS1. Через него и излучающий диод оптрона U1 протекает ток, фототранзистор оптрона открывается, и напряжение блокировки импульсов силовых транзисторов поступает на БР. Конденсатор С11 подавляет помехи по цепи питания 12 В, наводимые импульсами при
работе БС. Конденсаторы С7 и СЮ применены на напряжение 100 В, поскольку во время экспериментов конденсатор СЮ на напряжение 63 В был пробит. Собранная плата БС показана на рис. 12.

Теплоотвод, на котором размещены силовые транзисторы, через плёночный конденсатор ёмкостью 1 мкФ на напряжение 100 В был подключён к линии питания -300 В, чтобы уменьшить помехи, влияющие на работу БР. Вариант подключения этого конденсатора показан на рис. 13. Конденсатор одним выводом припаян к диоду, установленному в БД, вывод которого подключён к линии питания -300 В, другой вывод конденсатора припаян к металлическому лепестку, который привинчен к стойке, установленной на теплоотводе. Этот конденсатор на схеме не показан.


Можно было бы теплоотвод напрямую подключить к линии питания -300 В, но в случае пробоя изолирующей прокладки у силовых транзисторов будет "фейерверк", а так выйдет из строя только конденсатор, показывающий, что пора менять изолирующие прокладки под транзисторами. Оказалось, что теплоотвод, "висящий в воздухе” и никуда не подключённый, создаёт помехи, нарушающие нормальную работу БР.
Передняя панель модернизированного ЛБП показана на рис. 14. На неё добавлена кнопка включение/отключе-ние режима зарядки аккумуляторов (справа вверху жёлтого цвета), внизу слева — разъём USB-A для подключения датчика температуры, над ним — разъём 5,5x2,1 мм, подключённый параллельно к выходному разъёму для удобства пользования, поскольку есть много устройств с таким разъёмом. С его помощью подключаю аккумуляторы для зарядки, кроме свинцового автомобильного аккумулятора, поскольку у него зарядной ток — 5...6 А, а этот разъём не рассчитан на такой ток. Расположение элементов с обратной стороны передней панели показано на рис. 15.


Все новые платы изготовлены из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертёж платы БР и схема размещения на ней элементов показаны на рис. 16. Чертёж платы БС показан на рис. 17, а схема размещения элементов — на рис. 18 и рис. 19. Они рассчитаны на установку постоянных резисторов МЛТ, С2-33, резисторов для поверхностного монтажа типоразмеров 1210, 1206, оксидных конденсаторов К50-35 или импортных, конденсаторов К10-17, К73-17, К78-2 или импортных аналогов. Трансформатор тока Т1 в БС — от сварочного инвертора BRIMA 220 ММА, в нём есть отверстие, через которое надо пропустить провод сечением 4 мм2, соединяющий трансформатор Т2 с силовыми транзисторами. Резистор R12 в БС — RX24 в металлическом корпусе и мощностью 50 Вт, он закреплён с помощью винта на теплоотводе диодов БС. Диодный мост VD1 в БС — для поверхностного монтажа.

Налаживание этого ЛБП заключается в коррекции в БУ резистором R2 измеренного напряжения на выходе устройства. В БР резистором R12 устанавливают напряжение 1,5 В на выводе 4 микросхемы DA1 (TL494IN), резистором R14 устанавливают минимальное напряжение на выходе — 3 В, резистором R8 устанавливают верхний предел выходного напряжения. К выходу устройства подключают нагрузку с амперметром и резистором R6 в БУ устанавливают показания прибора в соответствии с измеренным током нагрузки. Резистором R7 в БС устанавливают порог срабатывания защиты силовых транзисторов. После срабатывания защиты, чтобы восстановить работоспособность ЛБП, надо выключить устройство и снова его включить. В БУ в модуле А2 с помощью встроенного подстроечного резистора устанавливают на выходе модуля напряжение 9 В.
При первом включении надо установить желаемое напряжение на выходе, ток ограничения нагрузки и токи зарядки аккумуляторов и нажатием на кнопку энкодера длительностью более 3 с сохранить установленные параметры в EEPROM микроконтроллера. При последующих включениях этот ЛБП будет включаться с установленными параметрами.

Все библиотеки, которые применены в программах, можно загрузить с сайта <https://github.com/ru-doc>.
От редакции Скетч для LGT8F328, чертежи печатных плат в программе Sprint-Layout в авторском и редакционном вариантах находятся по адресу http://ftp. radio. ru/pub/2024/02/lbp-zu.zip на нашем FTP-сервере

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК