Duże akumulatory o pojemnościach rzędu
kilkudziesięciu i więcej amperogodzin za-
zwyczaj ładowane są za pomocą prymityw-
nych prostowników, zawierających transfor-
mator, mostek diodowy i ewentualnie rezys-
tor dużej mocy (np. kawałek grubej spirali
grzejnej), ograniczający prąd do bezpiecznej
wartości. Rysunek 1 pokazuje przykłady
realizacji. W zasadzie takie prostowniki mogą

z powodzeniem ładować akumulatory pod
warunkiem, że nie zostanie przekroczony
maksymalny prąd ładowania, zazwyczaj rów-
ny 0,3C i że akumulator nie zostanie przeła-
dowany wskutek zbyt długiego ładowania.
Niestety, często się zdarza, że akumulator
przez przeoczenie jest ładowany zbyt długo.
Każde przeładowanie jest szkodliwe - nieko-
rzystnie odbija się na trwałości akumulatora
i zmniejsza dostępną pojemność.

Niestety, wspomniane klasyczne prostow-

niki nie mają żadnych obwodów uniemożli-
wiających przeładowanie. Jeśli napięcie
(szczytowe) z transformatora jest znacznie
większe od napięcia akumulatora, trzeba sto-
sować rezystory ograniczające prąd i wtedy
podczas ładowania, gdy napięcie na akumula-
torze rośnie z około 12 do 15V, wartość prądu
praktycznie się nie zmienia – ilustrują to czer-
wone krzywe na rysunku 2. Trochę lepiej
jest w prostownikach, gdzie napięcie (szczy-
towe) transformatora jest niewiele większe
od 12V. Wtedy przy wzroście napięcia aku-
mulatora z 12 do 15V prąd znacząco spada –
pokazują to niebieskie krzywe na rysunku 2.
W praktyce realizuje się to za pomocą trans-
formatora z odczepami (np. wg rysunku 1c),
ale i tak uzyskanie pożądanego efektu
zmniejszenia prądu ładowania do bezpiecznej
wartości jest wręcz niemożliwe, głównie ze
względu na nieuniknione wahania napięcia
sieci energetycznej w ciągu doby.

Aby zapobiec przeładowaniu, trzeba

zastosować dodatkowe środki, radykalnie
zmniejszające prąd ładowania, gdy napięcie
akumulatora zbliża się do 15V. W EdW

1/2003 opisana była ładowarka akumulato-
rów ołowiowych, przeznaczona do pracy
przy prądach sięgających 2A. Teoretycznie
tamten układ mógłby pracować przy dużo
większych prądach, bo zastosowany tranzys-
tor mocy ma prąd maksymalny ponad 20A.
Poważnym ograniczeniem okazuje się jednak
moc strat tranzystora szeregowego.

Aby obejść to ograniczenie, opracowany

został układ impulsowy, w którym tranzystor
albo jest zatkany, albo w pełni otwarty. Redu-
kuje to straty mocy w tranzystorze do zaska-
kująco małej wartości. Ta cenna zaleta oku-
piona jest jednak drobną niedogodnością –
układ nie ma ogranicznika prądu ładowania,
tylko układ regulacji napięcia końcowego.
Nie jest to jednak nawet w najmniejszym
stopniu wadą, bo prezentowany układ jest
przystawką do dowolnego klasycznego pros-
townika. Na początku ładowania tranzystor
jest w pełni otwarty i prąd jest wyznaczony
przez właściwości prostownika. Gdy napięcie

13

Projekty AVT

Elektronika dla Wszystkich

Ł

Ł

a

a

d

d

o

o

w

w

a

a

r

r

k

k

a

a

a

a

k

k

u

u

m

m

u

u

l

l

a

a

t

t

o

o

r

r

ó

ó

w

w

o

o

ł

ł

o

o

w

w

i

i

o

o

w

w

y

y

c

c

h

h

1

1

0

0

.

.

.

.

.

.

2

2

0

0

0

0

A

A

h

h

2

2

7

7

1

1

5

5

!!

!!

!!

