本教程将为12V铅酸蓄电池设计恒压充电器。铅酸电池可以通过不同的方式和模式进行充电。本教程将为铅酸蓄电池设计一种恒压充电器。在充电过程中,一旦达到终端电压峰值,就需要向电池提供有限的电流。根据12V电池的单体电压不同,电池的最大额定电压范围为13.5 V ~ 14.6 V。
在本教程中,充电器电路是为峰值端子电压为14.4 V的铅酸电池充电而设计的。因此,该充电电路以14.4 V的恒压给电池充电,最大提供1.25 a的电流。
组件需要- - - - - -
图1:UPS用12V铅酸蓄电池恒压限流充电器所需部件清单
框图,
图2:LM317型铅酸蓄电池充电器原理框图
电路连接,
这个充电器很容易设计,有以下电路块,每个块服务于一个特定的目的-
1.AC到AC转换-
主电源电压(由电站线路电压降压后由中间变压器供电的电压)约为220-230V AC,需要使用降压变压器将该电压降至所需电压水平。该电路采用额定电压为18V-0-18V/2A的降压变压器。它能够提供2A电流,非常适合电流要求为1.25 a的应用。这个变压器将主线电压降至18V AC。
图3:电源降压电路图
重要的是,降压变压器和桥式整流二极管的额定电流必须大于或等于输出时所需的电流。否则,它将无法提供所需的电流在输出。降压变压器的额定电压应大于要求的最大输出电压。这是由于事实上,电路中使用的LM317 IC需要大约2V的电压降。该电路采用两个LM317集成电路,因此变压器的输入电压必须比所需的最大输出电压大4 ~ 5V,且应在LM317的输入电压范围内。
图4 18-0-18V降压变压器图像
2.交流到直流转换或整流
降压后的交流电压需要整流转换为直流电压。整流是将交流电压转换为直流电压的过程。有两种方法将交流信号转换为直流信号。一种是半波整流,一种是全波整流。该电路采用全波桥式整流器将18V交流电转换为18V直流电。全波整流比半波整流更有效,因为它完全利用了交流信号的正负两面。
在全波桥式整流配置中,四个二极管以这样一种方式连接,电流通过它们只在一个方向上,从而在输出端产生直流信号。在全波整流期间,在同一时间两个二极管成为正向偏压和另两个二极管得到反向偏压。
图5 KBPC3510全桥整流器图像
该电路采用KBPC-3510桥式整流电路。它是一个单相桥式整流器,峰值反向电压为1000 V,平均整流输出电流为35 a。因此,它可以很容易地在反向偏置中屏蔽18v,在正向偏置情况下允许1.25 A电流。除了直接使用KBPC-3510外,四个SR560二极管还可以用来制造一个全波桥整流器,它将允许最大1.5 a的电流,并在反向偏置下能够阻塞18V电源。
图6全桥整流电路图
3.平和- - - - - -
平滑是用电容器对直流信号进行滤波的过程。全波整流器的输出不是稳定的直流电压。整流器输出的频率是主电源的两倍,但仍然包含波纹。因此需要在全波整流器的输出端并联一个电容进行平滑处理。电容器在一个周期内充放电,输出稳定的直流电压。因此在全桥整流器的输出端连接一个电容(电路图中为C1)。
一个陶瓷电容器(如图中C2所示)与这个电解电容器并联,以降低等效输出阻抗或ESR。在充电电路的输出端,应该有一个电容来吸收任何不想要的波纹。但是在这个电路中,电池连接在输出端,就像一个电容一样。因此充电电路的输出端不需要连接任何电容。
图7平滑电容电路图
电路中使用的电容器的额定电压必须高于输入电源电压。否则,电容器将开始泄漏电流由于在其板上的过度电压,并将爆发。在直流电源上工作前应确保滤波电容放电。为此,电容器应与带绝缘手套的螺丝刀。
图8平滑电容图像
4.电压规定使用LM317 -
设计12V铅酸蓄电池的恒压充电器,需要一个恒压源和一个限流器。电压源应提供等于电池最大额定电压的恒定电压。考虑到铅酸蓄电池的充电电流应小于铅酸蓄电池最大额定电流的一半。该电路采用LM317 IC作为14.4 V的恒压源,因为电路中使用的12V电池的终端峰值电压为14.4 V。充电电流采用另一种LM317芯片作为恒流源。这个电流源将限制充电电流为1.25A,所以电池永远不会吸取大于这个值的电流。
