Схема выпрямитель универсальный ву 1: Зарядное устройство «Выпрямитель Универсальный — 1» \ «ВУ-1». | Немного обо всём — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Выпрямители с умножением напряжения. УНИВЕРСАЛЬНЫЙ БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

В заключение приводим описание бестрансформаторного выпрямителя с учетверением напряжения, рассчитанного для питания анодных цепей радиолюбительского телевизора, потребляющего ток около 150 мА при напряжении свыше 400 в. Выпрямитель может включаться в сеть переменного тока с напряжением 110-127 или 220 в.

Из всех приведённых выше схем выпрямителей с умножением напряжения самой подходящей для выпрямителя такой мощности является симметричная схема с учетверением напряжения (фиг. 5). При составлении окончательной рабочей схемы предусмотрена возможность переключения его на питание от сети с напряжением 220 в. В этом случае выпрямитель работает по двухполупериодной схеме, но не с учетверением, а только с удвоением напряжения (фиг. 1, а).

Полная схема выпрямителя приведена на фиг. 13.

Фиг. 13. Схема универсального бестрансформаторного выпрямителя.

Переключение на питание от электросети 120 или 220 в, производится перестановкой специальной колодки в ламповой панельке. Чтобы легче разобраться в схеме переключения, соединения в ламповой панельке при питании от сети 120 в показаны на фиг. 13 сплошными стрелками, а при питании от сети 220 в — пунктирными линиями. При включении выпрямителя в сеть напряжением 220 в конденсаторы С1 и С2 отключаются. Отдельно от схемы выпрямителя на фиг. 13 изображена схема соединений в переключающей колодке (вид со стороны штырьков), которая изготовляется из октального цоколя от негодной радиолампы. В переключаемой панельке для направляющего ключа колодки (цоколя от радиолампы) против имеющегося в ней паза прорезается второй паз.

Сглаживание выпрямленного напряжения осуществляется однозвенным ёмкостно-дроссельным фильтром (С5, Др1) с коэффициентом фильтрации около 30.

Фиг. 14. Собранный выпрямитель. а — вид справа: б — вид слева.

Выпрямитель собран на металлическом шасси размером 185х130х70 мм. Вид собранного выпрямителя показан на фиг. 14. На верхней панели шасси расположены два селеновых столбика, содержащие каждый по 26 шайб с выводами от середины. Все шайбы в столбиках собираются в одну сторону. Столбики устанавливаются на шасси рядом, так чтобы их крайние шайбы были разной полярности (в этом случае соединяющий их провод будет самым коротким). Количество шайб в столбиках выбрано минимальным. Если имеются запасные шайбы, число их в каждой половине столбика следует увеличить до 15-16 шт.

Сборка селеновых столбиков должна проводиться весьма тщательно и сопровождаться проверкой годности селеновых шайб с помощью омметра или пробника, составленного из батареи с напряжением 5-10 в и низкоомного вольтметра, к которым последовательно подключается испытуемая селеновая шайба. Показания прибора должны резко отличаться (в 15-20 раз) при изменении полярности подключения шайбы. При меньшем изменении показаний прибора испытуемую шайбу надо считать негодной, и ставить её в столбик нельзя.

После такой проверки необходимо тщательно очистить от коррозии и краски селеновые, пружинные и разделительные шайбы, а также выводные контакты в местах их соприкосновения друг с другом. Чистку рекомендуется производить тонкой наждачной бумагой и тряпочкой, смоченной в ацетоне или амилацетате (грушевая эссенция). Собранные столбики должны быть крепко стянуты гайками стяжных болтов, которые необходимо надёжно изолировать соответствующими изоляционными трубками и шайбами от токонесущих деталей. Эту работу необходимо проделать особо внимательно, ибо плохие контакты и слабая стяжка вызывают увеличение внутреннего сопротивления столбика и приводят к уменьшению выпрямленного тока, перегреву (селеновые столбики допускают нагрев до 70-75° С) и искрению (искрение создаёт помехи как для питающихся от этого выпрямителя радиотехнических устройств, так и для других радиотехнических устройств, расположенных поблизости).

Кроме двух выпрямительных столбиков, на верхней панели шасси расположено проволочное сопротивление R = 10…12 Ом с мощностью рассеяния не менее 5 Вт. Оно берётся готовым или изготовляется из нихромового провода диаметром 0,5 мм и длиной около 2 м. Провод для сопротивления можно намотать на готовом керамическом каркасике от сопротивления типа ВС-5,0. Сопротивление R ограничивает пусковой ток, достигающий без него значительной величины (что приводит к обгоранию контактов выключателя, к сильным помехам при включении электросети и т. п.).

Все остальные детали выпрямителя размещены внутри шасси, причём выключатель Вк и выходные зажимы выведены на одну боковую панель, а предохранитель Пр, шнур и панелька переключения питания — на другую (противоположную). Конденсаторы и дроссель располагаются на свободных местах.

