Источник бесперебойного питания (ИБП) Back-UPS CS500 − отличный донор для создания автоматического зарядного устройства автомобильного аккумулятора

Когда ученики великого французского скульптора Огюста Родена спросили учителя, в чем, собственно, состоит искусство его творчества, он, не задумываясь, ответил: „Я беру глыбу мрамора и отсекаю от нее все лишнее.“ Вот и я, задавшись целью создать зарядное устройство для своего автомобильного аккумулятора, подумал: а почему бы мне для этого не использовать встроенный в Back-UPS CS500 зарядный контроллер? О том, как я «отсекал» в ИБП ненужные для зарядного устройства элементы, и что в результате получилось из моих намерений, пойдет речь ниже.
На Озоне и других торговых маркетах стоимость Back-UPS CS500 превышает 10000 руб., зато на «демократичном» Авито – бери не хочу от 400 руб.
Существующая вероятность получить ИБП с неисправным импульсным контроллером зарядного тока пренебрежимо мала. По статистике гораздо чаще происходит отказ ИБП из-за повреждения мощных транзисторов, нарушения прошивки микропроцессора и износа контактов электромагнитных реле, прежде чем выйдет из строя схемотехнически защищенный от перегрузки высоконадёжный зарядный контроллер. Поэтому заказ был оформлен без колебаний, и через неделю ИБП – донор прибыл. Разборка его на составные элементы оказалась несложной.
Вначале извлекаем из корпуса аккумулятор, если он ещё не демонтирован. В нижней части показанной на рисунке тыловой тёмно-серой панели отворачиваем два винта-самореза, а затем освободившуюся от фиксации панель отводим на себя и поворачиваем относительно неподвижного узкого ребра. Примерно через 60° панель выйдет из зацепления с корпусом, её можно положить на стол. Теперь левая по рисунку половина корпуса открывается наподобие книги и выходит из зацепления с правой половиной. Разъединяем все разъемные соединения и извлекаем основную печатную плату, показанную на рисунке.
Красной рамкой на основной плате очерчен искомый широтно-импульсный зарядный контроллер на интегральной микросхеме TNY255GN. Аккуратно вырезаем его электрическим дремелем с насадкой из малогабаритного диска с алмазным напылением. При отсутствии такого можно воспользоваться обычным ножовочным полотном по металлу.
На плате зарядного контроллера находим точки подключения входного сетевого напряжения и выходных клемм к заряжаемому аккумулятору. Если ориентироваться на диодный мост и соединенные с ним цилиндрические ферритовые дроссели, сетевое напряжение к ним должно подаваться через плавкий предохранитель в стеклянном корпусе. Соответствующие точки подпайки на фото печатной платы отчетливо различимы.
Клеммы с «крокодилами» подпаиваем, соблюдая полярность выводов, непосредственно к оксидному («электролитическому») конденсатору 330 мкФ х 25 В, расположенному возле ферритового импульсного трансформатора.
Проводим первое пробное включение, для чего используем сетевой автотрансформатор и подопытный кислотный аккумулятор емкостью 55 А·ч. Убеждаемся, что в интервале сетевого напряжения 150…250 В мультиметр регистрирует на клеммах аккумулятора абсолютно стабильное напряжение 13,53 В.
На следующем этапе измеряем мощность, потребляемую зарядным устройством. Часы в ваттметре показывают время 10 час. 45 мин. Напряжение на клеммах аккумулятора составляет 12,54 В, поскольку зарядное устройство к сетевому напряжению ещё не подключено. При включении сетевого напряжения (10 час. 45 мин.) зарядное устройство кратковременно потребляет мощность 12,5 Вт, затем, как показано на фото, 9,9 Вт, при этом напряжение на клеммах аккумулятора быстро возрастает до 13,52 В, и потребляемая мощность снижается до 1,8 Вт.
Через час (11 час. 45 мин.) потребляемая мощность, как и ранее, составляет 1,8 Вт, напряжение на клеммах 13,53 В. Измеряемые данные к 15 час. 30 мин. не изменились, дополнительно установленный амперметр в зарядной цепи аккумулятора показывает зарядный ток 84 мА.
