Бытовая техника

Зарядник из бесперебойника компьютера схема. Зарядное устройство на скорую руку из сгоревшего бесперебойника

Устройство для заряда АКБ ИБП

Публикую статью моего читателя Александра , который проживает в Алексбурге, точнее – в Риге.

В статье подробно рассматриваются принципы работы аккумуляторов, процессы заряда и разряда, и приведены способы, позволяющие максимально использовать ресурс аккумуляторных батарей.

Таких капитальных трудов сейчас в интернете очень мало. Увидев статью, понял, что при должном оформлении она тянет минимум на магистерскую диссертацию! Сам почерпнул из неё много полезного, и рекомендую своим читателям!

НЕМНОГО ИСТОРИИ или с чего всё началось

В начале 2000-ых годов ко мне в руки попал старенький источник бесперебойного питания BACK-UPS 600I от басурманского производителя APC. Достался он мне бесплатно, так как батареи у него были дохлые. Конечно же я сразу его оттестил, купил рекомендованные басурманским производителем батареи и “оно у меня заработало”!

Про такой ИБП я писал в статье про использование .

Я тогда на него не мог нарадоваться. Как же – света нет, а комп с монитором работает.

Но в один непрекрасный момент мою радость обломали.

И как Вы, Читатель, думаете кто?.. Грёбаные торгаши. Я в первый раз заменил две батареи 6В/7Ач на одну 12В/7Ач получилось немного дешевле. Но когда в течении года батарея опять сдохла, я задумался! Во-первых, батарею приходилось менять раз в год-два. Во-вторых, хотелось чтобы девайсы, подключенные к ИБП работали не несколько минут, для “корректного отключения питания”, а хотя бы до времени окончания просчёта на линейке Премьера от Адобов.

Вот тут-то у меня и начали возникать шаловливые мыслишки, а не подключить ли мне автомобильный аккумулятор на ампер 100 (чтоб уж надёжно) к моему ИБП. Тем более торгаши утверждали, что в ИБП нужно использовать только гелевые аккумуляторы, пугая Великими Карами того, кто попробует использовать гораздо более дешёвые аккумуляторы для автомобилей.

Но я человек достаточно грамотный и усвоил, что матчасть знать надо! Иначе что-то может пойти не так с большим бодабумом! А торгашам верить нельзя. Поэтому взялся за изучение матчасти! В результате моих изысканий родилось то, чем я доволен и по сей день. А именно – я сделал так, что теперь можно подключать автомобильный аккумулятор в ИБП. То есть, подружил ИБП и аккумулятор.

ВМЕСТО предисловия. Виды аккумуляторов

В источниках бесперебойного питания (ИБП) используются гелевые аккумуляторные батареи (АКБ). И тому есть веские причины. Я не буду перечислять их все, но основную поясню. Представьте себе офисную секретаршу с двадцатикилограммовым аккумулятором в руках. Смешное зрелище, не правда-ли?..

Технически грамотных специалистов, досконально знающих что такое электрический ток не так и много. А специалистов, знающих как работает импульсный блок питания, как инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное и того меньше. Простого пользователя компьютера это не интересует. Поэтому были созданы гелевые аккумуляторы. Внутри такого аккумулятора конечно не гель для волос или гелий, как можно подумать из названия неискушённой секретарше. Внутри та же самая серная кислота и тот же свинец, как и в обычном автомобильном аккумуляторе знакомом нам уже больше века. Только там ещё присутствует мелкая сетка с очень-очень мелкими ячейками из токонепроводящего материала, которая удерживает кислоту как губка в своих порах. Также такой аккумулятор не требует обслуживания.

Представьте ту же секретаршу с ареометром в руках, с банкой электролита и бутылкой дисцилированной воды на столе. Производители ИБП стремятся обезопасить себя от исков и претензий. Поэтому используют в своих устройствах наиболее безопасные аккумуляторы с точки зрения использования неискушённым потребителем. Но мы-то знаем матчасть:)).

Я не буду лезть в дебри и очень подробно касаться существующих типов АКБ, вопроса работы аккумуляторов в разных условиях (громадный пусковой ток, долговременная нагрузка, постоянный недозаряд, перезаряд, выкипание электролита, глубокий разряд, температура эксплуатации и т.д.), хотя кое-что из этих понятий разберу подробней дальше по тексту. Я просто гарантирую и ответственно заявляю исходя из своего практического опыта, что при определённых условиях использовать в ИБП дешёвые стартерные АКБ вместо дорогих гелевых можно! Итак, начнём!

ТЕОРИЯ аккумуляторов. Для изучения обязательна!

Здесь я буду касаться только теории по ОБСЛУЖИВАЕМЫМ кислотно-свинцовым стартерным АКБ, используемым в автомобилях и произведённым с соблюдением всех технологических норм производства (другими словами не выпускаемых в китайском подвале дядюшки Ляо или в дворницкой бывшего дома Ипполита Матвеевича в Старгороде). Они самые дешёвые но в то же время самые “наукоёмкие” в эксплуатации.

Если их правильно использовать и обслуживать, но самое главное правильно заряжать, они могут прослужить более 15 лет, либо выдержать более ЧЕТЫРЁХСОТ циклов 100% разрядки-зарядки или более ТЫСЯЧИ циклов 30-40% разрядки-зарядки! Это проверено, я гарантирую!

Принцип работы АКБ

АКБ имеет два крайних рабочих состояния – полностью разряжена и полностью заряжена. Коснусь более детально этих двух состояний. Любой автомобильный АКБ состоит из 6 “банок”. Это сленговое понятие сосуда, в котором находятся пластины и кислота. Пластины в этих сосудах соединены последовательно. Вот здесь есть первый фундаментально важный момент. Одна “банка” тоже имеет два крайних рабочих состояния – полностью разряжена с напряжением 2,00 вольт и полностью заряжена с напряжением 2,40 вольт.

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?

Подписывайся, и читай статью дальше:

Напряжение полностью разряженной АКБ – 12,00 вольт (6 х 2)
Напряжение полностью заряженной АКБ – 14,40 вольт (6 х 2,4)

Как же так, спросите вы? Ведь напряжение на АКБ никогда не бывает больше 13 вольт. И будете правы. Напряжение на полностью заряженной АКБ будет в пределах 12,75 – 12,80 вольт при плотности электролита 1,26 г/куб.см и при температуре 25 градусов по Цельсию. Но откуда 14,4 вольта?.. Во время зарядки и разрядки в АКБ происходят сложные химические процессы, длящиеся после отключения зарядного устройства или нагрузки какое-то время. Это можно назвать химической инерцией. Соответственно меняется плотность электролита.

Температура в АКБ тоже может быть разной (от -40 до +50). Когда в АКБ происходят какие-то процессы, меняются все её показатели. И они взаимосвязаны между собой. Напряжение 12,75 – 12,80 вольт – это “напряжение покоя” полностью заряженной АКБ. У полностью заряженной АКБ при подключении нагрузки напряжение упадёт. При отключении нагрузки напряжение снова будет стремиться к тем самым 12,75 – 12,80 вольтам. Но так как было отдано какое-то количество энергии напряжение (в зависимости от этого количества) до 12,75 – 12,80 вольт уже не поднимется.

АКБ считается разряженной на какое-то количество процентов. Соответственно при зарядке напряжение повышается, а когда зарядка прекращается (прекращаются и процессы внутри АКБ) напряжение снова стремится к напряжению покоя.

А вот здесь на подиуме появляется Его Величество Электрический Ток, измеряемый амперами. Чем больше ток нагрузки на АКБ, тем большее количество энергии за единицу времени батарея отдаст. И соответственно разрядится. На АКБ обычно пишут её электрическую ёмкость.

Электроёмкость АКБ это произведение постоянного тока разряда АКБ на время разряда при номинальном напряжении (для автомобильного АКБ это 12 вольт).

Соответственно за час АКБ электроёмкостью 60 Ач может отдать 60 ампер напряжением 12 вольт до её полной разрядки. Практически это выглядит так: если батарею нагружать током 60 ампер один час, её напряжение снизится с 12,75 – 12,80 вольт до 12,00 вольт. Это фундаментальная основа работы АКБ.

Практически же у АКБ есть одна очень неприятная особенность. Ток саморазряда. Причём этот ток увеличивается, если АКБ стоит на солнце и температура электролита в ней повышается. Но и ёмкость АКБ, соответственно, повышается. А вот зимой ток саморазряда уменьшается. Но и ёмкость АКБ соответственно уменьшается. Поэтому существуют стандарты на эксплуатацию, хранение, консервацию АКБ, учитывающие все эти факторы.

У новой АКБ электрической ёмкостью около 60 Ач ток саморазряда при температуре 25 градусов по цельсию обычно не превышает 20 миллиампер. Это значит, что при комнатной температуре АКБ может разрядиться наполовину своей электроёмкости за четыре-пять месяцев. При старении АКБ и при её интенсивной эксплуатации ток саморазряда повышается с каждым циклом разряд-заряд. При нагрузке на АКБ ток саморазряда и ток нагрузки суммируются. Но как же 14,40 вольт, опять настойчиво спросите ВЫ?… Вот здесь есть второй фундаментально важный момент.