Rys. 2

Rys. 1

akumulatora wzrośnie, tranzystor jest na
pewien czas zatykany, przez co średni prąd
ładowania maleje. Regulacja prądu ładowania
polega na okresowym włączaniu i wyłączaniu
prądu ładowania. Podstawowa idea pokazana
jest na rysunku 3. Podczas realizacji tego pro-
jektu najpierw wypróbowano układ z regulac-
ją fazową prądu, w tym wersję, gdzie tranzys-
tor MOSFET włączany był na początku każ-
dego półokresu, a następnie gdzieś w trakcie
tego półokresu wyłączany. Przypomina to
regulację fazową z wykorzystaniem tyrystora,

ale odwrotnie niż w tyrystorze tranzystor jest
wyłączany w trakcie trwania połówki prze-
biegu. Została nawet zaprojektowana płytka
drukowana, a powstały model został poddany
próbom. Opisany sposób, choć obiecujący,
wymaga rozwiązania kilku problemów, zwią-
zanych z gwałtownym przerywaniem prądu
w uzwojeniu. Klasyczna regulacja „tyrysto-
rowa” po stronie wtórnej też wiąże się z pew-
nymi problemami, dlatego ostatecznie
powstała i została wypróbowana proponowa-
na wersja ze sterowaniem grupowym.

Przy zastosowanej w opisywanym

układzie odmianie regulacji grupowej
tranzystor jest włączany przynajmniej
na jeden pełny okres (dwa półokresy).
Po pierwsze, nie ma wtedy możliwości
przerwania prądu w trakcie okresu, co
gwarantuje, że transformator nie jest
podmagnesowywany prądem stałym.
Po drugie, znacznie ważniejsze, tran-
zystor jest otwierany na początku okre-
su, gdy napięcie z transformatora jest
niskie i nie płynie prąd ładowania. Tak
otwarty tranzystor „czeka” na wzrost
napięcia transformatora, a prąd łado-
wania pojawia się, gdy chwilowe
napięcie transformatora przekroczy
napięcie akumulatora. Jak pokazuje

rysunek 4, prąd ładowania płynie
dokładnie tak, jak w zwykłym prostow-

niku.

Opis układu

Pełny schemat ideowy ładowarki
dużych akumulatorów pokazany
jest na rysunku 5. Układ nie ma
ogranicznika prądu, a maksymal-

ny prąd ładowania (gdy tranzystor jest stale
otwarty) jest tu wyznaczony przez transfor-
mator i ewentualnie ograniczony przez szere-
gowy rezystor lub/i przez żarówkę umiesz-
czoną w obwodzie uzwojenia pierwotnego –
patrz rysunek 1. Parametry tranzystora T3
zazwyczaj nie będą ograniczeniem, ponieważ
zalecany tranzystor BUZ11 ma dopuszczalny
prąd ciągły równy 26A, a w impulsie do
104A. Tymczasem nawet duży akumulator
200Ah jest zwykle ładowany dziesięciogo-
dzinnym prądem 20A.

Kluczową rolę w układzie sterującym pełni

przerzutnik D z kostki 4013 – U2A. Na końcu
pełnego okresu przebiegu sieci przerzutnik ten
jest zerowany przez krótki impuls podawany
na jego wejście R. Na wyjściu Q na pewno
pojawia się wtedy stan niski. Kondensator C1
ładuje się bardzo szybko przez diodę D1
i rezystancję wyjściową przerzutnika. Za
chwilę dodatnie zbocze na wejściu CLK prze-
rzutnika U2A powoduje przepisanie na wyj-
ście Q stanu logicznego z wejścia D. Wejście
to jest dołączone do komparatora, którym
w tym przypadku jest układ TL431 – U1.
Jeśli napięcie na wejściu REF układu TL431
(względem masy i końcówki A) jest mniejsze
niż 2,5V, przez U1 nie płynie prąd, więc na
wejściu D przerzutnika występuje najpraw-
dziwszy stan wysoki. Jeśli napięcie na wej-
ściu REF osiągnie wartość napięcia progowe-
go kostki (2,5V, dokładniej 2,495V±55mV),
przez kostkę U1 i rezystor R7 popłynie prąd.
Napięcie na wejściu D przerzutnika spadnie
do wartości około 2V, co zostanie potraktowa-
ne jako stan niski. Potencjometr PR1 pozwala
regulować napięcie zadziałania komparatora
U1 w zakresie co najmniej 13,5...15V,
co całkowicie wystarcza w praktyce.

14

Projekty AVT

Elektronika dla Wszystkich

Rys. 3

Rys. 4

Rys. 5

Jeśli napięcie akumulatora jest mniejsze

od napięcia zadziałania komparatora, wtedy
po każdym wyzerowaniu przerzutnika U2A
po dodatkowej krótkiej chwili na wyjście Q
wpisywany jest stan wysoki. Kondensator C1
naładowany szybko do napięcia ponad 10V
zostaje „podrzucony do góry”. Oznacza to, że
napięcie na bramce tranzystora staje się o co
najmniej 10V wyższe od napięcia na jego
źródle i tranzystor w pełni się otwiera. Jak
wspomniano, prąd ładowania jeszcze wtedy
nie płynie i otwarty tranzystor „czeka” na
impuls prądu ładowania.

