В настоящее время большая часть электронных устройств запитывается с помощью свинцово-кислотных батарей. В этой статье мы рассмотрим как перезаряжать подобные батареи с помощью простой схемы на Arduino, которую можно собрать в домашних условиях – отличный шанс сэкономить на покупке зарядного устройства.
Для начала постараемся понять основные принципы работы свинцово-кислотных батарей чтобы мы смогли спроектировать наше зарядное устройство максимально эффективным образом. Большинство продающихся в настоящее время свинцово-кислотных батарей имеют напряжение 12 В. Ампер-часы (А*ч) каждой батареи могут отличаться в зависимости от требуемой емкости батареи, к примеру батарея на 7 А*ч будет способна обеспечивать ток 1 Ампер в течение 7 часов (1 Ампер * 7 часов = 7 А*ч).
Рекомендуемый ток заряда для свинцово-кислотных батарей составляет 1/10 от их емкости (в Ампер-часах). То есть для батареи емкостью 7 А*ч рекомендуемый ток заряда будет составлять 0,7 Ампер. Больший ток заряда может нанести вред батарее и уменьшить срок ее службы. Учитывая данный фактор мы и будем проектировать наше домашнее зарядное устройство, способное обеспечивать переменное напряжение и переменный ток. Ток заряда будет регулироваться на основе значения емкости батареи.
Создаваемое нами устройство для заряда свинцово-кислотных батарей можно будет использовать и для заряда ваших мобильных телефонов при помощи соответствующей регулировки подаваемого тока и напряжения с помощью потенциометра. То есть наше устройство представляет собой источник регулируемого постоянного тока, которое работает от сети переменного тока. Также для лучшего понимания материала этой статьи можно прочитать недавно рассмотренный на нашем сайте проект источника напряжения питания 0-24В 3А на Arduino и LM338.
Необходимые компоненты
- Трансформатор на 12В 1А.
- Микросхема LM317 (2 шт.) (купить на AliExpress).
- Диодный мост W005.
- Контактная колодка (2 шт.).
- Конденсаторы 1000 мкФ (купить на AliExpress) и 1 мкФ (купить на AliExpress).
- Конденсаторы 0,1 мкФ (5 шт.) (купить на AliExpress).
- Резистор 1 кОм (5 шт.) (купить на AliExpress).
- Диоды Nn007 (3 шт.).
- Операционный усилитель LM358 (купить на AliExpress).
- Шунтирующее сопротивление (проводник) 0.05 Ом (купить на AliExpress).
- Плата Arduino Nano (опционально) (купить на AliExpress).
- ЖК дисплей 16х2 (опционально) (купить на AliExpress).
Аналоги LM317
Что делать, если нет возможности использовать LM317? Можно воспользоваться ее аналогами. Братьями-близнецами данного компонента являются UPC317, GL317, ECG1900 и SG317. Отечественный же аналог — это KP142EH12A, а также существует KP142ЕН12 с фиксированным напряжением.
Если LM317 не хватает мощности для вашего проекта, то можно воспользоваться более мощными вариантами:
- LM350AT и LM350T – максимальный выходной ток 3А и мощность 25Вт
- LM350K – ток 3 А и мощность 30 Вт
- LM338T и LM338K – ток 5 А
Все эти микросхемы имеют одинаковые выводы, поэтому схемы не придется никак менять.
Работа схемы
Схема зарядного устройства без платы Arduino и ЖК дисплея представлена на следующем рисунке.
Основная цель нашего источника питания на 12 В – управлять напряжением и током, подаваемым на свинцово-кислотную батарею чтобы заряжать ее в максимально комфортном для нее режиме. Для этой цели в схеме использованы две микросхемы LM317 – одна для управления значением напряжения (U3), а вторая (U1) для ограничения тока. Также мы настоятельно рекомендовали бы вам изучить даташит на микросхему LM317, поскольку это может пригодиться вам не только для этого проекта, но и для других похожих проектов, в которых данная микросхема используется в качестве регулятора напряжения.
Простая схема регулятора напряжения, взятая из даташита на LM317, представлена на следующем рисунке.
В этой схеме значение выходного напряжения регулируется с помощью значений сопротивлений R1 и R2, в нашем проекте мы это делаем с помощью изменения сопротивления резистора R2. Формула для вычисления значения выходного напряжения выглядит следующим образом:
Vout = 1.25 (1+R2/R1).