Принцип зарядки АКБ

Существует два способа зарядки АКБ:

Зарядка постоянным током
Зарядка постоянным напряжением

Какой из них лучше однозначно сказать нельзя. Всё зависит от того, чего Вы хотите добиться. Быстроты зарядки или полной зарядки. Я предпочитаю заряжать АКБ вторым способом. И далее я обосную свою позицию.

Зарядное устройство постоянным током значительно проще схематически и дешевле в изготовлении. Зарядное устройство постоянным напряжением значительно сложней схематически и дороже в изготовлении. Те кто заряжал аккумуляторы старыми советскими зарядками (кстати очень замечательными по своим техническим парамерам и надёжностью исполнения и работы) знают теорию.

Если АКБ полностью разряжена – откручиваем пробочки на АКБ, подключаем АКБ к зарядке, высталяем ток в одну десятую от ёмкости АКБ и заряжаем 12 часов. Через 12 часов уменьшаем ток на половину (до одной двадцатой от ёмкости) и дозаряжаем час-два, пока электролит не начинает “кипеть”, отключаем зарядку. Кипение электролита это процесс выделения из него паров водорода. В идеале кипеть электролит не должен. Потому что потом придётся брать ареометр, мерить его плотность и добавлять дисцилированную воду. Поэтому нужно постоянно понижать ток.

Если АКБ потеряла свою ёмкость в процессе жёсткой эксплуатации, глубокого разряда или просто старения, она может зарядиться за пару часов. И электролит начнёт кипеть через час после подключения зарядки.

Зарядка постоянным током подразумевает, что при зарядке напряжение повышается. И как только напряжение превысит 14,40 вольт электролит закипит по-любому. Что делать в таком случае?.. Вариант первый – следить за процессом зарядки постоянно понижая ток, держа напряжение зарядки на отметке 14,40 вольт. Вариант второй – использовать автомат, который следит за этим сам. Но следит за напряжением, понижая ток заряда по мере надобности. Это и есть зарядка вторым способом – постоянным напряжением.

Второй фундаментально важный момент – правильная зарядка АКБ на ВСЕ 100 % электрической ёмкости:

ПОЛНОСТЬЮ ЗАРЯДИТЬ АКБ (НА ВСЕ 100% ЕЁ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЁМКОСТИ) БЕЗ ВЫКИПАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА МОЖНО ТОЛЬКО НАПРЯЖЕНИЕМ 14,40 ВОЛЬТ!

Я предпочитаю заряжать АКБ постоянным напряжением 14,40 вольт. Практика такова, что зарядить аккумулятор на 100 % достаточно сложно. Когда АКБ набрала свою ёмкость на 95 % ток её заряда очень маленький, а на 99% он просто мизерный и может быть всего 30 миллиампер. Я отмечу одну деталь – это всё на грани кипения электролита. Теоретически электролит начинает кипеть при напряжении заряда 14,41 вольт при условии, что АКБ сделана идеально, а при 14,40 не кипит. На практике это может быть и 14,38 вольт и 14,42. Всё зависит от изготовителя АКБ и индивидуально для каждой конкретной АКБ. Но суть, надеюсь Вы, дорогой читатель, уловили.

Недостатком зарядки по напряжению является время зарядки. Обычно АКБ набирает полную ёмкость заряда (100 %) за время более суток. Здесь очень важен ток зарядки на начальном этапе. Можно заряжать на начальном этапе и током в одну пятую от ёмкости. Тогда время зарядки сократится. Как и время службы АКБ, но незначительно. Теорию зарядки никто не отменял. Предпочтительней не выходить за рамки тока зарядки более одной десятой от ёмкости АКБ. Выбирать Вам, читатель.

Можно ли использовать автомобильный аккумулятор для ИБП?

А теперь мы подошли к сути вопроса. Как использовать стартерный АКБ для автомобиля в ИБП. Мой ИБП BACK-UPS 600I подходит под это идеально!

Самые первые ИБП от APC серии Back UPS заряжали аккумулятор как раз по принципу зарядки АКБ постоянным напряжением. Там стоит микроконтролер управления зарядкой АКБ. Расчётная ёмкость АКБ для моего ИБП 7 Ач. Ток заряда 350 миллиампер на начальном этапе. На конечном ток падает до 10 миллиампер (фактически до тока чуть-чуть больше тока саморазряда). Более новые ИБП-шки заряжают по-другому. Я тестил более новую модель Back-UPS CS 650 (хотел даже купить), но – эта железная скотина держит напряжение на уровне 13,7 вольт. При токе заряда свыше определённого параметра эта гадость высвечивает на передней панели значок Replace Battery.

Его конечно тоже можно использовать с АКБ от автомобиля, но с АКБ большой ёмкости могут быть проблемы недозаряда. С ним придётся использовать внешнюю зарядку (этот вопрос я рассмотрю ниже, в разделе Практика). Да и напряжения 13,7 вольт недостаточно, чтобы зарядить АКБ на 100%. Поэтому мне такой UPS даром не нужен. А вот с моим ИБП BACK-UPS 600I можно использовать АКБ хоть 150 Ач. Да, при полной разрядке батареи заряжать током 350 миллимпер он её будет несколько суток. Но зато гарантированно зарядит на 100%. Но и из этого положения, чтобы сэкономить время, опять же можно выйти при помощи внешней зарядки.

ПРАКТИКА зарядки аккумулятора в ИБП. Изучаем матчасть

Итак, Читатель, мы подошли к самой сути вопроса. Рад представить то, во что превратился мой Back UPS 600I за 14 лет эксплуатации. 9 из них я эксплуатирую его со свинцово-кислотными АКБ для автомобиля.

Спешу сразу убедить скептиков с водородобоязнью. Оба отверстия для газоотвода по бокам АКБ у меня были заклеены латексом от презерватива (если что, он просто надуется). Пробки на банках тоже закручены наглухо. Но за 9 лет эксплуатации казусов не было. Поэтому сейчас они залиты силиконовым клеем. Использую две АКБ. Аккумуляторы подключены с общим минусом и коммутируемым плюсом. Изнутри это выглядит так:

На передней панели мы видим цифровой вольтметр, который показывает напряжение заряда 14,44 вольта и амперметр, который ничего не показывает. Это мой стандартный рабочий режим. Почему он ничего не показывает узнаем ниже.

Теперь опять совсем чуть-чуть истории. То что Вы, Читатель, видите на фото ниже – мои самые первые приборы для контроля ИБП. Это стрелочный вольтметр с растянутой шкалой (измеряет напряжение от 10 вольт до 15 вольт) и амперметр с самодельным шунтом. Мне нужно было видеть как ток при работе от АКБ, так и ток заряда. Если нужно заставить вольтметр показывать напряжение не от нуля, а с желаемого напряжения – шкалу можно растянуть с помощью делителей напряжения, схемы в интернете есть.

Сделаны они были много лет назад и служили верой и правдой до того как Алиэкспрес стал символом эпохи. Потом у меня появились замечательные и главное очень точные приборы (амперметр + шунт к нему и вольтметр) по недорогим ценам. Так выглядит ИБП с включенным амперметром:

Он показывает ток зарядки. Как видите ток не большой – всего 50 миллиампер. Это работает контролер зарядки АКБ UPS-а. Стоит отметить одну деталь. Только после того, как я поставил цифровой вольтметр такой точности стало видно, как работает контролер заряда. Стрелочный вольтметр этого зафиксировать не мог.

Напряжение заряда периодически меняется в пределах от 14,37 вольт до 14,47 вольт и может полчаса, а может 30 секунд быть на одном уровне. Ток зарядки зависит от подключенной АКБ. Если подключена АКБ ёмкостью 17 Ач, ток зарядки находится в пределах десяти миллиампер. Но тут уж точно сказать нельзя. Это на грани погрешности прибора. Может 14 миллиампер, может 6 миллиампер. Одно могу сказать точно – он различный для АКБ разной ёмкости.

А вот амперметр не так прост, как кажется. Его прелесть в том, что он может показывать электрический ток в двух направлениях. Он покажет ток зарядки и ток разрядки но со знаком “минус”. А теперь я подключу нагрузку около 180 ватт, чтобы забрать с АКБ 20 ампер. Сразу видно, как просело напряжение и как амперметр начал показывать разрядку АКБ с отрицательным значением:

ИБП я настраивал под себя исходя из того, что забирать от АКБ я буду ток не более 20 ампер. Нагрузка 90 ватт от 220 вольт нагружает АКБ в пределах 10-11 ампер. Но фактически на ИБП у меня сейчас два сервера, рутер и свитч. Всё это хозяйство потребляет около 30-ти ватт от 220 вольт, а от АКБ в пределах 4-5 ампер. Аккумулятор 58 Ач.