Ważną cechą charakterystyczną układu

jest to, że opisany cykl ładowania C1 i „pod-
rzucania go do góry” nie jest powtarzany
w każdej połówce przebiegu sieci, tylko co
pełny okres, czyli co 20ms. Dzięki temu
zawsze układ przepuści parzystą liczbę połó-
wek sinusoidy, co jest korzystne dla transfor-
matora – prąd pobierany z transformatora nie
zawiera składowej stałej. Przebieg zmienny
z (dowolnego wyprowadzenia) transformato-
ra podawany jest na punkt S. Elementy R2,
D4, D5, R12 są tak dobrane, że tranzystor T1
zatyka się pod koniec dodatniego przebiegu
z punktu S, gdy chwilowa wartość napięcia
z transformatora wynosi około 6V. Natomiast
tranzystor T2 zatyka się nieco później, gdy
chwilowe napięcie przebiegu z punktu S
spadnie poniżej 1V. Przebieg z kolektora T2
jest dodatkowo wyostrzony w nietypowym
przerzutniku Schmitta z układem U2B.
Wyostrzenie zboczy jest tu potrzebne, bo
impuls na wejściu zegarowym CLK musi
mieć bardzo ostre zbocze aktywne (rosnące).

W każdym razie na kolektorach T1 i T2

występują narastające zbocza przesunięte
w czasie o około 1ms.

Wcześniejsze narastające zbocze na

kolektorze T1 dzięki obecności obwodu róż-
niczkującego R8C3 wytwarza krótki (około
0,3ms) impuls zerujący na wejściu R prze-
rzutnika U2A. Nadchodzące nieco później
rosnące zbocze na wejściu zegarowym wpi-
suje aktualny stan wejścia D na wyjście.
Przykładowe przebiegi pokazane są na
rysunku 6.

Jak widać, gdy napięcie akumulatora jest

niższe od progu nastawionego za pomocą
PR1, akumulator jest ładowany pełnym prą-
dem. Gdy napięcie wzrasta, zanikają impulsy
na wyjściu Q U2A i tranzystor T3 nie zostaje
załączony. Tranzystor T3 nie zostanie jednak
od razu definitywnie wyłączo-
ny, ponieważ napięcie na aku-
mulatorze wykazuje niewiel-
kie wahania. W rezultacie
tranzystor będzie coraz częś-
ciej wyłączany i średni prąd
ładowania będzie malał.

Należy zauważyć, iż układ

elektroniczny ładowarki (w
tym U2) zasilany jest napię-
ciem z ładowanego akumula-

tora. Jeśli akumulator nie jest podłączony,
tranzystor szeregowy T3 nie zostanie otwarty.
Takie rozwiązanie między innymi zabezpie-
cza przed uszkodzeniem w przypadku zwar-
cia zacisków (punktów P, N) oraz odwrotne-
go dołączenia akumulatora. Jeśli tranzystor
T3 pozostanie zatkany, omyłkowe zwarcie
lub odwrotne dołączenie akumulatora nie
grozi uszkodzeniem układu (diod mostka
prostowniczego).

Należy zwrócić uwagę, że podczas nor-

malnej pracy dioda Zenera D6 nie przewodzi.
Układ elektroniczny jest zasilany przez rezys-
tor R16 o niewielkiej wartości i diodę Schott-
ky'ego D2. Dzięki temu napięcie zasilające
układ scalony U2 jest mniejsze od napięcia
na akumulatorze tylko o około 0,3V, co nie
ma praktycznego znaczenia. Dioda D6 jest
potrzebna, żeby ograniczyć napięcie zasilania
układu scalonego U2 do bezpiecznej wartości
- napięcie powyżej 20V mogłoby uszkodzić
układ U2 z rodziny CMOS 4000, a mogłoby
się ono pojawić po odłączeniu akumulatora,
przy przewodzącym tranzystorze T3. Dioda
D6 zabezpiecza też układ w przypadku
odwrotnego dołączenia akumulatora - nic
groźnego się nie stanie, ponieważ napięcie na
D2 w kierunku przewodzenia wyniesie około
0,8V, czyli napięcie zasilania układu U2
wyniesie -0,8V. Uniemożliwi to pracę układu,
a co ważne, nie pozwoli otworzyć tranzystora
T3 i tym samym zapobiegnie uszkodzeniu
prostownika. W czasie odwrotnego przyłą-
czenia akumulatora przez rezystor R16 i dio-
dę D6 popłynie prąd nie przekraczający 0,1A.
W praktyce rezystor R16 może mieć mniejszą
rezystancję i mniejszą moc, ponieważ przy
odwrotnym podłączeniu akumulatora natych-
miast głośno odezwie się brzęczyk Y1
i zasygnalizuje pomyłkę. Obecność R15 i R6,
R7 o znacznych wartościach też zabezpiecza-
ją przez uszkodzeniem w przypadku błędne-
go dołączenia akumulatora.