Используя данную формулу мы в нашем проекте выбрали значение сопротивления 1K (R8) и использовали потенциометр 10К (RV2).
Схема ограничения значения тока, взятая из даташита на LM317, представлена на следующем рисунке.
Это простая схема, которая может быть использована для ограничения значения тока в нашей схеме, основанная на значении сопротивления R1. Формула для вычисления значения выходного тока выглядит следующим образом:
Iout= 1.2/R1.
Основываясь на этой формуле мы в нашей схеме выбрали значение сопротивления RV1=100 Ом.
То есть для управления значениями выходных напряжения и тока мы в нашей схеме использовали два потенциометра — RV1 и RV2. На микросхему LM317 напряжение подается с выхода диодного моста, а на диодный мост – с выхода трансформатора через коннектор P1. Трансформатор должен быть на 12 В и 1 А. Представленная схема достаточна для того чтобы выполнять поставленную функцию – обеспечивать на выходе схемы заданные ток и напряжение. Но ее можно улучшить с помощью ЖК дисплея, на экране которого можно наглядно контролировать указанные параметры.
↑ Режим зарядки по току
Мне позвонил друг и сказал, что ему нужно зарядное устройство к шуруповерту на дачу. C его слов, аккумуляторов в батарее 10 штук емкостью 1400 мА-час. Значит, требуется заряжать батарею 12 Вольт. Аккумуляторы никель-кадмиевые, для них возможны три режима зарядки: «А» — медленный, током 0,1 от ёмкости, время зарядки 14-16 часов; «Б» — сверхбыстрый, током от 1 до 4 ёмкости, время порядка 1 часа; «В» — ускоренный, током примерно 0,25 от ёмкости, время зарядки 4-6 часов.
На мой взгляд, вариант «А» слишком медленный, пока батарея зарядится, или желание работать пропадет, или будет пора уезжать.
Вариант «Б» рискован, велика вероятность взрыва или выхода из строя батареи, для предотвращения этого нужен контроль за температурой каждого элемента, схема должна быть сложной, лучше на микроконтроллере, для него придется писать и отлаживать программу, далеко не все аккумуляторы могут выдержать такой режим, особенно герметичные.
Остается режим «В» — вечером батарея ставится на зарядку, утром аккумуляторы полностью заряжены, заряд полный, вероятность проблем минимальна.
Анализ промышленных схем удивил. В них обычно нет стабилизации тока, ограничение происходит за счет сопротивления вторичной обмотки питающего трансформатора. Значит при отклонении сетевого напряжения или не будет полной зарядки, или ток значительно возрастет. У нас ток зарядки будет стабилизирован
на заданном уровне, что полностью избавляет от указанных недостатков.
Отображение значений напряжения и тока на ЖК дисплее с помощью Arduino
Отображать текущие значения напряжения и тока на выходе нашей схемы мы можем с помощью платы Arduino Nano и ЖК дисплея 16х2.
Поскольку плата Arduino Nano работает с напряжениями не более 5 В, то для того чтобы не сжечь ее напряжением 12 В мы применим делитель напряжения, схема которого представлена на следующем рисунке. Также вопросы контроля значения напряжения на выходе схемы с помощью платы Arduino можно изучить в статье про источник напряжения питания 0-24В 3А на Arduino и LM338.
Для измерения значения тока мы использовали шунтирующее сопротивление R4 чтобы создать падение напряжения на резисторе как показано на следующей схеме. После этого мы можем легко определить значение тока, используя известный закон Ома – I=V/R.
Значение шунтирующего сопротивления мы выбрали равным 0.05 Ом, поэтому максимальный ток, который можно пропускать через нашу схему, будет равен 1,2 А, что соответствует выбранным нами параметрам трансформатора. Мощность, рассеиваемую на резисторе, можно будет определить с помощью известного выражения P=I^2/R. В нашем случае получаем P=(1.2*1.2*0.05) => 0.07, что менее чем четверть ватта. При изменении значения шунтирующего сопротивления рассеиваемую мощность необходимо будет пересчитать.
