Защита от переполюсовки и к.з. зарядного устройства

Надо было разработать портативное зарядное устройство З.У. для зарядки 12V АКБ в полевых условиях. То есть, заряжать один аккумулятор от другого. Причем, зарядный ток — до 15 А. В полевых условиях, в темноте и на морозе перепутать полярность — проще простого. Хотелось сделать так, чтобы при неправильной полярности ничего не перегорало, а просто гудел зуммер.

Самая простая известная схема защиты — с предохранителем.
Если предохранитель сгорит — на морозе его не заменишь!


Кроме того, при неправильной полярности на выход З.У. придёт целых — 0.9 Вольт!



Вот так перегорает предохранитель Tesla 20A в схеме с 2-мя диодами шоттки VS42CTQ030. В течение 25 mS на З.У. приходит — 0.9 Вольт! Осциллограф подключен к точке А
Большинство микросхем не выдерживает обратной полярности более — 0.6 Вольт. Скорее всего, З.У. при этом выйдет из строя. Хотя и без особого дыма:)

Схема на реле меня тоже не устроила.
Реле включится, если правильно подключить аккумулятор. Просто, дёшево и сердито. Кроме одного но! Если подключить АКБ правильно, а потом снова подключить АКБ, не отключая З.У. НЕПРАВИЛЬНО — то всё сгорит! Ведь, пока З.У. включено, реле уже не отпустит.



Часто можно встретить и другую схему:


Однако, в ней присутствует шунт. При токе 15А потери на шунте будут значительными. А для портативного устройства каждый ватт на вес золота!
Нам нужен был общий КПД 94…96%. Без применения принудительной вентиляции З.У.

Давайте теперь посмотрим мою схему:

Работает она следующим образом: На вход (точкаА) приходит напряжение от З.У. которое ограничено по току до 15А, +10…+15 V. От него питается дифференциальный компаратор DA1 через диод VD2. На положительном входе компаратора всегда +0.1V (определяется диодами VD1 и делителем R2, R3). Пока АКБ не подключена, на отрицательном входе компаратора 0v и силовой ключ VT1 закрыт.
Когда АКБ подключена правильно, и напряжение на ней более 4V, стабилитрон VD4 открывается. На отрицательном входе компаратора появляется +0.2V > +0.1V и силовой ключ VT1 открывается. Начинается заряд батареи.


Если теперь отключить АКБ и поменять её полярность, то на отрицательном входе компаратора появляется -0.2V и силовой ключ VT1 закроется.
Защита за 0.3 mS отключит батарею от З.У., и минус на него не придет. На входе компаратора будет только -0.2V, что допустимо на неограниченное время. Как видим, никаких шунтов в этой схеме нет! В момент переполюсовки или К.З. питание компаратора обеспечивается за счёт конденсатора С2 и он всегда остаётся “в сознании”.

Подсоединяем осциллограф. Одиночная синхронизация по спаду напряжения на выходе защиты. Подключаем АКБ сначала правильно (зарядка пошла), а потом неправильно.
Жёлтый луч — выход устройства защиты.(точка В) Мы видим, что при переполюсовке ПЛЮС меняется на МИНУС.
Синий луч — показывает напряжение на входе устройства защиты.(точкаА) При переполюсовке оно всегда остается положительным. З.У. не выходит из строя. Зуммер издаёт звуковой сигнал.


Аналогично защита срабатывает и при К.З. Правда звука зуммера при этом нет.


Диоды VD5 и VD6 ограничивают нежелательные выбросы напряжения (+30…-15V) при соединении и отсоединении проводов. L-образный фильтр С4, С5 — обязательный атрибут на выходе в соответствии со стандартами автомобильной промышленности.
Все детали, используемые в этой схеме — миниатюрные SMD 0805. Потери на силовом ключе VT1 минимальные — Rds(ON) = 2.4 mOhm, поэтому на печатной плате защита много места не занимает. (выделена красным)
В качестве VT1 можно использовать любые MOSFET P канал. V(ds) = -40…-60V; Id = -100A…-180A; Vgs = -1.5…-2.5V logic level; Ciss < 20 000пФ.