Warto zauważyć, że obwód pomiaru

napięcia akumulatora (R6 i anoda U1) dołą-
czony jest nie do masy układu, tylko wprost
do punktu N. Dzięki temu wyeliminowany
jest wpływ spadku napięcia na D2 i R6. We
wcześniejszej wersji obwody te włączone
były nieco inaczej, dlatego też model pokaza-
ny na fotografii nieco różni się od rysunku
płytki drukowanej. Bodźcem do wprowadze-
nia zmian była też prośba osób, które ocenia-

ły projekt, żeby wprowadzić możliwość łado-
wania akumulatorów 24-woltowych. Obe-
cność R16, D6 oraz R15 umożliwia taką
modyfikację - należy tylko zmienić R5 na
większy. Taki układ nie był jednak testowany
w praktyce.

Montaż i uruchomienie

Opisywany układ jest przystawką do jakiego-
kolwiek (istniejącego) prostownika, dołączo-
ną według rysunku 3. Sterownik można
zmontować na płytce pokazanej na rysunku 7.

Układ zmontowany prawidłowo ze spraw-

nych elementów od razu będzie działał.

Projekt oznaczono dwiema gwiazdkami

tylko dlatego, że opisany moduł będzie częś-
cią większego układu – prostownika, w któ-
rym będą płynąć prądy o wartości kilku,
a nawet kilkunastu amperów. A prądy o ta-
kich wartościach wymagają użycia przewo-
dów o odpowiednim przekroju. Przekrój
2,5mm

2

jest to absolutne minimum.

Zastosowany tranzystor BUZ11 ma do-

puszczalny prąd ciągły równy 26A, a w pra-
ktyce maksymalna wartość (skuteczna) prądu
ładowania nie powinna przekraczać 12...15A.
Tranzystor T3 trzeba wyposażyć w radiator.
Dzięki pracy impulsowej, straty mocy w tran-
zystorze T3 są jednak zaskakująco małe -
przy prądach ładowania do 4...5A radiator nie
jest konieczny, ewentualnie można zastoso-
wać kawałeczek blachy.

Kto chciałby pracować z prądami powyżej

15A, może zmienić popularnego BUZ11 na
MOSFET-a N o większym prądzie i mocy
strat. Ważne, żeby rezystancja tranzystora
w stanie otwarcia była jak najmniejsza, więc
powinien to być MOSFET o możliwe niskim
napięciu pracy 60 lub 100V.

15

Projekty AVT

Elektronika dla Wszystkich

Rys. 6

Rys. 7

W główny obwód ładowania trzeba włą-

czyć tranzystor T3 według rysunku 3a. W ob-
wodach zaznaczonych na rysunku 3a kolorem
czerwonym płyną duże prądy i należy je zrea-
lizować przewodami o przekroju przynaj-
mniej 2,5mm

2

. Lepiej byłoby zastosować

przewody 4mm

2

lub jeszcze grubsze. Nato-

miast w obwodach sterownika płyną znikome
prądy i przewody prowadzące do punktów G,
P, N, S mogą być cienkie. Za pomocą poten-
cjometru PR1 trzeba ustawić napięcie końco-
we ładowania. Według wskazówek producen-
tów akumulatorów przy pracy cyklicznej
wyniesie ono około 15V (zalecana wartość to
14,4V...15V), a przy pracy buforowej około
13,8V (13,5...13,8V). Podane przez producen-
tów wartości napięcia końcowego trzeba trak-
tować jako punkt wyjścia. Ze względu na
znaczne impulsy prądu ładowania, zaleca się
to napięcie końcowe ustawić za pomocą PR1
po dołączeniu akumulatora, w warunkach
realnej pracy. Akumulator ma bowiem nieze-
rową rezystancję wewnętrzną i podczas pracy
napięcie na nim będzie wykazywać niewielkie
tętnienia wynikające z przepływu impulsów
prądu ładowania przez tę rezystancję. Sprawny
akumulator samochodowy ma rezystancję
wewnętrzną rzędu 10m

Ω, zużyty - dużo więk-

szą. Może się więc okazać, zwłaszcza w przy-
padku nieco zużytych akumulatorów, że trzeba
ustawić napięcie końcowe nieco większe od
zalecanego, które dotyczy ciągłego ładowania
prądem pozbawionym tętnień. Ustawione zbyt
niskie napięcie końcowe (napięcie wyłączania
prądu) może poważnie wydłużyć czas potrzeb-
ny do pełnego naładowania akumulatora.