电压调节采用LM317。LM317是一种单片正压稳压IC。由于是单片集成,所有元件都内置在同一块半导体芯片上,使得IC体积小,功耗小,成本低。集成电路有3个引脚:1)输入引脚,可以提供最大40v直流电源;2)输出引脚,提供输出电压范围为1.25 V到37v; 3)调整引脚,用于根据施加的输入电压改变输出电压。对于输入高达40 V,输出可从1.25 V到37 V不等。
为了使用集成电路作为恒压源,在输出引脚和地之间使用电阻分压器电路。分压器电路有一个编程电阻(Rp)和另一个输出设置电阻(Rs)。通过取编程电阻和输出电阻的完美比率,可以绘制出所需的输出电压。IC Vout的输出电压由下列公式给出-
V出= 1.25*(1 + (Rs/Rp))(来自LM317 datasheet)
为了稳压电路的稳定性,编程电阻(Rp)的典型值可以在220E ~ 240E之间。在该电路中,编程电阻(program Resistor, Rp)的值取220E。由于输出电压应为14.4 V,因此输出设置电阻(Rs)的值可按-确定
期望输出电压,Vout= 14.4 V
输出设定电阻,Rp = 220E
将Vout和Rp的值带入上式,
14.4 = 1.25*(1+ (Rs/220))
因此,输出设置电阻的值为-
Rs = 2.3K(约)
图9 LM317 IC基恒压电源电路图
为了设计限流电路,需要设计一个恒流源。在电路中另一个LM317被用作恒流源。对于这个,电阻(Rc)连接IC从输出到调整引脚。该集成电路的输出端连接一个陶瓷电容(如图中的C3所示),以避免任何电压尖峰和不必要的噪声。
在正常状态下,当输出端有恒定的电流需求时,317将在其调节端保持1.25V的电压。因此,电阻上的电压Rc也是1.25 v。随着输出电流需求的变化,它也会改变电阻Rc上的压降,但LM317会调整输出电压,以补偿电阻R上恒定的1.25V压降c.
因此,R上的电压c总是1.25 v。因此有恒定的电流流过这个电阻。集成电路的恒流输出可以用下面的公式计算-
我= 1.25 / Rc(来自LM317的数据表)
这里I是输出端的恒流
通过改变电阻R的值可以改变恒流的值c.由于LM317可以提供1.5 a的最大电流,所以R的值c不能小于0.83E。
设计最大充电电流为1.25 A的充电电路。因此,根据上述公式,1.25A电流下的电阻Rc值可计算为-
我= 1.25 / Rc
让I= 1.25A,
Rce = 1
在选择任何电阻器时,都要考虑两个参数,一个是电阻,另一个是瓦数。瓦数取决于流过电阻的最大电流。如果使用低瓦的电阻,那么大电流就会使该电阻升温并对其造成损坏。在这个电路中,从电阻Rc流出的最大电流为1.25 A。因此,电阻器的瓦数可以计算如下-
功率=(横跨R的电压降c)*(最大电流通过Rc)
= 1.25 * 1.25
功率= 1.6 w(约)。
因此,电阻Rc所消耗的最大功率为1.6W。这就是为什么在电路中使用2W的电阻。在这个电路中,电阻Rc被连接为电阻R1。
图10 LM317 IC基恒流源电路图
该电路采用LM317作为限流器。电路中的第一个LM317 IC作为恒流源,提供输入电压给下一个LM317 IC作为恒压源。因此,输出电流或充电电流由第一块LM317集成电路控制。因此,电池吸取的电流可达1.25 A。因此恒流源在这个电路中起着限流器的作用。
图11基于LM317芯片的恒压恒流源电路图
最初,由于电池完全放电,当前对电池的需求更多。由于高电流,LM317 IC开始升温,IC需要更多的压降,从而降低输出电压。因此,建议使用散热器来帮助IC散热,增加IC的散热。除了散热器外,还应该使用热石膏,通过将热石膏涂在IC的两侧,为IC增加额外的冷却。冷却风扇也可以用于散热,可以将来自IC的多余热量吹走。散热器也是一个导体,所以IC引脚不能与散热器一起短,因为这会损坏IC。