Все конденсаторы в выпрямителе — электролитические типа КЭ-1 (диаметром 26 мм и высотой 60 мм). Для изоляции конденсаторов из тонкого прессшпана склеиваются цилиндры, которые затем пропитываются парафином и надеваются на корпусы конденсаторов. Корпусы конденсаторов можно также оклеить 2-3 слоями лакоткани или обмотать изоляционной лентой. Все это необходимо для изоляции корпусов конденсатора друг от друга, а также от шасси и других деталей, к которым они прикасаются. Надёжность изоляции конденсаторов весьма важна, так как нарушение её может привести к выходу выпрямителя из строя.

Если невозможно достать электролитические конденсаторы нужной ёмкости, то можно вместо одного поставить два или три конденсатора меньшей ёмкости, соединённых параллельно. Важно лишь, чтобы их суммарная ёмкость и рабочее напряжение были не менее указанных на схеме. Для конденсаторов С1 и С2, работающих при значительной величине переменной составляющей, применение группы параллельно соединённых конденсаторов более желательно. Указанная на схеме ёмкость этих конденсаторов минимальная. Её лучше увеличить до 100 мкФ.

Дроссель Др1 содержит 2500-3000 витков провода ПЭ 0,3-0,35. Сопротивление его обмотки равно 70-100 Ом, а индуктивность — порядка 4 Гн. Сердечник дросселя сечением 6 см² состоит из готовых пластин типа Ш-20 и собран с зазором 0,5 мм.

Монтаж выпрямителя выполняется обычным порядком. Детали прикрепляются к шасси и соединяются в соответствии со схемой хорошо изолированным проводом не тоньше 1 мм. Электролитические конденсаторы располагаются возможно дальше от нагревающихся деталей (селеновых столбиков и сопротивления R). При монтаже нужно внимательно следить за правильностью соединения полярности селеновых столбиков и электролитических конденсаторов.

Правильно собранный выпрямитель ни в каких регулировках не нуждается и работает устойчиво и надёжно. Перед включением выпрямителя необходимо убедиться в том, что к его выходным зажимам приключена соответствующая нагрузка. Отсутствие ее может .привести к пробою конденсаторов, так как без нагрузки напряжение на выходе выпрямителя достигает 700 в.

Прямое заземление какого-либо полюса в выпрямителе или в питаемых от него приборах не допускается; землю можно присоединять только через конденсатор ёмкостью 0,1-0,25 мкф.

Испытание выпрямителя показало его хорошие эксплуатационные качества. Как видно из нагрузочной характеристики (фиг. 15), снятой в условиях реальной работы выпрямителя (на выходе фильтра), в схеме с учетверением напряжения (от электросети 127 в) он дает с нагрузкой 3000 Ом выпрямленное напряжение 450 в при токе 0,15 А, а при переключении на схему с удвоением (от электросети 220 в) — напряжение 475 в при токе 0,158 А. При указанной нагрузке отдаваемая выпрямителем мощность. составляет 70-75 Вт, а потребляемая мощность от электросети — 90…100 Вт. Таким образом, к.п.д. всего устройства оказывается довольно высоким (около 75%). Следует заметить, что в схеме с удвоением напряжения селеновые столбики оказываются в более выгодном режиме работы, так как при этой схеме выбранные размеры селеновых шайб допускают ток 0,3 А, тогда как в схеме с учетверением максимальный выпрямленный ток не должен быть выше 0,15 А (табл, 3).

Фиг. 15. Нагрузочные характеристики универсального бестрансформаторного выпрямителя.
I — для схемы с учетверением напряжения; II — для схемы с удвоением напряжения.

Наряду со снятием нагрузочной характеристики были определены значения коэффициента пульсаций при нагрузке выпрямителя сопротивлением 3000 Ом. Измерения показали, что коэффициент пульсации на входе фильтра составляет 6%, а на выходе — около 0,2%. Эти величины мало зависят от того, работает ли выпрямитель от сети напряжением 127 или 220 в. Такая величина пульсации допустима при питании выходных ступеней усилителей низкой частоты. Для питания других ступеней усилителей и приёмников, а также видеоусилителей и генераторов развёрток телевизоров к выпрямителю необходимо подключить дополнительные фильтры. Ввиду того что выпрямленное напряжение, даваемое выпрямителем, достаточно высоко, дополнительную фильтрацию можно осуществить включением в соответствующие цепи реостатно-ёмкостных фильтров. Можно, конечно, сделать и ещё одну ячейку дроссельно-ёмкостного фильтра.

Опыт работы с бестрансформаторными выпрямителями, собранными по схемам с умножением напряжения, показывает рациональность их применения. Поэтому подобные выпрямители вполне можно рекомендовать для широкого использования их в радиолюбительской практике.

Начало. СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С УМНОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

ВЫПРЯМЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

НАКАПЛИВАЮЩИЕ ЁМКОСТИ

А. Г. ДОЛЬНИК, 1952 год.

