Одним из наиболее распространенных способов определения момента окончания зарядки аккумулятора является истечение заранее известного времени зарядки неизменным током (так называемая зарядка по времени). При зарядке по времени предполагается, что ток в процессе зарядки не изменяется. Однако в действительности в процессе зарядки ток изменяется из-за влияния различных дестабилизирующих воздействий: нестабильности питающего напряжения, увеличения напряжения на зажимах батареи и других внешних факторов. Поскольку внутреннее сопротивление аккумуляторов весьма невелико, даже небольшое изменение напряжения питающей сети может вызвать значительное изменение зарядного тока. Для поддержания зарядного тока на неизменном уровне можно использовать стабилизатор тока, однако это значительно усложняет конструкцию зарядного устройства и снижает его коэффициент полезного действия. Зарядные устройства промышленного изготовления для автомобильных аккумуляторов не обеспечивают стабилизацию величины зарядного тока.
Известно, что для полной зарядки аккумулятора ему необходимо сообщить определенный электрический заряд (количество электричества), равный произведению времени зарядки на средний за все время зарядки ток. В таком случае момент окончания зарядки можно определять не истечением определенного времени, а величиной сообщенного аккумулятору заряда. При этом изменения тока в процессе зарядки не повлияют на величину сообщенного заряда, а лишь приведут к увеличению или уменьшению времени зарядки.
Необходимость измерения заряда возникает и в других случаях. Так, проводя тренировочную разрядку аккумуляторов, полезно знать емкость, которая будет ими отдана при разрядке до минимально допустимого напряжения. При проведении различных эле-
ктрохимических процессов (например, гальванопластики) также возникает необходимость измерения заряда, прошедшего через раствор.
Для реализации указанных целей (т.е. для измерений заряда, прошедшего через измерительную цепь в условиях нестабильного тока) и было создано описываемое ниже устройство.
Принципиальная схема устройства приведена на рис. 136. Основой устройства является преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), выполненный на микросхеме DA1. Напряжение на вход ПНЧ поступает с токоизмерительных резисторов Rl, R2 (в зависимости от выбранного тумблером SA1 предела измерения), поэтому напряжение на входе ПНЧ пропорционально току зарядки. Поскольку функция преобразования ПНЧ линейная, частота на выходе ПНЧ прямо пропорциональна току зарядки.
На работе интегрального преобразователя КР1108ПП1 остановимся подробнее. Эта микросхема представляет собой преобразователь напряжения в частоту интегрирующего типа. Он может преобразовывать положительные и отрицательные уровни напряжения величиною до 10 В в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых прямо пропорциональна входному напряжению и определяется номиналами конденсаторов С1, С3 и резисторов R4, R5. Расчет требуемого коэффициента преобразования будет приведен ниже.
Импульсы напряжения с выхода ПНЧ поступают на вход Z микросхемы DD1. Как известно, микросхема К176ИЕ12 представляет собой генератор частотой 32768 Гц (при подключении внешних времязадающих цепей), а также счетчики с коэффициентом деления 2^15=32768 (выходные импульсы снимаются с вывода 4) и с коэффициентом деления 60 (выходные импульсы снимаются с вывода 10). В примененном здесь схемном включении генератор не используется, а импульсы с выхода ПНЧ, поданные на вход Z (вывод 12 микросхемы DD1), поступают на первый триггер делителя. Частота импульсов, снимаемых с выхода последнего триггера делителя (вывод 10 микросхемы DD1), меньше частоты входных импульсов в 32768х60=1966080 раз. Коэффициент преобразования ПНЧ выбран таким, что при напряжении на входе ПНЧ 1 В импульсы на выходе счетчика М следуют с интервалом 0,1 часа, или 360 с. В зависимости от того, включены в измери-
тельную цепь оба резистора Rl, R2 или только резистор R2, один импульс на выходе счетчика соответствует прошедшему через измерительную цепь электрическому заряду соответственно 0,1 А-час или 1 А-час. Несложный расчет позволяет определить требуемый коэффициент преобразования ПНЧ: 1966080/360=5461 (Гц). Поскольку эта частота значительно, а именно в 50 раз, превышает частоту двухполупериодного выпрямителя сетевого напряжения, погрешность преобразования ПНЧ при измерении заряда, переносимого пульсирующим током, будет незначительной (что, кстати, было подтверждено экспериментально).
Для подсчета числа ампер-часов или десятых долей ампер-часов использован двухразрядный двоично-десятичный счетчик, выполненный на микросхемах DD2 и цифровых семисегментных люминесцентных индикаторах HG1. Счетчик первого разряда условно на схеме обозначен С1, а счетчик второго разряда — С2. Микросхема К176ИЕ4 представляет собой двоично-десятичный счетчик, совмещенный с дешифратором для преобразования кода счетчика в код семисегментного индикатора. Изменение состояния счетчика происходит по спадам входных импульсов, а установка в исходное состояние производится подачей напряжения высокого уровня на вход R. Сигнал переноса снимается с выхода Р.