5.保护二极管,
二极管D1用于输出,当电路处于关断状态时,阻断来自电池的任何反向电流。这节省了LM317 IC的任何反向电流。
图12保护二极管电路图
充电器电路就像一个恒压电源14.4 V,电流限制为1.25 a。
电路是如何工作的
铅酸电池是一种常用的电池。这些电池用于高电流需求的应用,由于合理的功率重量比是首选。这些低成本电池易于设计和制造。这些电池可以通过以下三种方法充电-
1.恒流
方法:-在这种类型的充电中,通过调节电压向电池提供恒定的电流。这种方法需要一个智能电压传感器电路,它能够感知电压,并在电池电压达到最大额定电压时停止电池充电。
2.恒压
方法:-在该方法中,通过限制电池的充电电流,向电池提供恒定的电压。当电池充满电时,它会消耗非常少的电流(大约是电池额定电流的1-3%),这表明电池充满电。
3.恒流-恒压法:-这是上述两种方法的结合。最初,提供一个恒定的电流,直到电池达到最大额定电压。然后,充电电流减小,充电电路切换到恒压模式。在这种模式下,充电电路只提供维持电池最大电压所需的电流。
因此,随着时间的推移,电流开始衰减,并达到饱和值。因此,这种类型的充电电路需要一些智能电路,可以监测充电电流和电池的终端电压。从而实现了充电电路由恒流模式向恒压模式的转换。当充电电流约为电池额定电流的1 ~ 3%时,电路通过感应电流停止充电。
这些充电方式各有利弊。恒压充电方式是一种廉价有效的充电方式,而恒流恒压充电方式是最有效的充电方式,但电路比较复杂,成本较高。这些收费方式的比较总结如下表-
图13:恒流、恒压、恒流恒压充电的优缺点表
通过对两种充电方式的比较,认为恒压充电器是最合理的选择,既能快速充电,又不需要充电需要复杂的电路。在该电路中,采用LM317芯片作为恒压源,设计了一种恒压恒流充电器当前的限流恒流源。
测试- - - - - -
电路组装完毕后,应测量其输出电压和电流,以检查电路的效率和稳定性。以下是在电路测试期间所做的观察
输出设定电压,Vout = 14.37 V(电池未接输出时)
充电电路测试采用12V/6A铅酸蓄电池进行充电。最初,电池电压为13v,充电到大约7 ~ 8小时后,电池充电到13.5 V。在电池充电期间注意到以下观察结果
图14:铅酸蓄电池恒压限流充电器输出特性表
由以上观察可知,输出设定电压小于14.37 V。这个电压下降是由于二极管D1上的电压下降,D1在输出端串联。当流过二极管的电流D1减少时,二极管在上面的表中可以看到较低的电压降。根据数据表,二极管D1 (SR560)的最小电压降为0.15 V,因此当电池吸取的电流可以忽略不计(小于60 mA)时,输出设置电压可以增加到14.25 V。
在充电电池约7至8小时,在最后1和2小时的充电,电池充电的恒定电流约67 mA,这是大约。电池最大额定电流(6 A)的1%。当电池电流低于67 mA时,电池完全充电。
图15 UPS用12V铅酸蓄电池恒压限流充电器样机
该充电电路只能对额定电流大于等于2000ma的12V铅酸电池充电。该电路具有以下优点
•充电电流可调-
该充电电路提供了1.25 a的最大充电电流,但充电电流可以通过改变电阻R1的值从10mA调整到1500 mA(使用LM317作为恒流源时解释)
•输出设定电压可调-
该充电电路的输出设定电压为14.4 V,通过改变电阻R3的值可以在1.25V到37V之间变化(使用LM317作为恒压源说明)
这是一个仅使用两个LM317芯片的基本充电器电路。该电路只能用于给额定电流大于等于2000毫安的铅酸电池充电。应注意输出不应短路,否则会引起电池端子短路,可能导致电池爆裂,引起火灾事故。连接松动可能导致输出无电压或电压突变。电路被组装在一个手工制作的面包板上,它类似于任何普通的面包板,但专为大功率应用而设计。
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