BACK MAIN PAGE

Универсальный выпрямитель для зарядки аккумуляторов с электронным регулированием

Универсальный выпрямитель для зарядки аккумуляторов
с электронным регулированием

Первая конструкция. Выпрямитель (рис. 1) собран по мостовой схеме на четырех диодах Д1—Д4 типа Д305. Сила зарядного тока регулируется при помощи мощного транзистора Т1, включенного по схеме составного триода. При изменении смещения, снимаемого на базу триода с потенциометра R1, изменяется сопротивление цепи коллектор — эмиттер транзистора. Зарядный ток при этом можно изменять от 25 мА до 6 А при напряжении на выходе выпрямителя от 1,5 до 14 В.

Резистор R2 на выходе выпрямителя позволяет устанавливать выходное напряжение выпрямителя при отключенной нагрузке. Трансформатор собран на сердечнике сечением 16 см². Первичная обмотка рассчитана на включение в сеть с напряжением 127 В (выводы 1—2) или 220 В (выводы 1—3) и содержат 350+325 витков провода ПЭВ 0,35, вторичная обмотка—45 витков провода ПЭВ 1,5. Транзистор Т1 устанавливают на металлическом радиаторе, площадь поверхности которого должна быть не менее 350 см.кв с обеих сторон пластины при толщине ее не менее 3 мм.

Вторая конструкция. Схема, приведенная на рис. 2, отличается от предыдущей тем, что с целью увеличения максимального тока до 10 А транзисторы Т1 и Т2 включены параллельно. Смещение на базы транзисторов, изменением которого регулируется зарядный ток, снимается с выпрямителя, выполненного на диодах Д5—Д6.

При зарядке 6-вольтовых аккумуляторов переключатель устанавливается в положение 1, 12-вольтовых — в положение 2. Обмотки трансформатора содержат следующее количество витков: 1а—328 витков провода ПЭВ 0,85; 1б— 233 витка провода ПЭВ 0,63; II—41+41 виток провода ПЭВ 1,87; III —7+7 витков провода ПЭВ 0,63. Сердечник — УШ35 Х 55.

Бастанов В.Г.
«300 практических советов», М.,1986г.

Схемы зарядных устройств для автомобильного аккумулятора: сборка своими руками

Немного полезной информации

Аккумулятором называется накопитель электрического заряда. Во время подачи на него электрического напряжения, происходит накопление энергии, что объясняется химическими изменениями внутри батареи. При подключении источника потребления можно наблюдать обратный процесс, который обусловлен обратным химическим изменением, создающим напряжение в области клеммов устройства. Через нагрузку происходит прохождение тока. То есть, чтобы получить напряжение от аккумуляторной батареи, следует сначала ее зарядить.

Сам процесс заряда батареи происходит по определенным правилам и зависит от вида аккумулятора. Из-за нарушения данных правил возможно уменьшение срока эксплуатации батареи, а также ее емкости.

Именно поэтому параметры для зарядного устройства к автомобильному аккумулятору должны подбираться строго индивидуально, для определенного носителя энергии.

Это возможно в случае со сложными зарядными устройствами, имеющими регулируемые параметры, а также приобретая отдельное ЗУ специально под определенную батарею. Но есть более универсальный и практичный вариант – сделать зарядное устройство своими руками.

Немного теории об аккумуляторах

Любой аккумулятор (АКБ) — накопитель электрической энергии. При подаче на него напряжения энергия накапливается, благодаря химическим изменениям внутри батареи. При подключении потребителя происходит противоположный процесс: обратное химическое изменение создаёт напряжение на клеммах устройства, через нагрузку течёт ток. Таким образом, чтобы получить от батареи напряжение, его сначала нужно «положить», т. е. зарядить аккумулятор.

Практически любой автомобиль имеет собственный генератор, который при запущенном двигателе обеспечивает электроснабжение бортового оборудования и заряжает аккумулятор, пополняя энергию, потраченную на пуск мотора. Но в некоторых случаях (частый или тяжёлый запуск двигателя, короткие поездки и пр.) энергия аккумулятора не успевает восстанавливаться, батарея постепенно разряжается. Выход из создавшегося положения один — зарядка внешним зарядным устройством.

Как узнать состояние батареи

Чтобы принимать решение о необходимости зарядки, нужно определить, в каком состоянии находится АКБ. Самый простой вариант — «крутит/не крутит» — в то же время является и неудачным. Если батарея «не крутит», к примеру, утром в гараже, то вы вообще никуда не поедете. Состояние «не крутит» является критическим, а последствия для аккумулятора могут быть печальными.

Оптимальный и надёжный метод проверки состояния аккумуляторной батареи — измерение напряжения на ней обычным тестером. При температуре воздуха около 20 градусов зависимость степени зарядки от напряжения на клеммах отключённой от нагрузки (!) батареи следующая:

12.6…12.7 В — полностью заряжена;
12.3…12.4 В — 75%;
12.0…12.1 В — 50%;
11.8…11.9 В — 25%;
11.6…11.7 В — разряжена;
ниже 11.6 В — глубокий разряд.

Нужно отметить, что напряжение 10.6 вольт — критическое. Если оно опустится ниже, то «автомобильная батарейка» (особенно необслуживаемая) выйдет из строя.