Для задания момента отключения источника зарядного тока после протекания требуемого заряда использованы микросхемы DD3 и галетные переключатели SA3, имеющиеся в обоих счетчиках С 1 и С2. Микросхема К176ИЕ8 представляет собой преобразователь числа импульсов в позиционный десятичный код (т.е. счетчик-дешифратор). Ее первый счетный вход CN соединен с входом микросхемы DD2, изменение состояния триггеров происходит по спаду входных импульсов. На второй счетный вход СР для обеспечения требуемого режима работы подано напряжение высокого уровня. Установка в исходное состояние производится подачей напряжения высокого уровня на вход R. К выходам счетчика-дешифратора DD3 подключены контакты галетного переключателя SA3, а подвижный контакт этого переключателя соединен с одним из входов логического элемента 2И-НЕ DD4.1;
на второй вход этого элемента поступает сигнал с подвижного контакта галетного переключателя, работающего во втором разряде счетчика С2.
Для обеспечения режима измерения заряда необходимо с помощью галетных переключателей SA3 установить требуемое значение величины заряда, тумблером SA1 выбрать цену младшего разряда счетчика, контакты разъема XI включить в разрыв цепи нагрузки в соответствии со схемами, представленными на рис. 137, подать напряжение сети на контакты разъема Х2 и замкнуть контакты тумблера SA2 "Пуск". (На рис. 137 ИЗ — измеритель заряда, ИТ — источник тока или зарядное устройство). На схеме рис. 137,а показано включение устройства для измерения количества электричества в режиме зарядки аккумулятора или в режиме осуществления электрохимического процесса, а на рис. 137,6 — включение устройства для измерения количества электричества в режиме разрядки аккумулятора. При этом, если через контакты разъема XI потечет ток, на входе ПНЧ появится напряжение в диапазоне от 0 до 1 В, а на выходе ПНЧ — прямоугольные импульсы, частота следования которых прямо пропорциональна току через нагрузку.
Через некоторое время на выходах счетчиков DD3, соответствующих числу, заданному положением подвижных контактов галетных переключателей SA3, появится напряжение высокого уровня, на выходе логического элемента DD4.2 — также напряжение высокого уровня. Начнет работать генератор, выполненный на логических элементах DD4.3, DD4.4 (генерируемая им частота составляет около 2 кГц); звуковой излучатель BF1 подаст сигнал, указывающий на окончание протекания в цепи нагрузки требуе-
мого количества электричества. Одновременно откроется транзистор VT1 и сработает электромагнитное реле К1. контакты К 1.1 которого разомкнутся и обесточат цепь нагрузки. В таком состоянии устройство будет находиться до тех пор. пока его. не отключат от сети.
Измеритель заряда питается от двуполярного стабилизатора напряжения, выполненного на микросхемах DA2, DA3. Выходное стабилизированное напряжение каждой из этих микросхем составляет 9 В. Для понижения сетевого напряжения использован унифицированный трансформатор (серии ТПП), разработанный специально для питания аппаратуры на полупроводниках. Конденсаторы С6 — С10 защищают микросхемы устройства от помех и устанавливаются по одному около каждой из микросхем DD1 — DD3.
Электрод, символизирующий точку индикатора HG1 счетчика С1, соединен с выходом S2 микросхемы DD1. Частота импульсов на этом выходе в 120 раз больше частоты импульсов на выходе М этой микросхемы; при напряжении на входе ПНЧ 1 В точка индикатора зажигается с периодом примерно 3 с, индицируя протекание тока через цепь нагрузки. Чем больше ток, тем чаще зажигается индикаторная точка.
Нити накала люминесцентных индикаторов питаются от источника отрицательного напряжения -9 В (а не от источника +9 В). Это сделано для увеличения разности напряжений между анодами и катодом индикатора, что приводит к увеличению яркости индикатора. В данном устройстве люминесцентные индикаторы питаются пониженным напряжением (паспортное напряжение для них составляет 20... 30 В), однако благодаря этому аноды индикаторов можно подключать непосредственно к выходам счетчиков К176ИЕ4 без дополнительных транзисторных ключей.