Гарантированно это всё может работать без электричества около 7-8 часов (в зависимости от нагрузки на сервера). Как только пропадает электричество мне приходит СМС-ка и я удалённо могу отключить серваки. Но этого думаю не потребуется. За семь часов я появлюсь и переключу на вторую АКБ:)), кнопочкой вручную. И пока это всё работает, сниму АКБ с машины и подключу вместо первой. Это ещё 7-8 часов. Ну а за сутки подачу электричества возобновят точно. Пока таких форс-мажоров не было. :)) Ну а если будут, разорюсь на 100 амперный АКБ. Правда в машину его не поставишь. Это кстати одна из причин, почему я не использую АКБ большей ёмкости, чем может “проглотить” моя машина. Хотя, как Вы видите, Читатель, система позволяет использовать АКБ ёмкостью хоть 1000 Ач.

Ну и показания через пару минут после того, как питание ИБП опять переключилось на 220 вольт. Как видите напряжение 13,08 вольт а ток зарядки 140 миллиампер:

Заряд после небольшого разряда

Схема подключения позволяет НЕЗАВИСИМО заряжать одну из батарей во время эксплуатации другой. Раз в полгода я переключаюсь между батареями, чтобы как-то сравнять процесс старения обоих АКБ. Провода 6 кв.мм.

Стоит отметить, что при длине проводов больше метра нужно использовать сечение большей площади. Для себя я рассчитал, что при рабочем токе от АКБ в 12-15 ампер и длине провода в 40 сантиметров напряжение падает на 0,008-0,015 вольта. Это около лишних 3-6 минут работы от АКБ. На 7 часов это незначительно. Соответственно чем провода от АКБ до ИБП короче и толще тем лучше, особенно при больших токах нагрузки.

Замечательная клавиша переключателя выбора АКБ позволяет подключить внешнюю зарядку. Также эта клавиша, при определённой сноровке позволяет переключить аккумуляторы во время работы ИБП от АКБ. Это тоже проверено. Современные импульсные блоки питания для компьютеров держат нагрузку, если напряжение в сети пропало на 0,8 – 1,2 секунды. А этого как раз хватает, чтобы при падении напряжения на АКБ до критического быстро “перещёлкнуть” клавишу на другую АКБ.

Амперметр и вольтметр потребляют очень маленький ток. Если отключить сведодиод подсветки дисплея, приборы потребляют около одного миллиампера (я даже померил специально, сколько потребляет вольтметр, вызвав на дисплее единицы – это меньшее количество сегментов ЖКИ), прибор потреблял 900 с хвостиком микроампер при напряжении питания 11,11 вольт. С горящим светодиодом (когда дисплей светится) около 3-ёх миллиампер. А это важно. Ведь он подключен к аккумулятору напрямую. Амперметр я вообще сделал отключаемым, потому что его питание подключено к выходу 220 Вольт ИБП. Тут хочу пояснить. Питание амперметра должно быть гальванически развязано от схемы, в которой он снимает показания. Его напряжение питания от 6,5 вольт до 15вольт. Я не нашёл для него подходящий блок питания. Как оказалось блок питания с параметрами 6-12 вольт, расчитанный на нагрузку в 10 миллиампер найти не так-то просто. А делать самому не было терпения. Уж очень хотелось быстрей подключить его вместо стрелочного, который был до этого. Поэтому я взял зарядку от телефона на 400 миллиампер и 7,5 вольт и подключил его к выходу ИБП 220 вольт и сделал его полностью отключаемым. Это чтобы снизить нагрузку на выход 220 Вольт ИБП когда он работает от аккумулятора. Клавиша контроля по вольтажу и амперажу отключает амперметр совсем, а у вольтметра отключает подсветку минимизируя потребление энергии аккумулятора. Ну вот в общем то и все пояснения по клавишам управления ИБП.

ЗАРЯДКА внешним зарядным устройством

Теперь я хочу отдельно коснуться правильной зарядки аккумулятора моего ИБП. Как я упоминал выше, я расскажу почему я предпочитаю зарядку АКБ постоянным напряжением. Коснусь этого вопроса на примере своей зарядки. Выглядит она так:

Схему её можно найти в журнале Радио. Огромная благодарность моему папе, который нашёл её а потом спаял и автору этой разработки – М.Шумилову за грамотный и очень полезный прибор изготовленный из компьютерного блока питания. Зарядка достаточно сложна в изготовлении и в настройке. Но после этого процесса она будет радовать своей точностью и простотой зарядки АКБ на гарантированных 100 % емкости. Индикатор показывает помимо тока, напряжения и мощности зарядки затраченные на зарядку ваттчасы. Так она у меня выглядит изнутри:

Напряжение заряда 14,40 вольт (юстируется при настройке). Именно чтобы было не 14,39 и не 14,41! Это важно. Ток зарядки ограничивается на тот диапазон АКБ, который вы планируете заряжать. У меня ток ограничен до 6,5 ампер. Для моих нужд это оптимальный ток.

Такой зарядкой можно заряжать АКБ ёмкостью от 20 Ач до 80 Ач. Конечно можно заряжать и АКБ в 150 Ач. Но время зарядки будет около двух суток. При подключенном аккумуляторе напряжение падает, ток зарядки максимальный. Тут следует обратить внимание на то, что если не ограничить ток зарядки, он может быть первые несколько секунд таким, какова ёмкость АКБ. По мере зарядки АКБ напряжение стремится к 14,40 вольтам а ток зарядки постепенно падает. Как только напряжение поднялось до 14,40 вольт – мы сможем увидеть один из главных параметров АКБ, который не так просто узнать – ТОК САМОРАЗРЯДА. По нему можно узнать, на сколько АКБ изношена и чего от неё ожидать зимой.

Также плюс такого метода зарядки в том, что Вы никогда не перезарядите АКБ. Она может стоять на зарядке хоть 3 месяца. Электролит никогда не закипит и она будет заряжена на 100%. К сожалению промышленные зарядки такого типа стоят очень дорого, да и встроенный амперметр с вольтметром – прямое доказательство того, что зарядка действительно не халтурная. В отличии от говнохреней Bosh и прочих Vart, где индикация контроля осуществляется светодиодами, которые загораются по какому-то там случаю метеоризма изготовителя. Теперь я точно и без непоняток объяснил цифру в 14,40 вольт.

После процесса зарядки нужно подождать около 2-6 часов (в зависимости от ёмкости АКБ) пока батарея придёт в состояние покоя. Напряжение будет около 13 вольт. И в течении суток-двух (когда все химические процессы внутри прекратятся полностью) напряжение батареи опустится до напряжения в 12,8 вольт. Начнётся процесс её саморазряда. Теперь, надеюсь, стало понятно, почему я заткнул отверстия в АКБ и не парюсь по поводу вредных испарений во время зарядки. Периодически, раньше раз в полгода, сейчас раз в пару лет, я тестирую и обслуживаю АКБ. Проверяю ареометром плотность электролита в банках и его уровень. Ну и соответственно дозаряжаю резервную АКБ внешней зарядкой.

О ТАБЛИЦЕ заряда и не только

Теперь, пожалуй стоит дать пояснения к таблице, которая характеризует степень заряда и разряда АКБ. С зарядкой всё объяснил выше. Теперь пояснения к разрядке.

Как видите у меня отмечено, что АКБ разряжена в ноль, когда напряжение на ней падает до восьми вольт. Это достаточно тонкий и тоже важный вопрос. Сразу поясню термин “глубокий разряд” используемый мною далее по тексту. АКБ переходит в состояние глубокого разряда когда напряжение покоя у неё ниже 11,35-11,40 вольт. Это верхний предел глубокого разряда. Как я говорил выше, после отключения нагрузки, напряжение на АКБ начинает повышаться. Очень важно, чтобы после 2-6 часов, в зависимости от ёмкости АКБ, это напряжение поднялось до 12,00 вольт. Это значит АКБ не ушла в “глубокий разряд”. Хотя по моему опыту даже если АКБ кратковременно разрядится до 11,90 – 11,85 вольт ничего страшного не будет, если её сразу поставить на зарядку. И производители часто пишут кратковременный пусковой ток рядом с ёмкостью. Такой ток мгновенно уводит АКБ в глубокий разряд, но, как видите, АКБ это выдерживает и служит в автомобиле 5-6 лет. Во время запуска стартера в автомобиле АКБ нагружается токами до 200 ампер и напряжение проседает до 9 вольт. Важно, сколько времени АКБ в глубоком разряде находится ПОД НАГРУЗКОЙ.

Нижний порог отключения производитель ИБП выставляет при полной нагрузке на АКБ. Поэтому в моём случае он около 7,55 вольт при нагрузке около 30-35 ампер. Я проверял на дохлом АКБ, когда тестил всю систему. При 7,55 вольт ИБП отключается от АКБ полностью и “гаснет”. И 8 вольт у меня в таблице указано на полную нагрузку. Это “памятка для себя”. Я не стал опираться на 7,55 вольт чтобы оставить какой-то подстраховочный буфер. Вообще, лучше не доводить разрядку АКБ до падения напряжения на такой низкий уровень. АКБ “проседает” по напряжению больше под полной нагрузкой, чем под нагрузкой в 50% или 30%. Как только нагрузка пропадает полностью, напряжение на АКБ скачком поднимается и потом продолжает подниматься всё медленней до напряжения фактического разряда.