Правильная зарядка

Существует два метода зарядки автомобильной батареи — постоянным напряжением и постоянным током. У каждого свои особенности и недостатки:

Зарядка постоянным напряжением — годится для восстановления заряда не полностью разряженных батарей, напряжение на клеммах которых не ниже 12.3 В. Процесс заключается в следующем: к клеммам батареи подключают источник постоянного тока напряжением 14.2–14.7 В. Окончание процесса контролируют по току потребления: когда он упадёт до нуля, зарядка считается оконченной. Недостаток такого способа — возможно большой начальный зарядный ток; чем сильнее батарея разряжена, тем выше ток. Преимущества метода очевидны — вам не нужно постоянно регулировать ток зарядки, аккумулятору не грозит перезарядка, если вы про него забудете.
Зарядка постоянным током — самый распространённый и надёжный способ. В этом режиме ЗУ выдаёт постоянный ток, равный 1/10 ёмкости батареи. Окончание процесса зарядки определяется по напряжению на батарее — когда оно достигнет 14.7 В, заряжать батарею прекращают. Недостаток такого метода — батарею можно испортить, не сняв вовремя с зарядки.

Как должна осуществляться зарядка аккумулятора?

Заряжать аккумулятор необходимо по определенным правилам, которые помогут продлить эксплуатационный срок данному устройству. Нарушение одного из пунктов может спровоцировать преждевременную поломку деталей.

Параметры зарядки должны подбираться в соответствии с характерными особенностями автомобильного аккумулятора. Этот процесс позволяет регулировать специализированное устройство, которое продается в специализированных отделах. Как правило, оно имеет довольно высокую стоимость, что делает его не доступным для каждого потребителя.

Именно поэтому большинство предпочитает сделать блок питания зарядного устройства своими руками. Перед тем как приступить к рабочему процессу, необходимо ознакомиться с видами зарядок для машины.

Преимущества и недостатки самодельного устройства

Главным преимуществом самодельного зарядного устройства является его дешевизна, даже если вы не имеете всех необходимых деталей, экономия будет ощутимой. Также значительным плюсом является возможность использования ненужных приборов и устройств в качестве источника материалов для самодельного ЗУ.

К недостаткам самодельной зарядки аккумуляторов следует отнести несовершенство в эксплуатации. Увы, но модель не может самостоятельно отключаться при достижении максимального заряда, поэтому вам придется контролировать этот процесс или дополнить изобретение самодельной автоматикой, что под силу опытным радиолюбителям.

Что нужно для ЗУ?

Конструктивно зарядное устройство включает в себя такие элементы:

Главным элементом является двухобмоточный трансформатор, если у вас имеется агрегат с большим числом обмоток, можно использовать и его, но остальные катушки окажутся незадействованными. Помимо классических вполне подойдут и импульсные трансформаторы, взятые из китайской электроники.
Так как напряжение на выходе из трансформатора получится переменным, а для подзарядки аккумулятора требуется постоянное, вам понадобится выпрямитель. В данном примере мы соберем его самостоятельно из четырех диодов, но если у вас имеется подходящая модель, можете установить ее.
В зависимости от расстояния и величины вторичного напряжения, вам могут пригодиться соединительные провода, а для самостоятельной намотки еще и медный проводник в лаковой изоляции.
Амперметр и вольтметр для контроля основных величин на выходе, их можно проверять и обычным мультиметром, но это потребует излишних затрат времени, поэтому куда проще установить стационарные приборы.

Рис. 1: измерение с помощью мультиметра
Автоматика отключения может выполняться посредством реле напряжения или тока. Реагирует на заполнение емкости батареи и отключает автоматическое ЗУ. Вместе с реле можно установить автомобильную лампочку или светодиод для регистрации окончания заряда.
Переменный резистор или переключатель для регулировки тока во вторичной цепи зарядного агрегата. Необходим, если вы собираетесь использовать зарядное устройство для аккумуляторов разного типа или если вам сложно рассчитать рабочие параметры и их придется подстраивать.

Рис. 2: Пример установки регулировочного резистора

Если вы собираетесь зарядить аккумулятор одни раз, можно использовать только первые три элемента, для постоянного использования будет удобнее иметь, хотя бы контрольные приборы. Но, прежде чем собрать все это в единую конструкцию, вам необходимо убедиться, что параметры зарядного устройства после сборки будут соответствовать вашим потребностям. Первым, что должно соответствовать, является трансформатор зарядного приспособления.