О деталях устройства. Используемые микросхемы аналогов в других сериях не имеют, за исключением К176ЛА7, которую можно заменить на К561ЛА7. Цифровые индикаторы ИВ-3А можно заменить на ИВ-6, однако последние имеют большие габаритные размеры и ток нити накала, поэтому придется подобрать резистор R7. Транзистор VT1 — любой кремниевый маломощный структуры n-р-n. например, серий КТ312. КТ315, КТ503. КТ3117. Диодные мосты VD1.VD2 могут быть из серий КЦ402 — КЦ405 с любыми буквенными индексами. Диод VD3 — любой с током не
менее 30 мА и любым обратным напряжением (например, КД503, КД509, КД510, КД513, КД521, КД522 с любыми буквенными индексами). Конденсаторы С4, С11 — оксидные типа К50-16 или К50-35; С3 — К73-17, К73-24 (этот конденсатор должен иметь небольшой температурный коэффициент емкости, поскольку от него зависит стабильность коэффициента преобразования ПНЧ); остальные конденсаторы — любых типов (КМ-5, КМ-6, К 10-17, К10-23 и др.). Резистор R2 — С5-16В мощностью 10 Вт (его можно также изготовить самостоятельно, намотав провод высокого сопротивления на корпусе резистора типа ПЭВ, С5-16В любого номинала; подстроенный резистор R4 — многооборотный типа СП5-2; остальные резисторы — МЛТ, С2-23, С2-33, причем резистор R1 составлен из двух резисторов, соединенных параллельно (например, номиналами 1 Ом и 10 Ом). Реле К1 — импортное, типа Bestar BS902CS (его обмотка имеет сопротивление 500 Ом, контакты могут коммутировать постоянный и переменный токи до 10 А при напряжении 220 В. Отечественные реле, обладающие при малых (15 х 15 х 20 мм) габаритах такими же параметрами, автору неизвестны. Трансформатор ТПП232 может быть заменен на любой из ряда ТПП231 — ТПП235, при этом следует соединить вторичные обмотки таким образом, чтобы на диодные мосты VD1 и VD2 подавалось напряжение 12... 15 В. Самодельный трансформатор выполняют на ленточном магнитопроводе ШЛ 16х20. Обмотка I содержит 2400 витков провода ПЭВ-1 0,08, обмотки II и III — по 140 витков провода ПЭВ-1 0,25. Звуковой излучатель BF1 —пьезоэлектрический типа ЗП с любыми буквенными индексами. Тумблеры SA1 и SA2— типов П1Т, МТ1 или любые другие, рассчитанные на ток не менее 5 А, галетные переключатели SАЗ — типа МПН-1. Гнездо разъема XI — типа РД-1.
Измеритель заряда собран в пластмассовом корпусе (рис. 138) размером 200х65х180 мм, известном под названием "Конструкция радиолюбителя" (когда-то он был описан в журнале "Радио"). На передней панели корпуса, изготовленной из дюралюминия, установлены цифровые индикаторы, тумблеры и галетные переключатели; на задней стенке корпуса — гнездо разъема XI, держатель предохранителя FU1, а также вывод сетевого провода. Монтаж выполнен на двух платах из текстолита проводами. Размеры плат:
первой — 165х45 мм, она крепится с помощью втулок и винтов к
передней панели; второй — 190х130 мм, она крепится к днищу корпуса. На второй плате установлены элементы, относящиеся к блоку питания (Т1, VD1, VD2, DA2, DA3, С4, С5, С11, С12), а также элементы R1, R2, К1, BF1. Все остальные элементы (кроме XI, FU1), включая цифровые индикаторы, тумблеры и галетные переключатели, установлены на первой плате. Микросхемы стабилизаторов напряжения (DA1, DA2) установлены на радиаторах с охлаждающей поверхностью по 30...40 см^2 каждый.
Настраивают устройство следующим образом. Контакты разъема XI включают в разрыв цепи нагрузки и устанавливают ток равным 1 А. Контакты тумблера SA1 при этом должны находиться в указанном на схеме положении, а контакты тумблера SA2 — замкнуты. Подстраивая переменный резистор R4, устанавливают период следования импульсов на выводе 10 микросхемы DD1 равным 360 с. На этом настройку можно считать законченной.
Максимальный постоянный ток, который может протекать через контакты разъема XI (при замкнутых контактах тумблера SA1), не должен превышать 10 А. Если измеряемый ток имеет форму импульсов (например, при зарядке аккумулятора), то среднее значение тока не должно превышать б... 7 А — в противном случае резистор R2 может перегреться. Это объясняется тем, что отношение действующего значения тока (характеризующего тепловое действие тока) к среднему значению (характеризующему переносимый током заряд) для импульсных (прерывистых) токов больше, чем для постоянного тока или синусоидального. При разомкнутых контактах тумблера SA1 значение тока не должно превышать 1А.
Если в источнике постоянного тока отсутствует амперметр, его можно ввести в измеритель заряда, подключив магнитоэлектрический прибор между общим проводом и правым по схеме контактом разъема XI и подобрав к прибору последовательный шунт.
При необходимости измерять токи больше 10 А следует использовать стандартные шунты, выпускаемые промышленностью. В этом случае надобность в резисторах Rl, R2 отпадает, контакты К 1.1 также нельзя использовать при коммутации токов больше 10 А; клеммы выносного шунта следует соединить с левым по схеме выводом резистора R3 и общим проводом устройства. Освободившиеся контакты реле К1 можно использовать для управления мощным контактором, управляющим источником тока по цепи его сетевого питания либо по вторичной стороне.