Когда я тестил ИБП-шку, при 20-ти амперной нагрузке на АКБ, когда вольтаж просел до 8 вольт, я уменьшил нагрузку до 9 ампер, напряжение мгновенно поднялось до 10,6 вольт, продолжая при этом медленно понижаться. Вычисляется это опытным путём. Если разряжать аккумулятор нагрузкой в 10 ампер, соответственно и нижнее значение будет не 8 вольт, как у меня, а больше (оно может быть 8,4 вольт, к примеру, или 9,0 вольт) – повторюсь, это вычисляется опытным путём. Если нагрузка на АКБ от ИБП 10-20 % от расчётной, соответственно напряжение “проседает” меньше но на АКБ получается нагрузка долговременней. И соответственно АКБ находится в глубоком разряде под нагрузкой дольше. А вот это уже “убийственно” для АКБ. Поэтому нужно стараться не доводить АКБ до глубокого разряда и по возможности, если до этого дошло – сразу поставить на зарядку. И когда при пропаже электричества мы стараемся отключить от ИБП какие-то дополнительные приборы, увеличивая время работы ИБП от АКБ, тем самым мы заставляем дольше работать АКБ в глубоком разряде. Поэтому этот вопрос нужно решать кардинальней, заходя с другой стороны – подключать 150-ти амперную АКБ:)) и не давать ей разряжаться ниже расчитанного под определённый ампераж вольтажа.

Когда я описывал время работы своих потребителей (рутер, серверы и свитч) 7-8 часов, это фактически 2-3 часа АКБ будет работать в глубоком разряде. И соответственно время её жизни сократится достаточно существенно, но не на столько, чтобы не работать дальше. Но купить АКБ для автомобиля ёмкостью 58 Ач (время работы 2-3 часа) за 32-34 евро гораздо приятней, чем АКБ ёмкостью 7 Ач (время работы 5-10 минут) за 18-20 евро. Почувствуйте и посмакуйте разницу;))… И АКБ для авто ГОРАЗДО выносливей, серьёзней и аргументированней гелевой “батарейки”, которая идёт “в комплекте” с ИБП. Прямое доказательство – срок службы АКБ у меня:). Да и гелевая “батарейка” проработав 20-30 минут в глубоком разряде фактически умирает сразу – начинают разрушаться пластины внутри неё и её электроёмкость падает в разы в отличии от АКБ для авто, где потеря электроёмкости от работы при глубоком разряде 2-3 часа измеряется процентами.

Ещё хочется обратить внимание Читателя на один момент в эксплуатации именно этого ИБП. Комфортная работа с BACK-UPS 600I будет с нагрузкой до 200 Ватт от сети переменного тока 220 вольт. Соответственно от АКБ будет забираться около 25 Ампер. При большем токе начинает сильно греться керамический резистор. Если вы хотите обеспечить автономным питанием электроприборы до 500 ватт, вам нужен ИБП расчитанный на большую мощность. И хочу также обратить внимание, что инвертор ИБП-шек свыше 800 вольтампер работает от ДВУХ АКБ соединённых последовательно (12+12=24 вольта) в силу конструктивных особенностей. Я не встречал киловаттные ИБП питающиеся от одной АКБ 12 вольт.

ВОЗМОЖНО, ТОРГАШИ ГЕРМЕТИЧНЫМИ НЕОБСЛУЖИВАЕМЫМИ АККУМУЛЯТОРАМИ ДЛЯ ИБП, ПРОЧИТАВ ВСЁ НАПИСАННОЕ ВЫШЕ, БУДУТ НЕ ДОВОЛЬНЫ. У МЕНЯ ВСЕГО ОДИН АРГУМЕНТ, ЗАТО ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЙ – ЭТО ВСЁ СТАБИЛЬНО РАБОТАЕТ УЖЕ МНОГО ЛЕТ. АКБ ДЛЯ ИБП В ПОСЛЕДНИЙ РАЗ Я ПОКУПАЛ СЕМЬ ЛЕТ НАЗАД (ДВЕ ШТУКИ), ОДНА РАБОТАЕТ ДО СИХ ПОР, ВТОРАЯ СЕЙЧАС ТРУДИТСЯ В АВТОМОБИЛЕ ПОСЛЕ ТОГО, КАК ПЯТЬ ЛЕТ СЛУЖИЛА В ИБП.

От администратора блога СамЭлектрик.ру

Статья будет участвовать в конкурсе статей, который будет проводиться в конце 2016 года. Напоминаю, что условия конкурса, все статьи и итоги – .

Скачать

Теория и практика применения аккумуляторов. Виды аккумуляторов. Лучшее, что можно почитать по теме – скачать .

Пример переделки ИБП на авто АКБ

Читатель BoB4uk воспользовался советами, изложенными в статье, и собрал подобное устройство. Подробнее – в комментариях около 17 марта 2019.

Панель ИБП при разных режимах

Все мы знаем как неприятно, когда внезапно отключают свет. Это может случиться в любой момент - дома или на даче. Жителям сельской местности не позавидуешь вдвойне, тем более, если в такие моменты работает или циркуляционный насос. Внезапное выключение света может привести к гибели будущего выводка или остановке насоса для отопления.

Есть отличное решение этой проблемы – нужно всего-навсего купить автомобильный инвертор с 12-на 220 в. Однако цены на них очень велики, не каждый сельский житель сможет позволить себе купить такую дорогую вещь.

Что же делать – где можно недорого приобрести источник бесперебойного питания для освещения дома, теплицы, дачи т. д.? Конечно же, попробовать сделать его своими руками! А интернет нам в этом поможет.

Оказывается, есть более простое и дешевое решение – нужно всего лишь навсего, переделать бесперебойник в инвертор.

Для этой цели нам понадобится рабочий источник бесперебойного питания от компьютера, который можно купить буквально за копейки на "блошиных" рынках или через объявления местных газетах по продаже б/у компьютерной техники. Однако для наших задач бесперебойник не совсем подходит и требует небольшой переделки. Все, кто умеет работать с паяльником, без особого труда справятся с такой работой.

Переделав бесперебойник на инвертор, на выходе мы получим:

стабилизатор напряжения;
зарядное устройство;
и конечно инвертор.

После нашей переделки, если бесперебойник на 300 Вт, то на него можно нагрузить Вт 200. Конечно, чем мощней бесперебойник, тем больше можно увеличить на него нагрузку.

В некоторых бесперебойниках попадаются места, где можно дополнительно усилить мощность. Эти места называются транзисторными ключами. Стоит их допаять, как мощность бесперебойника увеличится.

Производители порой не допаивают такие транзисторы, чтобы удешевить изделие. Транзисторы нужно такого же номинала, как и установлены.

Так же следует увеличить сечение проводов от разъёма платы до АКБ на крокодилы.

От трансформатора вторичной обмотки до клем платы,

нужно добавить в параллель ещё по одному проводу для увеличения сечения.

Трансформатор пришлось немного расковырять, чтобы добраться до выхода вторичной обмотки. Этих проводов выходит три штуки.

Чтобы бесперебойник не пищал каждую минуту, мы должны выпаять круглую пищалку.

На задней стенке удалил ненужные разъёмы и оставил отверстие от них для выхода воздуха.

От этих клем находим два провода питания 220 вольт – выход с платы после преобразователя и эти провода выводим наружу, закрепляем свою розетку.

Наш инвертор из бесперебойника почти готов. Для контроля разряда батареи автомобильного аккумулятора можно встроить цифровой вольтметр. Я на всякий случай ещё подключил термодатчик для контроля температуры на транзисторных ключах. Термопару от мультиметра закрепил на радиаторе транзистора полевика.

Немаловажный момент: инвертор из бесперебойника должен иметь запуск холодного включения – это функция, когда он может включаться без внешнего питания от бытовой розетки 220 вольт. В некоторых моделях кнопка включения холодного пуска имеет двойное нажатие с разным интервалом времени.

Вот и все переделки. Такой инвертор можно брать с собой в поездку – на пикник, рыбалку, дома – через него можно подключать лампы, ноутбук, заряжать телефоны, фонарики, на даче и в сельской местности – подключать инкубатор, освещение теплицы и т. д., но не более 70% мощности от нашего изделия.

Для освещения лучше использовать диодные лампы, они мало тянут и ярко горят. Так же я подключал паяльник на 80 Вт, даже телевизор работает без проблем.

Пайка техническим феном (04.03.2016). → Попытка сделать из ИБП зарядное устройство для внешних батарей, на примере APC BK500EI.

Как всегда, даже в таком простом деле есть тонкости:
- ранее меня все уверяли, что ИБП может выдавать 7А по зарядным клеммам. Еще тогда меня брали сомнения: зарядный ток, 10% от емкости родной батареи 7А·ч, - 0.7А. Так и оказалось: ИБП не в состоянии выдать больше 1.52А длительное время;
- клеммы ИБП под напряжением даже в выключенном состоянии, заряд АКБ идет всегда. Напряжение холостого хода составляет 13.5В;
- пластик корпуса легко откусывается кусачками 120мм, прожигается, выпиливается, высверливается;
- параллельно включать батареи нельзя из-за токов обмена, возникающих между ними (нет ограничений, ток от полностью заряженной батареи ИБП к разряженной внешней батарее может достигать 20А и более). Плюс сопротивление двух батарей параллельных в 2 раза меньше сопротивления отдельно стоящей. В итоге вся идея ЗУ из ИБП сводится к выводу клемм ИБП наружу через боковую стенку и выключателю на 50-100А (в ИБП 1500ВА могут быть токи более 100А при работе от АКБ);
- при цене выключателя массы в 150-800 рублей сама затея потеряла практический смысл. ЗУ 14.4В/0.6А без проблем справляется с зарядом АКБ ИБП (досталось от эхолота) - при его стоимости в 200-300 рублей и малых габаритах. А так как напряжение в ИБП 13.5В - есть 100%-но безопасный диапазон напряжения при покупке ЗУ: В.