Виды зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов

В процессе заряда батареи происходит восстановление израсходованной в емкости энергии. С этой целью на клеммы аккумуляторной емкости происходит подача напряжения, которая слегка выше, нежели основные рабочие показатели аккумуляторной батареи. В зависимости от вида зарядного устройства, подаваться может:

Постоянный ток. Средняя длительность такого заряда составляет около 10 часов и более, при этом на протяжении всего времени происходит подача фиксированного тока. Напряжение может изменяться в пределах от 13,8 до 14,4 В в самом начале зарядки, а в конце она может снизиться до отметки в 12,8 В. То есть это постепенный метод накопления емкости батареи, который в ходе эксплуатации держится дольше. Но среди минусов можно выделить необходимость в контроле над процессом, так как важно вовремя выключить ЗУ. В случае перезаряда возможно закипание электролита, что снизит функциональность батареи.
Постоянное напряжение. При таком типе заряда устройство все время подает напряжение в 14,4 В, при этом происходит изменение значений от больших в начале зарядки, до меньших – в конце. Поэтому перезаряд невозможен, разве что в случае если вы оставите ЗУ на несколько дней. Достоинством является меньшее время для заряда (7-8 часов), и возможность оставить ЗУ без присмотра. Но при частом использовании данного метода возможно более быстрое выхождение батареи из строя, в процессе эксплуатации она будет быстрее разряжаться.

Поэтому, если нет необходимости в быстром заряде батареи, лучше отдать предпочтение первому варианту – с постоянным током. А в случае, когда нужно быстро восстановить работоспособность АБ подойдет постоянное напряжение, но не для многоразового пользования.

Если же задаетесь вопросом, какое лучше зарядное устройство сделать своими руками, то здесь однозначно стоит выбрать вариант с подачей постоянного тока. По схеме этот прибор достаточно прост, и состоит из доступных элементов.

Если трансформатор не подходит

Далеко не всегда в гараже или дома вы встретите именно такой трансформатор, который будет питаться от 220В и выдавать на выходных клеммах 13 – 15В. Большинство моделей, используемых в обиходе, действительно имеют первичную катушку на 220В, но на выходе может быть любой номинал. Чтобы это исправить вам потребуется изготовить новую вторичку.

Для начала пересчитайте коэффициент трансформации по формуле: U1/U2 = N1/N2 ,

где U1 и U2 – напряжение на первичной и вторичной обмотке соответственно;

N1 и N2 – количество витков в первичке и вторичке соответственно.

К примеру, электрическая машина используется в качестве блока питания на 42В, а вы хотите получить для зарядного устройства 14В. Следовательно, вам необходимо при 480 витках в первичке, сделать 31 виток на вторичке зарядного. Этого можно добиться как путем сокращения числа витков, удалив лишние, так и путем намотки новой. Но первый вариант не всегда подходит, так как сечение обмотки трансформатора может не выдержать силу тока с меньшим числом витков.

U1*I1 = U2*I2 ,

Где U1 и U2 – напряжение на первичной и вторичной обмотке, I 1 и I 2 – ток, протекающий в первичке и вторичке.

Как видите, с понижением числа витков и напряжения на вторичной обмотке сила тока в ней пропорционально возрастет. Как правило, запаса по сечению не хватает, поэтому после определения силы тока под нее подбирают новый проводник из данных таблицы:

Таблица: выбор сечения, в зависимости от протекающего тока

Медный проводник		Алюминиевый проводник
Сечение жил. мм2	Ток, А	Сечение жил. мм2	Ток, А
0,5	11	—	—
0,75	15	—	—
1	17	—	—
1.5	19	2,5	22
2.5	27	4	28
4	38	6	36
6	46	10	50
10	70	16	60
16	80	25	85

Если расчетная величина тока на выходе зарядного устройства превышает нужные 10% от емкости аккумулятора, в цепь обязательно включается токоограничивающий резистор, величина которого подбирается пропорционально излишку тока.

Как узнать состояние батареи?

Необходимость в зарядке аккумулятора автомобиля зависит от уровня заряда. И метод проверки, именуемый в народе как «крутит/не крутит» является не самым удачным методом. Если же батарея «не крутит», например, перед выездом, то вы вообще не сможете завести машину, состояние «не крутит»– критическое и может предполагать крайне негативные последствия для самого аккумулятора.

Самым эффективным и безопасным методом является измерение напряжение при помощи самого простого тестера. Так, при температуре воздуха приблизительно около 20 градусов, зависимость степени зарядки от напряжения на клеммах отключенного от нагрузки аккумулятора такова:

12,6-12,7 – батарея полностью заряжена;
12,3-12,4 – уровень заряда составляет около 75%;
12,0-12,1 – приблизительно 50%;
11,8-11,9 – 25%;
11,6-11,7 – батарея находится в разряженном состоянии;
если же показатель находится ниже отметки в 11,6 В, то это означает глубокий разряд.

Все вышеперечисленные показатели измеряются в вольтах.

Показатель в 10,6 Вольт является критическим, и если уровень еще больше снизится, то аккумуляторная батарея, особенно которая давно обслуживалась, просто выйдет из строя.

Нужные параметры при зарядке постоянным током

Уже доказано, что производить заряд автомобильных свинцовых кислотных аккумуляторных батарей (в основном в автомобилях присутствуют именно такие) необходимо при помощи тока, не превышающего показателя в 10% от емкости всей батареи.