Если напряжение на заряжаемой батарее меньше 4V, или мы хотим зарядить суперконденсатор с нуля, параллельно силовому ключу предусмотрен байпас — на фото — розовое реле с внешним управлением.

Буду рад, если моя защита поможет сохранить ваши З.У.
  • +7
  • 13 марта 2019, 16:18
  • CreLis

Комментарии (16)

RSS свернуть / развернуть
Аналогично защита срабатывает и при К.З. Правда звука зуммера при этом нет.
Можно было управлять зуммером сигналом с компаратора, тогда бы орало при КЗ тоже.
параллельно силовому ключу предусмотрен байпас — на фото — розовое реле с внешним управлением
А зачем реле, если можно подать открывающий сигнал прямо на мосфет?

Зарядное в целом будешь описывать или коммерческая разработка?
0
  • avatar
  • Vga
  • 14 марта 2019, 03:08
Зарядное устройство на фото используется в том числе и для заряда суперконденсаторов с нуля вольт. Поэтому режим К.З. для него не является аварийным. Как раз для этого режима, чтобы не усложнять схему, применяется байпас. Также можно «поднять» и полностью «убитый» аккумулятор с нуля. В этих режимах на точках А и В напряжение будет около 0 вольт и управлять МОСФЕТОМ не так просто. Для случая штатной зарядки аккумуляторов с 5V до 15V Ваши предложения совершенно правильные.

Само зарядное устройство описать можно, если к этой теме есть интерес. Схема большая и придётся её делить на части: силовая часть, цепи защиты, управление зарядным током от МК, блок индикации, EMI и борьба за КПД.
0
В этих режимах на точках А и В напряжение будет около 0 вольт и управлять МОСФЕТОМ не так просто.
Логично. Но если оно используется в составе зарядного — можно использовать и собственное питание зарядника. Релюшка же откуда-то питается.

А схема в целом — лично мне интересно.
0
Банки обычно заряжают током 1/10*С, т.е. 15А на шунте подразумевают зарядку аккума емкостью 150А*ч. У меня на дизеле стоит дай бог 90, а на пузотёрке — 55.

Лично я бы лучше усложнил схему на реле, чем горсть экзотических диодов искал.

Т.Е. навороты у вас за пределами любительских схем. И при всех плюсах, вроде подъема аккума с нуля (а как тут с полярностью быть, из-за которой забракована релейная схема? воткнут банку не той полярностью и что дальше?) штучный экземпляр девайса проще купить, чем повторить
0
«Экзотические» диоды — просто SMD-версии. Если не гнаться за площадью на плате — можно менять на имеющиеся даже в мухосранском ларьке. В целом, при усложнении схемы на реле получится не проще чем тут.
0
Какой у вас маленький дизель. На прошлой работе на дизелях нормой были как раз 2 батареи (24В) на 100 150Ач. и это такте не очень большие дизельные электростанции.
0
Если на банке будет 0V, и мы перепутаем полярность — выйдет из строя аккумулятор, но не зарядное:)
0
Не факт, видел реверснутый автомобильный аккумулятор который на УАЗе несколько лет исправно крутил стартер :)
0
Вы не учли что в стандартном аккумуляторе 6 банок. И 0В на одной из них не означает 0В на остальных. Если 0В на выходе аккумулятора то это скорее всего обрыв в нутри батареи.