Если же ИБП не используется по прямому назначению (отсутствуют потребители) - тогда из него ЗУ делается элементарно:
- сверлятся 2 дырки в боковой стенке или по фронту;
- в клеммы ИБП вставляются клеммы РПИ-П 1.5-7-0.8, провода выводятся наружу и заканчиваются клеммами РПИ-М 1.5-7-0.8 (но лучше РППИ-М 1.5-7-0.8).

Важно! Все статьи по электронике на этом сайте выполнены с практическими опытами - и это определяет философию электроники и электротехники: не поставил практический эксперимент (голая теория) - сиди и молчи в тряпочку, потому что теория никогда не совпадает с выполненной практикой - и эти нестыковки порой критические. Это я к вопросу псевдоэлектриков, советчиков на форумах общего плана, вроде ответов-ру. Советуют такое, что волосы дыбом встают; при этом ссылаются часто на закон Ома , который сами не понимают. Только практика приводит к правильному пониманию законов Ома и Кирхгофа, это реально такое вправление мозга получается.

Вон, даже с обычным ИБП сколько тонкостей всплыло. А с автомобильными предохранителями - так вообще атас...

(добавлено 05.03.2016): есть некоторые мелочи, замеченные при разборке ИБП фирмы APC. Корпус внутри имеет острые части, нужно некоторые места подтачивать напильником: заусенцы протыкают кожу только так. Сам ИБП на 500ВА, но трансформатор внутри - на 430Вт. Плата содержит силовые клеммы, РПИ-П 1.5-7-0.8 даже рядом не стояли.

Если у ИБП сломалась плата именно в функции заряда АКБ, можно использовать данный ИБП как сетевой фильтр на 4 "розетки": с предохранителем на 7А и удобной кнопкой включения. А внутрь отсека АКБ можно прятать деньги: воры не таскают дешевые тяжелые предметы, как правило.

Самой главной функцией, выполняемой источником бесперебойного питания, является функция обеспечения электроэнергией подключенной к нему нагрузки в момент пропадания сетевого питающего напряжения. Как известно, для этих целей в состав любого UPS входит аккумуляторная батарея и инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного тока аккумулятора в переменный ток, требующийся для питания нагрузки. Эти компоненты, безусловно, являются важнейшими в составе любого UPS, но и еще без одного элемента невозможно представить себе ни один источник бесперебойного питания. Это – зарядное устройство, на которое, кстати сказать, приходится достаточно высокий процент от всех отказов UPS.

Основной функцией зарядного устройства, входящего в состав UPS, является обеспечение зарядки аккумуляторной батареи и дальнейшее поддержание этого заряда на соответствующем уровне. Функционирование зарядного устройства, т.е. подзарядка аккумулятора осуществляется в те периоды времени, когда на входе UPS имеется сетевое питающее напряжение. Конечно же, схемотехника и основные характеристики зарядного устройства определяется целым рядом параметров:

- типом (классом, топологией) источника бесперебойного питания (интерактивный, резервный, феррорезонансный, On-Line и т.п.);

- выходной мощностью UPS;

- количеством аккумуляторных батарей в составе UPS;

- типом используемых аккумуляторных батарей;

- ценой UPS;

- предпочтениями разработчиков.

Именно многообразие факторов, влияющих на выбор топологии зарядного устройства, привело к тому, что в современных источниках бесперебойного питания мы встретим несколько, совершенно различных, вариантов схемотехники зарядных устройств.

Попытка классифицировать зарядные устройства привела к тому, что мы предлагаем выделить следующие базовые варианты схемотехники зарядных устройств:

- линейные регуляторы напряжения и тока;

- импульсные DC-DC-преобразователи напряжения;

- импульсные однотактные источники напряжения;

- двухтактная мостовая выпрямительная схема, совмещенная с инвертором.

Мы не претендуем на полноту предложенной классификации, но дальнейший наш обзор призван показать на реальных примерах, что выделенные нами варианты схемотехники используются в подавляющем большинстве современных источников бесперебойного питания.

Прежде чем переходить к обзору схемотехнических особенностей различных вариантов зарядных устройств, скажем о том, что величина зарядного напряжения аккумуляторных батарей, т.е. величина выходного напряжения зарядного устройства зависит, в первую очередь, от количества аккумуляторов в составе UPS. Эта зависимость отражена в табл.1.

Таблица 1. Зависимость величины зарядного напряжения от количества батарей

Количество батарей
	от 13.2В до 14В
	от 26.7В до 28.5В
	от 53.4В до 57.0В

Работоспособность зарядного устройства и правильность формирования им напряжения, заряжающего аккумуляторы, можно проверить следующим образом:

1. Подключить UPS к сети переменного тока с номинальным значением напряжения (230В).

2. Открыть крышку, закрывающую аккумуляторные батареи и обеспечить свободный доступ к клеммам на батареях, к которым подключены провода (красный провод и черный провод) от основной платы. Подобную процедуру очень легко проделать в устройствах APC Smart-UPS. В других моделях APC и в UPS других производителей придется подумать, как обеспечить доступ к клеммам аккумуляторной батареи.

3. Включить UPS и дождаться окончания процедуры самотестирования UPS, которая может занять 8-15 секунд. После окончания самотестирования, UPS переходит в режим работы от сети (On-Line) о чем обычно сообщает соответствующий индикатор (чаще всего, зеленого цвета).

4. Отсоединить от аккумуляторных батарей черный провод затем красный провод.

5. Измерите напряжение постоянного тока между черным и красным проводом.

6. Измеренное напряжение и является зарядным напряжением аккумуляторной батареи, формируемым зарядным устройством. Значение этого напряжения зависит о модели UPS и от количества аккумуляторных батарей, используемых в этой модели. Типовые значения этого напряжения представлены в табл.1. Но здесь нужно иметь в виду, что некоторые дешевые и примитивные модели источников бесперебойного питания могут выключаться при отсоединении аккумуляторной батареи.

7. Если измеренное напряжение не находится в заданном диапазоне, то это говорит о неисправности основной платы UPS, и в частности – о неисправности схемы заряда аккумуляторов.

Кроме количества аккумуляторов, на величину зарядного напряжения и зарядного тока могут влиять еще и такие факторы, как:

- окружающая температура;

- метод заряда аккумулятора.

Напряжение на элементе свинцово-кислотной батареи составляет 2.2 В . Среди всех типов аккумуляторов, свинцово-кислотные отличаются наименьшей энергетической плотностью. В них отсутствует «эффект памяти». Их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя.

Для алгоритма заряда свинцово-кислотных батарей более критичным является ограничение напряжения, чем ограничение тока заряда. Время заряда герметичных свинцово-кислотных батарей составляет 12 – 16 часов . Если увеличить ток и применить методы многоступенчатого заряда, его можно сократить до 10 ч и менее. Но в большинстве моделей UPS на такие усложнения не идут, предпочитая использовать более простые схемы заряда аккумуляторов.

По своему назначению, свинцово-кислотные батареи, как, впрочем, и другие типы аккумуляторов (например, никель-кадмиевые), можно разделить на две большие группы:

1) Батареи циклического применения, т.е. батареи, используемые как основной источник питания и для которых характерны повторяющиеся циклы заряд/разряд.

2) Батареи, работающие в буферном режиме, используемые в резервных источниках питания.

Соответственно этому делению различаются и возможные методы заряда аккумуляторов. Для батарей циклического применения используются методы заряда при постоянном напряжении заряда и при постоянных значениях напряжения и тока заряда. Для буферных батарей используется метод двухступенчатого заряда:

- во-первых, метод заряда при постоянном напряжении заряда;

- во-вторых, метод компенсирующего заряда (струйная или капельная подзарядка).

Для заряда буферных батарей возможно использование в качестве самостоятельных, методов, входящих в состав двухступечатого заряда, т.е. они могут заряжаться, как постоянным напряжением, так и методом компенсирующего заряда.

Для лучшего понимания схем зарядных устройств, разберем основные методы заряда свинцово-кислотных батарей, используемые в источниках бесперебойного питания.