Так, в случае емкости АБ в 55 A/ч, максимальная подача тока заряда должна быть 5,5 А. По такому принципу высчитывается максимальный ток для любой батареи. Можно даже немного снизить подачу тока, но в таком случае процесс заряда будет идти немного медленнее. Накопление заряда будет происходить даже в случае, если ток заряда будет ближе к отметке 0,1 А. Но в таком случае для восстановления емкости необходимо будет очень много времени.

Минимальное время заряда АБ при уровне тока в 10% от заряда составляет 10 часов, но это в случае полного разряда батареи, которого допускать недопустимо. Поэтому на фактическое время до полного заряда влияет глубина разряда.

Чтобы произвести расчет примерного времени до полного заряда, следует выяснить разницу между максимальным зарядом (12,8 вольт) и вольтажом на данный момент. Если эту цифру умножить на 10, то можно получить приблизительно время в часах.

Схемы для сборки своими руками

Стоит рассказать о простых устройствах зарядки, которые можно собрать, обладая минимальными знаниями в электронике, а ёмкость заряда отследить путём подключения вольтметра или обыкновенного тестера.

Схема зарядки для экстренных случаев

Бывают случаи, когда автомобиль, простоявший ночь возле дома, утром невозможно завести из-за разряженного аккумулятора. Причин возникновения этого неприятного обстоятельства может быть много.

Если аккумулятор был в хорошем состоянии и немного разрядился, решить проблему помогут:

Источник постоянного напряжения 12—25 вольт.
Сопротивление ограничения тока.

В качестве источника питания отлично подойдёт зарядное устройство от ноутбука. Оно обладает выходным напряжением в 19 вольт и током в пределах двух ампер, чего вполне достаточно для выполнения поставленной задачи. На выходном разъёме, как правило, внутренний вход — плюс, внешний контур штекера — минус.

В качестве ограничительного сопротивления, которое является обязательным, можно применить салонную лампочку. Можно использовать и более мощные лампы, например, от габаритов, но это создаст лишнюю нагрузку на блок питания, что очень нежелательно.

Собирается элементарная схема: минус блока питания подключается к лампочке, лампочка к минусу АКБ. Плюс идёт напрямую от батареи к блоку питания. В течение двух часов аккумулятор получит заряд для запуска двигателя.

Из блока питания от стационарного компьютера

Такое устройство более сложно в изготовлении, но его можно собрать с минимальными познаниями в электронике. Основой послужит ненужный блок от системного блока компьютера. Выходные напряжения таких блоков +5 и +12 вольт с выходным током около двух ампер. Эти параметры позволяют собрать немощное зарядное устройство, которое при правильной сборке долго и надёжно послужит хозяину. Полная зарядка аккумулятора займёт длительное время и будет зависеть от ёмкости батареи, но не будет создаваться эффекта десульфатации пластин. Итак, пошаговая сборка прибора:

Разобрать блок питания и выпаять все провода кроме зелёного. Запомнить или отметить места входа чёрного (GND) и жёлтого +12 В.
Зелёный провод припаять к месту, где находился чёрный (это необходимо для старта блока без системной платы ПК). На место чёрного провода припаять отвод, который будет минусовым для зарядки АКБ. На место жёлтого провода припаять плюсовой отвод зарядки аккумулятора.
Необходимо найти микросхему TL 494 или её аналог. Список аналогов легко найти в интернете, один из них обязательно будет найден в схеме. При всём многообразии блоков без этих микросхем их не производят.
От первой ноги этой микросхемы — она левая нижняя, найти резистор, который идёт на выход +12 вольт (жёлтый провод). Это можно сделать визуально по дорожкам на схеме, можно при помощи тестера, подключив питание и замерив напряжение на входе резисторов, идущих к первой ноге. Не стоит забывать, что на первичную обмотку трансформатора идёт напряжение 220 вольт, поэтому нужно соблюдать меры безопасности при запуске блока без корпуса.
Выпаять найденный резистор, замерить его сопротивление тестером. Подобрать близкий по номиналу переменный резистор. Выставить его на номинал нужного сопротивления и запаять на место удалённого элемента схемы гибкими проводами.
Запустив блок питания путём регулировки переменного резистора, получить напряжение 14 В, в идеале 14.3 В. Главное, не перестараться помня, что 15 В, как правило, предел для отработки защиты и, как следствие, отключения.
Выпаять переменный резистор, не сбив его настройку, и замерить получившееся сопротивление. Необходимый или максимально близкий номинал сопротивления подобрать или набрать из нескольких резисторов и запаять в схему.
Блок проверить, на выходе должно быть искомое напряжение. При желании к выходам на схеме плюса и минуса можно подключить вольтметр, поместив его на корпусе для наглядности. Последующая сборка происходит в обратном порядке. Прибор готов к использованию.

Блок прекрасно заменит недорогую заводскую зарядку и достаточно надёжен. Но ОБЯЗАТЕЛЬНО нужно помнить, что устройство имеет защиту от перегрузки, но это не спасёт от ошибки в полярности. Проще говоря, если перепутать плюс и минус при подключении к АКБ, зарядное мгновенно выйдет из строя.