W praktyce najpierw trzeba dobrać rezys-

tor lub żarówkę w obwodzie uzwojenia pier-
wotnego transformatora, by określić maksy-
malny prąd ładowania. Potem należy ustawić
napięcie końcowe za pomocą PR1, kontrolu-
jąc napięcie na akumulatorze i prąd ładowa-
nia. Przy napięciu końcowym prąd ładowania
powinien być niewielki.

Uwaga! Amperomierz – obwód kontroli

prądu jest jak najbardziej zalecany, nie tylko
przy pierwszych próbach. Amperomierz nie
powinien być włączony pomiędzy punkty P, N
według przekreślonego rysunku 8a, ponieważ
wtedy rezystancja amperomierza niepotrzeb-
nie zwiększałaby rezystancję wewnętrzną
akumulatora. Prawidłowy sposób włączenia
amperomierza pokazany jest na rysunku 8b.

Możliwości zmian

Akumulatory kwasowe to kapryśne elementy.
Właściwości poszczególnych egzemplarzy
mogą się znacznie różnić. Dlatego można
wprowadzać pewne zmiany, żeby uzyskać
pożądany efekt odpowiedni dla danego
egzemplarza akumulatora.

Po praktycznych próbach modelu można

wypróbować działanie przy zwiększeniu
pojemności C5 do 1000...2200

µF albo lepiej

z obwodem filtrowania napięcia sterującego
według rysunku 9. Zwiększając pojemność
C5, należy jednak pamiętać o istotnym szcze-
góle: kondensator C5 w jednej z pierwszych
wersji miał znacznie większą pojemność –
wtedy po odłączeniu akumulatora zasilany
przezeń układ sterujący otwierał T3 i dołado-
wywał C5. Oznaczało to, że po naładowaniu
akumulatora układ nie był odporny na zwar-
cie zacisków P, N. Radykalne zmniejszenie
C5 powoduje, że w ciągu półokresu zdąży się
on na tyle rozładować, że po odłączeniu aku-
mulatora niemożliwe będzie otwarcie T3.

Można wypróbować efekt wprowadzenia

niewielkiej histerezy przez dodanie obwodu
według rysunku 10. Histereza wydłuży cykl
pracy w końcowej fazie ładowania, zwiększy
liczbę impulsów ładowania, ale też czas
następującej potem przerwy. Sensowne może
się okazać wprowadzenie zarówno filtrowa-
nia napięcia mierzonego według rysunku 9
oraz takiej histerezy wg rysunku 10, żeby
podczas ładowania końcowe napięcie łado-
wania (górne napięcie przełączania) wynosiło
np. 16V, co uwzględni spadek napięcia na
rezystancji wewnętrznej baterii, a dolne
14,4...15V.

Przedstawiony

układ sterownika nie
ma obwodów kom-
pensacji cieplnej. Nie
jest to potrzebne przy
temperaturach pracy
+5..+35

o

C. Jeśli ktoś

chciałby uzależnić
końcowe napięcie ła-
dowania od tempera-
tury, może dodać dio-
dy szeregowe i do-
brać R5 według ry-
sunku 11.

Jerzy

Częstochowski

16

Projekty AVT

Elektronika dla Wszystkich

Rys. 10

Rys. 11

Rys. 9

Rys. 8

Wykaz elementów

Rezystory
R1,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1MΩ
R2,R3,R7,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7kΩ
R4,R6,R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7,5kΩ
R5,R10,R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30kΩ
R8,R13,R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100kΩ
R16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150Ω min. 1W
PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ PR miniaturowy

Kondensatory
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470nF
C2,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7nF
C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3nF
C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220nF

Półprzewodniki
BR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .mostek prostowniczy
D1,D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148
D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BAT43
D4,D5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED G 3mm
D6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .dioda Zenera C18V 1W
T1,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548
T3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BUZ11
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TL431
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CMOS 4013

Pozostałe
Y1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .piezo z gen.

Uwaga! W skład zestawu AVT-2715 nie wchodzi
transformator TR1 i mostek prostowniczy BR1.

Komplet podzespołów z płytką

jest dostępny w sieci handlowej AVT

jako kit szkolny AVT-2715