Метод заряда при постоянном напряжении заряда

При таком методе заряда к выводам батареи прикладывается постоянное напряжение из расчета 2.45 В на элемент при температуре воздуха 20 – 25 °С , т.е. к батарее с 6-ю элементами (12-вольтовые аккумуляторы) в этом случае должно прикладываться напряжение 14.7В . Но это в теории, на практике же все обстоит несколько иначе. Величина этого напряжения может незначительно отличаться для различных типов батарей от разных производителей. В технической документации на аккумуляторные батареи четко указывают значение напряжения заряда и информацию по его поправкам для тех случаев, когда температура окружающей среды отличается от нормальной (25°С ). Необходимо отметить, что в реальных устройствах это напряжение тоже может незначительно отличаться, в зависимости от того, какой режим заряда батареи решил использовать производитель UPS. В сервисной документации на UPS должна быть представлена информация о величине зарядного напряжения для каждой конкретной модели источника бесперебойного питания. Подобные данные для UPS такого производителя, как APC представлены в табл.2 . А вот что же должно быть в источниках других моделей и других брендов, к сожалению, можно выяснить лишь опытным путем, работая с абсолютно исправными устройствами.

Таблица 2. Величина зарядного напряжения некоторых моделей ИБП компании APC

Модель UPS фирмы APC	Выходное напряжение зарядного устройства
Back-UPS 250EC/250 EI	13 . 8 (±0.5) VDC
Back-UPS 400 EC/EI/MI	13 . 8 (±0.5) VDC
Back-UPS 600 EC	13 . 8 (±0.5) VDC
Back-UPS 200	от 13.75 до 13 . 8 VDC
Back-UPS 250 (BK250)	13.76 (±0.2) VDC
Back-UPS 360/450/520	от 13.75 до 13 . 8 VDC
Back-UPS 400/450 (BK400/450)	13.76 (±0.2) VDC
Back-UPS 600 (BK600)	13.76 (±0.2) VDC
Back-UPS 900/1250 (BK900/1250)	27.60 (±0.2) VDC
Back-UPS AVR 500I / 500IACH	13.6 (±3%) VDC
Back-UPS PRO 280/300J/420	13.6 (±3%) VDC
Back-UPS PRO 500J/650	13.6 (±3%) VDC
Back-UPS PRO 1000	от 26 . 7 до 28 . 5 VDC
Back-UPS PRO 1400	13.6 (±3%) VDC
Smart-UPS 450/700	от 26 . 7 до 28 . 5 VDC
Smart-UPS 1000/1400	от 26 . 7 до 28 . 5 VDC
Smart-UPS 2200 RM/RMI/RM3U/RM3UI	от 53.4 до 57.0 VDC
Smart-UPS 3300 RM/RMI/RM3U/RM3UI	от 53.4 до 57.0 VDC
Smart-UPS 250 (1G и 2G)	от 20.4 до 21.2 VDC
Smart-UPS 370/400 (1G и 2G)	от 27.05 до 27.9 VDC
Smart-UPS 600 (1G и 2G)	27.60 (±0.2) VDC
Smart-UPS 900/1250 (1G и 2G)	27.60 (±0.2) VDC
Smart-UPS 2000 (1G и 2G)	55.1 (±0.55) VDC
Smart-UPS RM 700/1000/1400	27.60 (±0.27) VDC
Matrix - UPS	55.3 (±0.5) VDC

Заряд считается завершенным, если ток заряда остается неизменным в течение трех часов. Если не осуществлять контроль за постоянством напряжения на батарее, может наступить ее перезаряд. В результате электролиза, из-за того, что негативные пластины перестают активно поглощать кислород, вода электролита начинает разлагаться на кислород и водород, испаряясь из батареи. Уровень электролита в батарее снижается, что приводит к ухудшению протекания в ней химических реакций, и ее емкость будет уменьшаться, а срок службы – сокращаться. Поэтому заряд таким методом должен протекать при обязательном контроле напряжения и времени заряда, что позволит увеличить срок службы батареи.

На этот метод заряда следует обратить внимание, как на самый простой. Ранее в отечественной литературе при заряде негерметичных свинцово-кислотных батарей считалось нормой производить их заряд начальным током, равным 0.1С в течение 8 – 12 часов при напряжении заряда из расчета 2.4 В на элемент батареи.

На рис.1 в качестве примера показаны характеристики заряда 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей, разряженных на 50 % и 100 %. Степень разряда определяется напряжением конца разряда на батарее.

Рис.1 Характеристики заряда 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей

При заряде постоянным напряжением, зарядное устройство должно иметь таймер для отключения батареи по окончании заряда или другое устройство, обеспечивающее контроль времени или степени заряда батареи и выдающее сигнал отключения управляющему устройству. Эту функцию в современных источниках бесперебойного питания выполняет микропроцессор, который осуществляет контроль заряда батареи. Ограничение времени заряда позволяет избежать как ее недостаточного заряда, так и перезаряда. Следует помнить, что прерывание заряда сокращает срок службы аккумуляторной батареи.

Нельзя заряжать полностью заряженную батарею - перезаряд может привести к ее порче. При цикличной эксплуатации батареи время заряда не должно превышать 24 часов.

Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда

Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда, как и следует из его названия, происходит в два этапа:

- сначала заряд при более высоком напряжении заряда;

- а затем заряд при более низком напряжении заряда (струйный или компенсирующий заряд).

Работу зарядного устройства поясняет график характеристики заряда (рис.2). Заряд начинается с подачи на батарею повышенного напряжения заряда. При этом ток начала заряда выбирают, как правило, равным 0.15 С, а время первого этапа заряда – около 10 ч. По мере заряда батареи ток заряда уменьшается, и, когда его значение достигнет определенной величины, зарядное устройство перейдет в режим струйной подзарядки малым током (обычно 0.05С ).

Рис.2 Метод двухступенчатого заряда при постоянном напряжении заряда

При двухступенчатом заряде начальный ток первого этапа не должен превышать значения 0.4С , а ток струйной подзарядки – 0.15С . Типовые значения напряжений заряда при различных температурах окружающей среды для 12-вольтового аккумулятора приведены в табл.3 .

Этап заряда	Типовое значение напряжения заряда , В
Этап заряда	0° С	25° С	40° С
Основной	15.4	14.7	14.2
Компенсирующий	14.1	13.7	13.4

Важным преимуществом данного метода является сокращенное время заряда батареи при переходе из рабочего режима в дежурный, до состояния струйной (компенсационной) подзарядки при малой величине тока заряда.

Метод компенсирующего заряда

Метод компенсирующего заряда, который называют также методом струйной подзарядки, обычно применяют на заключительной стадии процесса заряда. Однако применяют его и как самостоятельный метод заряда при заряде свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, работающих в дежурном режиме, т.е. в качестве резервного источника питания. В таком источнике в случае сбоя основного источника в работу вступает аккумуляторная батарея. Если ее разряд был непродолжительным, и емкость снизилась незначительно, то для заряда будет достаточен компенсирующий заряд батареи, который обеспечит постепенное восстановление ее рабочей емкости. Однако при глубоком разряде потребуется применение другого зарядного устройства, способного обеспечить достаточно высокий ток заряда. В случае глубокого разряда и последующей за ним струйной подзарядке может произойти сульфатация пластин батареи со всеми вытекающими последствиями. Выход из положения может заключаться в недопущении глубокого разряда, что обеспечивается микропроцессором UPS, следящим за уровнем разряда батареи.

При компенсирующем заряде следует также учитывать, что длительный заряд при незначительных колебаниях напряжения заряда существенно снижает срок службы батареи. Поэтому должна быть предусмотрена его стабилизация. Желательно, чтобы отклонение напряжения заряда от нормы не превышало ±1 % . Кроме того, поскольку зарядные характеристики в значительной степени зависят от температуры окружающей среды, зарядное устройство должно иметь схему термокомпенсации.

Нельзя утверждать, что компенсирующий заряд столь полезен для свинцово-кислотных батарей, потому что этот метод обычно используют в двух случаях: при их незначительном разряде и для подзарядки заряженных батарей с целью компенсации их саморазряда.

Для свинцово-кислотных аккумуляторов недопустим недостаточный заряд, т. к. это приводит к сульфатации отрицательных пластин. Но в равной степени, недопустим и перезаряд, вызывающий коррозию положительных пластин. При компенсирующем заряде, если он продлится слишком долго, начнется перезаряд батареи и, кроме того, будет происходить вскипание электролита.

Итак, из всего вышесказанного, можно сделать вывод о том, что в наиболее массовых источниках бесперебойного питания используются самые простые методы заряда – метод заряда постоянным напряжением и метод компенсирующего заряда.

Еще необходимо отметить, что при выборе значения напряжения заряда необходимо учитывать температуру окружающей среды: при ее высоких значениях требуется напряжение немного уменьшить, а при низких – увеличить. Именно поэтому в хороших зарядных устройствах, предназначенных для эксплуатации в широком диапазоне температур, имеется специальная схема, контролирующая температуру окружающей среды и обеспечивающая установку напряжения компенсирующего заряда в соответствии с ее значением.

В принципе, говорить обо всех особенностях аккумуляторных батарей и их зарядных устройств, можно еще достаточно долго, но все-таки вернемся к теме нашей публикации и начнем знакомство с практическими вариантами зарядных устройств. Но вся приведенная здесь информация, надеемся, поможет нашим читателям лучше понять все то, что будет представлено далее.