Схема зарядного устройства из старого трансформатора

Если под рукой нет старого блока питания от компьютера, и радиотехнический опыт позволяет самостоятельно монтировать несложные схемы, то можно воспользоваться следующей довольно интересной схемой зарядки АКБ с контролем и регулировкой подаваемого напряжения.

Для сборки устройства можно воспользоваться трансформаторами от старых блоков бесперебойного питания или телевизоров советского производства. Подойдёт любой мощный понижающий трансформатор с суммарным набором напряжений на вторичных обмотках примерно 25 вольт.

Диодный выпрямитель собран на двух диодах КД 213А (VD 1, VD 2), которые устанавливаются обязательно на радиатор и могут быть заменены любыми импортными аналогами. Аналогов много, и они легко подбираются по справочникам в интернете. Наверняка нужные диоды найдутся дома в старой ненужной аппаратуре.

Такой же метод можно применить для замены управляющего транзистора КТ 827А (VT 1) и стабилитрона Д 814 А (VD 3). Транзистор устанавливается на радиатор.

Регулировка подаваемого напряжения осуществляется переменным резистором R2. Схема простая и заведомо рабочая. Собрать её сможет человеку с минимальными познаниями в электронике.

Импульсная зарядка для АКБ

Схема сложна в сборке, но это единственный недостаток. Найти простую схему импульсного блока зарядки вряд ли получится. Это компенсируется плюсами: такие блоки почти не греются, при этом имеют серьёзную мощность и большой КПД, отличаются компактным размером. Предложенная схема, в смонтированном на плате виде, уместиться в контейнер размером 160*50*40 мм. Для сборки прибора необходимо понимать принцип работы ШИМ (Широтно-импульсная модуляция) генератора. В предложенном варианте он реализован при помощи распространённого и недорогого контроллера IR 2153.

При применённых конденсаторах мощность прибора 190 Ватт. Этого хватит для зарядки любого аккумулятора лёгкого автомобиля ёмкостью до 100 А-ч. Установив конденсаторы по 470 мкФ, мощность возрастёт в два раза. Станет возможна зарядка АКБ ёмкостью до двухсот ампер/часов.

Варианты самодельных зарядных устройств для АКБ

Перед тем как приступать к разработке зарядного устройства для АКБ, важно понимать, что такой аппарат является самоделкой и может негативно влиять на срок службы аккумулятора. Однако иногда такие аппараты попросту необходимы, так как позволяют существенно сэкономить деньги на приобретении заводских устройств. Рассмотрим, из чего же можно изготовить зарядные аппараты своими руками для аккумуляторов и как это сделать.

Зарядка из лампочки и полупроводникового диода

Этот способ зарядки актуален при таких вариантах, когда нужно завести автомобиль на севшем аккумуляторе в домашних условиях. Для того чтобы это сделать, понадобятся составляющие элементы для сборки аппарата и источник переменного напряжения 220 В (розетка). Схема самодельного зарядного устройства для автомобильного аккумулятора содержит следующие элементы:

Лампа накаливания. Обычная лампочка, которая ещё именуется в народе как «лампа Ильича». Мощность лампы влияет на скорость заряда аккумулятора поэтому чем больше этот показатель, тем быстрее можно будет завести мотор. Оптимальный вариант – это лампа мощностью 100-150 Вт.
Полупроводниковый диод. Элемент электроники, главным предназначением которого является проведение тока только в одну сторону. Необходимость данного элемента в конструкции зарядки заключается в том, чтобы преобразовывать переменное напряжение в постоянное. Причём для таких целей понадобится мощный диод, который сможет выдержать большую нагрузку. Использовать можно диод, как отечественного производства, так и импортный. Чтобы не покупать такой диод, его можно найти в старых приёмниках или блоках питания.
Штекер для подключения в розетку.
Провода с клеммами (крокодилы) для подключения к АКБ.

Это важно! Перед сборкой такой схемы нужно понимать, что всегда имеется риск для жизни, поэтому следует быть предельно внимательными и осторожными.

Схема подключения зарядного устройства из лампочки и диода к АКБ

Включать штекер в розетку следует только после того, как вся схема будет собрана, а контакты заизолированы. Чтобы избежать возникновения тока короткого замыкания, в цепь включается автоматический выключатель на 10 А. При сборке схемы важно учесть полярность. Лампочка и полупроводниковый диод должны быть включены в цепь плюсовой клеммы аккумулятора. При использовании лампочки в 100 Вт, будет поступать зарядный ток величиной 0,17 А на АКБ. Для зарядки аккумулятора на 2 А понадобится заряжать его на протяжении 10 часов. Чем больше мощность лампы накаливания, тем выше значение зарядного тока.

Это важно! Не рекомендуется использовать лампы накаливания мощностью более 200 Вт, так как диод может сгореть от перегрузки. Оптимальный вариант мощности ламп – это 60-150 Вт.

Заряжать таким устройством полностью севший аккумулятор не имеет смысла, а вот подзарядить при отсутствии заводского ЗУ — вполне реально.