Потребляемая зарядным устройством электроэнергия настолько мала, что даже за прошедшие с момента включения 5 часов она составляет всего лишь сотые доли кВт·час, поэтому имеет смысл продлить измерения до утра (06 час. 30 мин.) следующего дня.
Итак, через 20 часов ваттметр зарегистрировал потребляемую мощность 1,1 Вт и расход электроэнергии 0,054 кВт·час. Очевидно, потребляемая мощность и соответствующий зарядный ток аккумулятора показывают устойчивую тенденцию к дальнейшему снижению, поэтому измерения продолжились еще на двое суток, когда ваттметр отмечает четвертый день испытаний, как это видно на фото.
Как и предполагалось, зарядный ток снизился до 24 мА, а потребляемая мощность до 0,7 Вт, что соответствует расходу 16,8 Вт·час в сутки или 0,5 кВт·час за месяц эксплуатации. Такой результат характеризует функционирование зарядных устройств по принципу постоянного зарядного напряжения, а следовательно – при постоянно снижающемся зарядном токе потребляемая мощность также постоянно снижается относительно первоначального значения до тех пор, пока зарядный ток не уравновесит ток саморазряда аккумулятора при разомкнутой нагрузочной цепи (клеммы бортовой сети автомобиля отключены от аккумулятора). Если зарядное устройство подключено к аккумулятору без отключения бортовой сети, тогда необходимо также учитывать электроэнергию, которую расходуют штатные часы, охранная система, головное устройство, блоки управления. Нормальное усреднённое значение тока утечки в машине с выключенным генератором – в районе 70 мА. Именно поэтому производитель ИБП в руководстве по эксплуатации приводит показанную на рисунке таблицу, характеризующую зарядный ток в зависимости от напряжения (остаточной емкости) аккумуляторной батареи.
При этом, очевидно, предполагается, что в ИБП установлена штатная батарея емкостью 7 А·час. Для автомобильных аккумуляторов с емкостью, превышающей примерно десятикратно штатную, не стоит ожидать пропорционального увеличения зарядного тока. При разработке проектировщиками ИБП учитывалось, что определяющее влияние на зарядный ток оказывают индуктивность первичной обмотки импульсного трансформатора, частота переключения (130 кГц) и расчетное значение амплитуды импульсов тока, определяемое продолжительностью открытого состояния коммутирующего транзистора в микросхеме. В случае срабатывания ограничения тока или тепловой защиты интегральная микросхема TNY255GN вернется к нормальной работе, как только ток или температура вернутся к допустимым значениям. Зарядное устройство будет выдавать минимум около 0,3 А в худших условиях. Чаще всего в отсутствие перегрузки зарядный ток составляет от 0,5 до 0,6 ампер, а затем по мере его снижения в каждом рабочем такте импульсного преобразователя происходит пропуск некоторого числа импульсов тока в первичной обмотке трансформатора.
На этом испытания зарядного контроллера ИБП завершаются. Результаты испытаний подтвердили возможность его использования на автомобиле для поддержания почти полной емкости аккумулятора в режиме редких поездок и длительного простаивания в гараже. Как и в штатном режиме на ИБП, зарядное устройство можно держать постоянно включенным в электросеть с клеммами, соединенными с аккумулятором. Однако следует не допускать искрения клемм, для чего все коммутации необходимо производить с обесточенным зарядным устройством. Всего через несколько дней после подключения зарядный ток аккумулятора снижается до десятков миллиампер, компенсирующих саморазряд аккумулятора и ток утечки в бортовой сети автомобиля, и остается на этом уровне сколь угодно долго. Низкое (13,5…13,7 В) зарядное напряжение защищает аккумулятор от «закипания» электролита. Разумеется, для зарядного контроллера следует изготовить прочный и надежный корпус, например, из пластиковой трубы внутренним диаметром 50 мм, как это показано на рисунке.
Внутри трубы плата прочно зафиксирована с помощью термоклея. Зарядный ток подается на аккумулятор через электромеханический амперметр с предельным измеряемым постоянным током 0,5…1 А.
Заключение
Благодарю всех форумчан, дошедших до заключительных слов в обзоре моей самоделки, и хочу напомнить, что зарядное устройство разрабатывалось не мною. Я всего лишь приспособил часть неплохого готового изделия к своим потребностям и убедился, что положительный эффект присутствует. Всем добра и удачи!