Prostownik akumulatorowy z regulacją prądu

Witam szanowne grono komentatorów.

Chciałbym przedstawić wykonany jakiś czas temu prostownik do ładowania akumulatorów samochodowych w dwóch egzemplarzach.
Poprzedni prostownik, jaki wykonałem w roku 1998, nie zapewniał wystarczającej precyzji regulacji - wraz ze zmianami temperatury bardzo "pływał" próg wyłączania. Tamten stary regulator był wykonany na podstawie schematu z jakiegoś miesięcznika - tyrystor + dioda zenera.

Założenia, jakie na etapie projektu sobie postawiłem:

1. Płynna regulacja prądu ładowania (regulowana PWM, ok. 20 Hz), lecz bez jakiejś specjalnej precyzji (do wykorzystania przy próbach galwanizacji);
2. Odcięcie ładowania po przekroczeniu zadanego napięcia;
3. Po odcięciu ładowania ponowne ładowanie po obniżeniu poniżej zadanego progu (tryb odsiarczania);
4. Praca w temperaturach -10°C +30°C;
5. Brak wymuszonego przepływu powietrza (wentylator kiedyś wymięknie);
6. Odporność na deszcz;
7. Dostosowany do aku 6 V i 12 V;
8. Brak mikroprocesorów/wyświetlaczy;
9. Projekt w oparciu o zapasy posiadanych podzespołów (low-cost);
10. Cały projekt w KiCad;
11. Prąd ładowania min. 4 A.

Projekt:
Założenia czysto elektroniczne zostały spełnione w wersji drugiej SCH i PCB.
wersja piersza nie miała regulacji prądu PWM.

PCB i SCH w KiCAD:
Parę elementów w bibliotekach zrobiłem sam, ale nie chciało mi się uzupełniać biblioteki 3D.

Wykonanie:
Odzysk starego prostownika CCCP - posiada podzakresy, ale wszystkie one miażdżą akumulatory - na dzień dobry 10 A na mniejszym zakresie. Bardzo więc się przydaje regulacja prądu.
Środka nie prezentuję, napiszę tylko, że tranzystor wykonawczy jest radiatorowany. Radiator jest tak na wszelki wypadek, bo grzeją się tylko:
-diody prostownicze;
-bocznik amperomierza (robiłem sam, amperomierz to pierwotnie wskaźnik wychyłowy ze wzmacniacza);
-stabilizator 7812;
-transformator (nagrzewa się odrobinę, twarda sztuka).

W środku nie będę prezentował, naprawdę nie ma się czym chwalić, tym bardziej, że ciasno upchałem.
Elektronika przed ewentualnym deszczem jest chroniona wewnątrz obudowy okrywką z grubszego kawałka tworzywa.

Testy:
Z testowanych akumulatorów chyba dwóm przedłużył on żywotność - odsiarczanie - 1 miesiąc. Dwa inne podczas odsiarczania dostały zwarcia - dostałem je gratis na próbę, może się uda coś z nimi zrobić. Niestety ich nienajlepszy stan się jeszcze pogorszył i trafiły na złom.
Inne akumulatory po prostu ładuje i tyle. Co najwyżej, jak się zapomni, to ich nie wygotuje.
Testy na deszczu/śniegu/temperaturze - jak pracuje przy samochodzie i jest to związane z elektryką, to często ładuje akumulator, żeby totalnie nie padł, nawet jak jest deszcz. Przeprowadzone testy nie wykazały ujemnego wpływu deszczu/śniegu/temperatury.
Temperatura wpływa na częstotliwość generatora do PWM i lekko zmienia nastawę prądu ładowania - jednak uznaję, że założenia są spełnione. Wystarczyłoby stosować kondensatory nie Y5V tylko X7R, a precyzja poprawi się znacznie.
Aha - nie stosujcie rezystorów z odzysku z chińskich odbiorników radiowych - trafił mi się 5,6 k ze złotym paskiem znacznie odstający od tolerancji.. Trochę mi to zajęło, żeby dojść, co jest grane.
Prostownik odporny na odwrotne podłączenie biegunów - testowane na akumulcu od ciągnika rolniczego. należy wówczas wymienić bezpiecznik nożycowy.
układ testowany przy 10A prądu ładowania - działą poprawnie, tranzystor chłodny, jedynie w egzemplażu #1 przegrzewa się bocznik do amperomierza i stąd konieczność obniżenia maksymalnego ciągłego prądu ładowania.