Теперь, когда мы можем рассчитать падение напряжения на резисторе R4, мы можем рассчитать ток через нашу схему с использованием Arduino. Но это падение напряжения слишком мало для того, чтобы его можно было измерить с помощью Arduino. Поэтому в нашей схеме мы применили операционный усилитель LM358 как показано на выше приведенном рисунке. Сигнал с выхода данного операционного усилителя подается на нашу плату Arduino через R-C-схему чтобы измерять значение тока и отображать его на ЖК дисплее.
Далее можно использовать какой-нибудь симулятор (рекомендуется) для проверки работоспособности схемы прежде чем собирать ее в «железе». Мы данном случае использовали симулятор Proteus 8 для тестирования схемы как показано на следующем рисунке. Скачать готовый файл нашей схемы для данного симулятора вы можете по следующей ссылке.
↑ Критерий отключения
Итак, токовый режим выбран, следующий и самый сложный этап — выбор критерия отключения зарядки. Обычно используются: • отключение по таймеру, • по достижению порогового напряжения, • по мизерному падению напряжения при полной зарядке, • по температуре батареи.
Проблема в том, что в одних случаях реализация сложна, в других ненадежна. Приемлемый вариант — пороговое напряжение
, но если хотя бы один элемент плохой, напряжение никогда не достигнет порогового уровня. Поэтому я рекомендую при первой зарядке проконтролировать напряжение конкретной батареи. В литературе написано, что напряжение полной зарядки на элемент составляет 1,45-1,48 В.
Создание печатной платы для нашего устройства
Данная статья является переводом с этой статьи на англоязычном сайте и раздел про создание печатной платы я не переводил потому что подходы, использованные авторами статьи-оригинала для создания печатной платы, могут кардинальным образом отличаться от тех подходов, которые используете вы. Поэтому если вы хотите реализовать рассмотренное в данной статье зарядное устройство на 12 В на печатной плате, то можете сделать это любым удобным для вас способом (к которому вы привыкли). У авторов статьи-оригинала в результате получилось устройство следующего вида:
Как проверить LM317?
В отличие от транзисторов, данную микросхему невозможно проверить мультиметром. Такой способ никак не гарантирует правильную работу из-за большого количества внутренних элементов, не соединенных с выводами. Поэтому, если какой-то из них выйдет из строя, то проверить это мультиметром будет проблематично. Самый простой способ проверки работы LM317 — это создать простейший стенд на макетной плате, а запитать его можно будет всего лишь от батарейки.
Таким образом, вы сможете быстро убедиться в полностью рабочем состоянии элемента, даже если необходимо проверить несколько штук.
Тестирование зарядного устройства
Плата Arduino и ЖК дисплей не являются обязательными элементами для нашей схемы – они используются только для целей контроля, поэтому вы можете временно смонтировать их на схеме с помощью специальных колодок, чтобы потом можно было легко их убрать и использовать в других проектах.
Для тестирования устройства удалите с нее плату Arduino и подсоедините схему к трансформатору. После этого отрегулируйте выходное напряжение к требуемому уровню с помощью потенциометра RV2. Проверьте выходное напряжение схемы с помощью мультиметра и подсоедините ее к батарее как показано на следующем рисунке. Теперь наше устройство готово к работе.
Прежде чем подсоединять плату Arduino к нашей схеме удостоверьтесь что на контакте, к которому мы будем ее подсоединять, напряжение не превышает 5 В, иначе мы можем испортить плату Arduino. Используйте ниже приведенный текст программы для загрузки его в плату Arduino. Эта программа предназначена для отображения значений тока и напряжения на экране ЖК дисплея. Более подробно весь этот процесс показан в видео в конце статьи.
Данное устройство можно использовать и для заряда сотовых телефонов, но для этого необходимо будет уточнить какие значения напряжения и тока требуются для заряда вашего сотового телефона. Также к схеме необходимо будет подсоединить USB кабель.
Виды LM317
Микросхема продается в нескольких варианта корпуса, в зависимости от потребности в размерах, нагрузки и подключении, а также типу монтажа схемы — каждый может выбрать наиболее подходящий ему вариант.
Наиболее популярна LM317T в корпусе TO-220 на 1.5 Ампер. Это считается универсальным вариантом, так как может использоваться в навесном монтаже, а также поверхностном. Радиатор в таком корпусе позволяет отводить излишнее тепло и испытывать более серьезные нагрузки, чем его собратья, а при необходимости его можно прикрепить к большему радиатору.