Зарядные устройства на базе линейных регуляторов напряжения

Зарядные устройства в виде линейных регуляторов напряжения на сегодняшний день очень редко используются компанией APC в своих источниках бесперебойного питания. Линейные регуляторы широко использовались в моделях первого (1G) и второго (2G) поколений, и их использование чаще всего было характерно для моделей с небольшой выходной мощностью.

Что же касается других производителей, то они до сих пор продолжают использовать линейные регуляторы в качестве зарядных устройств, т.к. имена эта топология является наиболее простой как в проектировании, так и в практической реализации.

Блок–схема зарядного устройства на базе линейного регулятора напряжения представлена на рис.3, который и демонстрирует всю простоту схемы. Обязательным элементом схемы является понижающий низкочастотный трансформатор. В качестве которого, кстати, может использоваться основной силовой трансформатор источника бесперебойного питания. В этом случае в трансформаторе имеется дополнительная понижающая обмотка. Такое решение позволяет избежать применения отдельного трансформатора, что позволяет снизить и стоимость, и массу UPS.

Рис.3 Архитектура зарядного устройства ИБП (линейный регулятор)

Преобразование переменного напряжения в постоянное, традиционно, осуществляется выпрямителем на базе диодного моста, с которого выпрямленное напряжение поступает на схему регулятора-стабилизатора.

Режим работы регулятора напряжения может определяться двумя схемами:

- схемой ограничения тока стабилизатора;

- схемой термической регулировки.

Обе эти схемы являются опциональными и их наличие характерно для зарядных устройств более высокого класса. В простейших зарядных устройствах, работающих в режиме заряда постоянным напряжением, они чаще всего отсутствуют.

Включение и выключение регулятора напряжения осуществляется микропроцессором (или другим контроллером, выполняющим функцию главной управляющей микросхемы UPS) посредством сигнала ON/OFF . Включение и выключение зарядного устройства осуществляется микропроцессором, который анализирует состояние сигнала уровня заряда аккумулятора и сигнала AC-OK (сигнала наличия на входе UPS переменного сетевого напряжения).

Подавляющим большинством разработчиков UPS используется микросхема LM317 в качестве основы линейного регулятора зарядного напряжения. Эта универсальная микросхема трехвыводного стабилизатора положительного напряжения, позволяющая проектировать стабилизаторы с выходным напряжением от 1.2В до 37В и током нагрузки до 1.5А . Мы не будем сейчас распространяться по поводу LM317, ведь любой желающий найдет о ней самую подробную информацию как через Internet, так и в отечественных справочниках по зарубежной элементной базе. Единственное, на чем хотелось бы остановиться, так это на особенностях включения стабилизатора и методах программирования уровня выходного напряжения.

Стабилизатор LM317 удобен тем, что требуют всего двух внешних резисторов для задания уровня выходного напряжения. Кроме того, показатели нестабильности по току нагрузки и напряжению у LM317 гораздо лучше, чем у стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. LM317 имеет встроенную схему защиты от перегрузки, схему ограничения тока, схему защиты от перегрева, схему защиты от несоблюдения области безопасной работы.

Конфигурация внешних резисторов и направление токов, протекающих через выводы LM317, показаны на рис.4. Стабилизатор обеспечивает опорное напряжение Vref = 1.25 В (напряжение между выходным и управляющим выводами). Это опорное напряжение прикладывается к задающему ток резистору R1 . Значение же выходного напряжения определяется по формуле (1):

Vout=Vref(1+R2/R1)+I ADJ R2 (1)

Рис.4 Стабилизатор LM317

Ток через управляющий вывод не превышает значения 100мкА и в данной формуле входит в слагаемое, определяющее погрешность. Поэтому при разработке стабилизатора ток I ADJ стремятся предельно снизить, и, таким образом, уменьшить, насколько это возможно, изменения выходного напряжения и тока нагрузки. Для этой цели, весь ток потребления протекает через выходной вывод микросхемы, определяя минимально необходимый ток нагрузки. Если нагрузка на выходе не достаточна, то выходное напряжение будет расти. Для предотвращения этого явления в зарядных устройствах вводится следящая цепь, которая при увеличении выходного напряжения (а это может происходить по мере заряда аккумуляторов) корректирует номиналы резистивного делитель, и, в частности, эквивалентное сопротивление резистора R2. Пример такой следящей связи представлен на рис.5. В представленной схеме датчиком выходного напряжения является резистивный делитель R4/R5 . Увеличение выходного напряжения приводит к открыванию транзистора Q1 и подключению резистора R3 параллельно резистору R2 . В результате, эквивалентное сопротивление резистора R2 уменьшается, что приводит к снижению величины выходного напряжения. Аналогичным образом можно компенсировать и величину зарядного напряжения при изменении окружающей температуры. Для этого вместо резистора R5 достаточно установить терморезистор.

Рис.5 Следящая цепь позволяет предотвращать изменение выходного напряжения и тока нагрузки

Ни один из выводов микросхемы не должен быть подключен к "земле" в обязательном порядке. Подключение к "земле" осуществляется через соответствующий делитель. Поэтому данный стабилизатор, как говорят, имеет "плавающие" относительно "земли" потенциалы выводов. Как результат этого, с помощью LM317 могут стабилизироваться напряжения в несколько сотен вольт, при условии, что не будет превышен допустимый предел разности напряжений между входом и выходом (максимальное значение разности не должно превышать 40В ).

Необходимо отметить, что микросхема LM317 удобна для создания не только линейных стабилизаторов с программируемым выходным напряжением, но и для создания простых регулируемых импульсных стабилизаторов, хотя именно такое решение в источниках бесперебойного питания, практически, не встречается.

Подключение управляющего вывода ADJ (конт.2) к «земле» приводит к тому, что выходное напряжение стабилизатора задается на уровне 1.2 В , при котором большинство нагрузок начинает потреблять мизерный ток, т.е., фактически, нагрузка выключается. Именно по такому принципу осуществляется включение/выключение зарядного устройства. Для этого в схему вводится транзистор, включаемый между «землей» и контактом ADJ . Транзистор управляется TTL-сигналом, формируемым микроконтроллером рис.6.

Рис.6 Включение/выключение стабилизатора LM317

Открывание транзистора приводит к шунтированию на землю вывода ADJ и выключению зарядного устройства. Запирание же транзистора позволяет включить зарядное устройство и сформировать на выходе LM317 напряжение, величина которого задана внешним резистивным делителем. Шунтирование управляющего вывода может осуществляться не напрямую на «землю», а через резистор (рис.7 ). В этом случае на выходе зарядного устройства формируется уже не 1.2В, а несколько большее напряжение, однако, все равно, с достаточно низким потенциалом, что, фактически, соответствует прекращению работы зарядного устройства.

Рис.7

Кроме управляющего транзистора, в схеме зарядного устройства часто имеется еще и ограничитель тока, который отключает стабилизатор LM317 в случае превышение тока нагрузки (в данном случае тока заряда аккумуляторов) сверх установленного значения. Вариант зарядного устройства с ограничителем тока представлен на рис.8. Именно так и выглядят зарядные устройства подавляющего большинства источников бесперебойного питания компании PowerCom модельного ряда KING (семейство KIN ) и модельного ряда Black Knight (семейство BNT ). В данной схеме величина тока, при котором происходит ограничение, задается, в первую очередь, номиналом резистора R3 . Падение напряжения на резисторе R3 управляет транзистором Q1 . Резистор R3 с сопротивлением 1 Ом устанавливает предельное значение тока 0.6А . А в принципе, величина выходного тока, при котором осуществляется ограничение, т.е. величина тока короткого замыкания (КЗ) вычисляется по формуле (2):

Iкз = 600 mV / R3 (2)

Рис.8 Зарядное устройство ИБП PowerCom семейств KIN/BNT

На этом рассмотрение особенностей микросхемы LM317 мы заканчиваем и переходим к обзору практических схем зарядных устройств различных источников бесперебойного питания.

Единственное, на что еще можно обратить внимание, так это на то, что у микросхемы LM317 имеется и отечественный аналог – это стабилизатор 142ЕН12 , который ничем от нее не отличается (ни характеристиками, ни типом корпуса, ни внутренней схемой, ни схемами применения).

Рис.9 Зарядное устройство ИБП APC Back-UPS 600 (шасси 640-0208E)

На рис.9 представлен первый пример использования LM317 для построения зарядного устройства. В этом примере на вход стабилизатора подается выпрямленное, но не сглаженное напряжение, получаемое на выходе диодного моста из пониженного сетевого переменного напряжения. В результате, на выходе стабилизатора, также формируется не постоянное напряжение, а «параболы со срезанными верхушками». Ограничение параболы осуществляется на уровне напряжения стабилизации, который, в первую очередь, задается резисторами R9 и R11 . Более точная подстройка этого напряжения осуществляется делителем R10/VR1 . Таким образом, переменный резистор VR1 позволяет подрегулировать величину выходного напряжения зарядного устройства. Сглаживание выходного напряжения зарядного устройства осуществляется электролитическим конденсатором C3 .