Co można zrobić lepiej:
-zastosować bardziej kulturalną przetwornicę izolującą;
-zasilacz zrobić impulsowy 230/12 - podczas odsiarczania większość czasu układ nie ładuje, a trafo 150 W swoje na jałowym musi wziąć;
-zastosować układ kontroli przejścia przez "0" i np. sterowanie grupowe - regulacja prądu pozostanie, pobierany prąd z sieci będzie mniej "zaśmiecony", nie będzie słyszalnych brzęczeń transformatora (w rytm regulatora PWM) - umożliwi to m.in. wprowadzenie do komercyjnej sprzedaży tego mojego cuda;
-ładniejszą obudowę;
-na schemacie go brakuje, a na zdjęciu końcowym widać - bezpiecznik nożycowy; 30A na kabel - baaardzo się przydaje, szczególnie jak się walczy z autem późnym wieczorem;
-fabryczny amperomierz - w mojej samoróbce przegrzewa się bocznik i nie powinno się ładować prądem >5 A.




Zasada działania

regulator PWM - na wyjściu generatora jest sygnał trójkątny (w przybliżeniu) i jest on porównywany z napięcie z potencjometra na komparatorze. Otrzymuje w ten sposób prostokąt o regulowanym wypełnieniu.

układ pomiaru napięcia - żródło napięcia odniesienia to TL431, jest ono porównywane na komparatorze (z histerezą) z napięiem aktualnym akumulatora.

układ wykonawczy - tranzystor mosfet N - sterowany przez galwanicznie izolowany interfejs - odcina "+" do akumulatora

Zachowanie układu - algorytm działania:
1. po włączeniu rozładowanego aku prostownik ładuje jak każdy inny, z tym że można ustawić średni prąd ładowania (średni bo PWM 20Hz już widać na amperomierzu - widać drgania wskazówki).
2. gdy akumulec się już podładuje przekroczony zostaje próg 15,2V - układ odcina ładowanie.
3. Dalsze zachowanie układu zależy od stanu akumulatora: układ czeka aż napięcie na zaciskach spadnie poniżej ok. 14V. W pełni sprawnych akumulcach po pełnym naładowaniu napięcie z 15V spada dość wolno - nawet do minuty. w akumulatorach bardzo zasiarczonych napięcie na zaciskach spada bardzo szybko - w ciągu kilku-kilkunastu sekund.
4. Gdy napięcie spadnie poniżej 14V układ ponownie załącza ładowanie i gdy układ naładuje się >15,2V znów wyłacza. takie kolejne ładowanie trwa kilka sekund, zależnie od ustawionego prądu ładowania.
5. Cykle "ładowanie"/"przerwa" powtarzają się aż nie wyłączymy prostownika. Stan naładowania i/lub stan akumulca oceniam szacując stosunek czasu "ładowania"/"przerwy". Takie cykle powodują kilkusekundowe doładowywanie akumulca co kilkadziesiąt sekund. akumulec leciutko gazuje, ale nie jest to na tyle mocne aby rozrywać masę czynną elektrod. Można śmiało zostawić go nawet na miesiąc (zadbawszy wcześniej o stan elektrolitu), po tym czasie będzie w 100% gotowy na użycie. Przydatne jak mamy zapasowy aku na zimę np. przy pracy taksówkarza.
6. Prąd impulsowy (PWM) oraz to leciutkie gazowanie akumulca: w założeniu ma pobudzić kryształki do rozpuszczania się - o ile nie jest to stan wyjątkowo intensywnego zasiarczenia ziarnem grubym. wówczas aku nada się tylko na złom, ale to jestem w stanie ocenić dopiero po miesiącu odsiarczania.

pozdrawiam,
wojtek