Тяговые батареи правда набираются из ячеек 2В но это явно не тот случай ибо тогда придел по току был бы выше.
0
Решение интересное, но вряд ли повторяемое. Повторить можно в принципе, но как говорят ”на хрена козе баян”? Вопрос к чему его лепить. Если просто для подзарядки автомобильного аккумулятора, то слишком сложно. Другое дело питать сложное и дорогое устройство. Примерно двадцать лет назад собрал зарядное устройство для АКБ. Поначалу пробовал различные варианты автоматов зарядки с защитой от дурака, к сожалению вся автоматика когда нибудь подводит. Причем в самый неподходящий момент. В итоге отказался от всех наворотов. Вся конструкция мощный транс, диодный мост на 40 А, галетник и амперметр. Просто взял для себя за правило, не оставлять электро приборы включенными без присмотра. Бывало несколько раз и такое что попадались АКБ заряженные наоборот. То есть в таком виде эксплуатировались на автомобилях. Приходилось разряжать под нагрузкой и перезаряжать уже по правильному. К сожалению не знаю как влияет такая встряска на дальнейшую судьбу АКБ в будущем.
0
Повторяемость хорошая. Схема не требует настройки или подбора компонентов. Защищает она сложное и дорогое устройство, здесь Вы правы! Главное, за что я тут боролся — малый габарит и минимальные потери мощности.
0
Не, на реле проще же:

Вообще можно о полярности подключения не думать.
Перед переподключением аккумулятора — нажимаем кнопку «сброс».
0
*точнее перед подключением аккумулятора!
0
Какой то ток маленький при переполюсовке. По прикидкам ампер 50. У автомобильного внутреннее сопротивление 5мОм. Там токи должны быть очень большие.
Ток КЗ тоже как то маловат. Целых 100мкСек разряжается 1000мкФ. На дорожках что ли падает.
По идее схема повторяет схему с реле. Только это реле убыстрили. Недостаток у нее такой же — при повторном подключении, если оно неправильное, валит огромный ток. Здесь процесс выключения ускорен. Но сверхтоков это не отменяет.
0
  • avatar
  • OlegG
  • 27 октября 2020, 11:22
Обратите внимание, что это защита зарядного устройства. При переполюсовке или при К.З. ток ограничен зарядным током, который поддерживает зарядное устройство. Если таким образом попытаться защитить источник напряжения, то могут возникнуть проблемы, о которых Вы говорите. При повторном подключении защита отключится только тогда, когда на V_OUT напряжение будет правильной положительной полярности и больше 5.6 Вольт. За этим следит VD4.
0
Вы в другой теме дали ссылку на схему зарядки. Так вот там на выходе стоят конденсаторы 4шт по 270мкФ. Наверняка LowESR. Беру первый попавшийся даташит на lowesr 35 вольт алюминиевый конденсатор. импеданс у него 40миллиом. 4 шт параллельно — это 10миллиом.
После выходных конденсаторов стоит транзистор устройства защиты. Снова смотрю в даташит 2,4 миллиома. Порылся в интернете нашел что хороший заряженный автомобильный аккумулятор имеет внутреннее сопротивление порядка 5миллиом.
Допустим зарядили один аккумулятор, устройство осталось во включенном состоянии. Это значит, что на выходе около 14 вольт. Компаратор не при делах — он не может определить откуда к нему на вход идет напряжение — с зарядного или с аккумулятора.
Итого имеем 14 вольт на выходных конденсаторах и включенный транзистор защиты.
Тут на вход подключаем аккумулятор в обратной полярности. Это значит напряжения складываются и общее напряжение равно 26 вольт. И это напряжение приложено к 10 + 2.4 + 5 миллиомам сопротивления. Ток должен быть ОЧЕНЬ большой, хотя и кратковременный.
У вас же токи порядка 50А судя по времени разряда конденсатора в 1000мкФ. 26вольт/50А = 0,5 ома!!! Это наверное очень разряженный аккумулятор. Вот что я имею ввиду, когда говорю о малых токах. Ограничение тока зарядным здесь не при делах. 1000мкФ выходных конденсаторов стоит уже после шунта.
А если зарядное — это чистый источник тока, то все еще хуже. Выходной импеданс очень большой. При подключении неправильной полярности выход зарядного резко провалится в минус на несколько микросекунд, пока транзистор не отключится. Собственно с этим то и боролись ...
Также то же самое и с КЗ. Токи там раза в 3 больше — ампер 150. Опять таки судя по скорости разряда выходных конденсаторов
Это опять таки не согласуется с расчетами. Кратковременный ток должен быть 14В/(10 + 2.4 миллиома). Тысяча ампер однако.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.