Рис.10 Зарядное устройство ИБП PowerCom KIN 800/1500AP

На рис.10 приводится схема зарядного устройства, использующегося во многих моделях семейств KIN и BNT фирмы PowerCom. Это зарядное устройство строится по классической схеме с ограничением по току. Величина выходного напряжения зарядного устройства задается резистивным делителем R7/R38. Токовым датчиком, задающим порог токового ограничения, является резистор R51 . Токовый датчик управляет транзистором Q8 , с помощью которого осуществляется блокирование стабилизатора в момент превышения током порогового значения. Включение/выключение зарядного устройства осуществляется транзистором Q10 , который управляется сигналом ON/OFF от микропроцессора.

Рис.11 Зарядное устройство ИБП PowerCom KIN 425/625AP

На рис.11 представлена еще одна схема зарядного устройства для UPS компании PowerCom. Эта схема также построена на основе классической схемотехники зарядного устройства с токовым ограничением, однако в ней предусмотрено изменение режимов работы зарядного устройства. Изменение режимов работы, т.е. программирование зарядного устройства, осуществляется сигналом VOLT_SELECT , который является дискретным сигналом и генерируется микропроцессором. Этим сигналом изменяются параметры резистивного делителя, задающего выходное напряжение стабилизатора, и в частности изменяется сопротивление «нижнего» резистора (R2 на рис.4). Установка сигнала VOLT_SELECT в высокий уровень приводит к открыванию транзистора Q12 и запиранию Q7 . В результате «нижним» резистором делителя становится резистор R15 . Установка же сигнала VOLT_SELECT в низкий уровень приводит к открыванию транзистора Q7 и закрыванию Q12 , в результате чего «нижним» резистором делителя становится R17 c другим номиналом сопротивления, что, в итоге, приводит к изменению выходного напряжения зарядного устройства.

Включение и выключение зарядного устройства осуществляется сигналом ON/OFF и транзистором Q18 , при открывании которого управляющий вывод стабилизатора LM317 (конт.1 ) шунтируется на «землю». Ограничение тока, как обычно, осуществляется транзистором Q19 , который, в свою очередь, управляется токовым датчиком – резистором R35 .

На схеме, изображенной на рис.11 можно видеть еще и наличие датчика работы зарядного устройства, состоящего из R53, R45 и C19 . Этим датчиком генерируется сигнал CHRG_ON сразу же, как только на входе UPS появляется питающее напряжение первичной сети. Этот сигнал своим высоким уровнем сообщает микропроцессору о наличии сетевого напряжения и возможности начала процесса заряда аккумуляторов. Именно по этому сигналу микропроцессор устанавливает сигнал ON/OFF в низкий уровень, что и приводит к запуску зарядного устройства. В принципе, этот датчик можно было бы назвать датчиком наличия сетевого напряжения.

Рис.12 Зарядное устройство ИБП Back-UPS 900/1250 (шасси 640-0209)

Зарядное устройство на рис.12 предназначено для формирования мощного тока заряда аккумуляторов. Но так как LM317 позволяет формировать ток величиной всего лишь до 1.5А , то для увеличения мощности устанавливают параллельно два стабилизатора (IC12 и IC13 ), в результате чего ток нагрузки делится между двумя этими микросхемами примерно пополам, т.е. данное зарядное устройство обеспечивает зарядный ток, величиной до 3А . Величина зарядного напряжения задается резисторами R141, R142, R143 и VR6 . Как и в одном из уже рассмотренных примеров, переменный резистор VR6 позволяет обеспечить точную подстройку напряжения зарядного устройства. Эта операция выполняется на заводе-изготовителе, а также может осуществляться сервисными инженерами при тестировании UPS.

В данной схеме предусмотрен плавный запуск зарядного устройства, т.е. выходное напряжение нарастает постепенно – по экспоненциальному закону. Плавный запуск обеспечивается схемой, состоящей из транзистора Q45 и интегрирующей цепи R166/C48 . В момент появления переменного напряжения на выходе понижающего трансформатора T2 , конденсатор C48 разряжен, в результате чего транзистор Q45 оказывается закрытым. Закрытый Q45 «отсекает» от «земли» резистивный делитель (и, в частности, резистор R142 ), с помощью которого задается величина выходного напряжения зарядного устройства. Однако по мере заряда конденсатора C48 , транзистор Q45 начинает приоткрываться, и задающий делитель подключается к «земле». Напряжение на конденсаторе растет по экспоненциальному закону, в результате чего по такому же закону изменяется выходное напряжение и ток.

Транзистор Q19 является управляющим транзистором, с помощью которого осуществляется включение и выключение зарядного устройства. Управляется транзистор сигналом ACFAIL , который устанавливается в высокий уровень в момент пропадания сетевого напряжения. Активизация сигнала ACFAIL приводит к открыванию транзистора Q19 и выключению зарядного устройства.

Кроме того, в данной схеме предусмотрена и термическая компенсация зарядного напряжения, и термическая защита. Для этих целей предназначен терморезистор R161 и управляемый им транзистор Q18 , который, в свою очередь, управляет транзистором Q19.

Кроме LM317 в зарядных устройствах могут применяться и интегральные трехвыводные стабилизаторы на фиксированное напряжение. Эти стабилизаторы имеют три вывода: входное напряжение, выходное напряжение и «земля». Именно относительного «земли» эти стабилизаторы и ограничивают свое выходное напряжение. Из всего многообразия таких микросхем, наиболее подходящими для построения зарядных устройств аккумуляторов являются стабилизаторы на 15 Вольт . Однако напряжение 15В является избыточным. Поэтому для снижения величины действующего выходного напряжения эти стабилизаторы заставляют работать в условно-импульсном режиме. Такой режим подразумевает, что на вход стабилизатора подается несглаженное выпрямленное напряжение. В результате, на выходе стабилизатора формируются «срезанные» на уровне 15 Вольт параболы, при сглаживании которых далее получают напряжение около 14 Вольт . Пример такого зарядного устройства представлен на рис.13.

Перед каждым автовладельцем когда-нибудь встает вопрос о том, как зарядить подсевший аккумулятор. Передо мной он тоже однажды возник. И случилось это как всегда неожиданно, в выходной день, в деревне, и как назло, ни у кого поблизости ничего похожего на зарядку не нашлось. Пришлось напрячь извилины и быстренько изготовить из подручных средств простое, но мощное зарядное устройство. И помог мне в этом сгоревший УПС - источник бесперебойного питания для компьютеров. Не вдаваясь в глубокие подробности, просто замечу, что это устройство питает компьютер от встроенного 12-ти вольтового аккумулятора при пропадании напряжения в розетке.

Из сломанного бесперебойника берется самое главное - мощный трансформатор, который обычно остаётся целым, все остальные запчасти из него нам не нужны.

Итак, для изготовления простого зарядного устройства понадобится:

1. Трансформатор от сгоревшего бесперебойника
2. Диодный мост (выпрямитель) 2-4 шт.
3. Конденсатор 100…1000 мкф с напряжением не менее 25 В
4. Радиатор средних размеров
5. Дощечка, фанерка, пластик
6. Термопаста КПТ-8
7. Тестер
8. Паяльник, куски провода

При помощи тестера определяем выводы обмотки, у которых большее сопротивление (от 10 до 50 Ом), это будет сетевая обмотка на 220 В. Выводы вторичной обмотки на 12В более толстые, намотана она более толстым проводом, поэтому у вторичной обмотки сопротивление практически равно нулю.

Выводы, которые шли на выходные разъемы бесперебойника, теперь будут подключены в сеть, а провода, по которым с платы подводилось 12В, будут подключены к выпрямителю.

Еще понадобится несколько выпрямительных диодных мостов GBU406, GBU 605, GBU606, и емкость для фильтра, конденсатор от 100 до 1000 мкф на напряжение не менее 25В (от сгоревшего компьютерного блока питания). Пригодится и небольшой радиатор для диодов. Конечно, можно сделать выпрямитель и на обычных диодах с максимальным током не менее 10 А и обратным напряжением не менее 25 В, но в тот момент под рукой их не оказалось, а впоследствии я тоже использовал готовые выпрямительные мосты, потому что их удобно крепить на радиатор. Выпрямительные мостики складываются стопкой, промазываются теплопроводной пастой и длинным болтом прижимаются к радиатору. Все одноимённые выводы соединяются параллельно. Плюсы с плюсами, минусы с минусами и т.д.

На подходящей по размеру деревянной дощечке, фанерке, или куске пластика крепится трансформатор, радиатор с диодами, монтируется вся схема, подсоединяется шнур с вилкой от старого паяльника - и зарядка готова!

Варианты крепления и компоновки узлов зарядного устройства могут быть любыми, исходя из того, что есть под рукой.

При выпрямленном напряжении на выходе около 18 В зарядное устройство свободно дает ток до 5 А. Обычный аккумулятор заряжается за час, сильно посаженный - за 3…4 часа. У многих автомобилистов в нашем селе теперь такая зарядка есть.

Более того, для лучшего заряда аккумуляторов я придумал подключать зарядное устройство, в импульсном режиме. Импульсное конечно, громко сказано, это лишь значит, что оно подключено в розетку через электромеханическое реле времени.

Это простое суточное электромеханическое реле, родом оно из поднебесной, в магазине продают по 150 руб.