Зарядное устройство для АКБ из выпрямителя

Этот вариант также относится к категории простейших самодельных зарядных устройств. В основу такого ЗУ входят два основных элемента – преобразователь напряжения и выпрямитель. Существует три вида выпрямителей, которые заряжают устройство следующими способами:

постоянный ток;
переменный ток;
ассиметричный ток.

Выпрямители первого варианта заряжают аккумулятор исключительно постоянным током, который очищается от пульсаций переменного напряжения. Выпрямители переменного тока подают пульсирующее переменное напряжение на клеммы аккумулятора. Ассиметричные выпрямители имеют положительную составляющую, а в качестве основных элементов конструкции используются однополупериодные выпрямители. Такая схема имеет лучший результат по сравнению с выпрямителями постоянного и переменного тока. Именно его конструкция и будет рассмотрена далее.

Для того чтобы собрать качественное устройство для зарядки АКБ, понадобится выпрямитель и усилитель тока. Выпрямитель состоит из следующих элементов:

предохранитель;
мощный диод;
стабилитрон 1N754A или Д814А;
выключатель;
переменный резистор.

Электрическая схема ассиметричного выпрямителя

Для того чтобы собрать схему, понадобится использовать предохранитель, рассчитанный на максимальный ток в 1 А. Трансформатор можно взять от старого телевизора, мощность которого не должна превышать 150 Вт, а выходное напряжение составлять 21 В. В качестве резистора нужно взять мощный элемент марки МЛТ-2. Выпрямительный диод должен быть рассчитан на ток не менее 5 А поэтому оптимальный вариант – это модели типа Д305 или Д243. В основу усилителя входит регулятор на двух транзисторах серии КТ825 и 818. При монтаже транзисторы устанавливаются на радиаторы для улучшения охлаждения.

Сборка такой схемы выполняется навесным способом, то есть на очищенной от дорожек старой плате располагаются все элементы и подключаются между собой с помощью проводов. Её преимуществом является возможность регулировки выходного тока для зарядки АКБ. Недостатком схемы является необходимость найти необходимые элементы, а также правильно их расположить.

Простейшим аналогом представленной выше схемы является более упрощённый вариант, представленныё на фото ниже.

Упрощённая схема выпрямителя с трансформатором

Предлагается воспользоваться упрощённой схемой с применением трансформатора и выпрямителя. Кроме того, понадобится лампочка на 12 В и 40 Вт (автомобильная). Собрать схему не составит труда даже новичку, но при этом важно обратить внимание на то, что выпрямительный диод и лампочка должны быть расположены в цепи, которая подаётся на минусовую клемму АКБ. Недостатком такой схемы является получение пульсирующего тока. Чтобы сгладить пульсации, а также снизить сильные биения, рекомендуется воспользоваться схемой, которая представлена ниже.

Схема с диодным мостом и сглаживающим конденсатором уменьшает пульсации и снижает биение

Зарядное устройство из блока питания компьютера: пошаговая инструкция

В последнее время популярностью пользуется такой вариант автомобильной зарядки, который можно изготовить самостоятельно, воспользовавшись компьютерным блоком питания.

Первоначально понадобится рабочий блок питания. Для таких целей подойдёт даже блок, имеющий мощность 200 Вт. Он выдаёт напряжение 12 В. Его будет недостаточно, чтобы зарядить АКБ, поэтому немаловажно повысить это значение до 14,4 В. Пошаговая инструкция изготовления ЗУ для АКБ из блока питания от компьютера выглядит следующим образом:

Первоначально выпаиваются все лишние провода, которые выходят из блока питания. Оставить нужно только зелёный провод. Его конец нужно припаять к минусовым контактам, откуда выходили чёрные провода. Делается эта манипуляция для того, чтобы при включении блока в сеть, сразу запускалось устройство.
Конец зелёного провода необходимо припаять к минусовым контактам, где находились чёрные провода
Провода, которые будут подключаться к клеммам аккумулятора, необходимо припаять к выходным контактам минуса и плюса блока питания. Плюс припаивается на место выхода жёлтых проводов, а минус на место выхода чёрных.
На следующем этапе необходимо реконструировать режим работы широтно-имульсной модуляции (ШИМ). За это отвечает микроконтроллер TL494 или TA7500. Для реконструкции понадобится нижняя крайняя левая ножка микроконтроллера. Чтобы к ней добраться, необходимо перевернуть плату.
За режим работы ШИМ отвечает микроконтроллер TL494
С нижним выводом микроконтроллера соединены три резистора. Нас интересует резистор, который соединён с выводом блока 12 В. Он отмечен на фото ниже точкой. Этот элемент следует выпаять, после чего измерить значение сопротивления.
Резистор, обозначенный фиолетовой точкой, необходимо выпаять
Резистор имеет сопротивление около 40 кОм. Он подлежит замене на резистор с иным значением сопротивления. Чтобы уточнить величину необходимого сопротивления, требуется первоначально к контактам удалённого резистора припаять регулятор (переменный резистор).
На место удалённого резистора припаивают регулятор
Теперь следует устройство включить в сеть, предварительно подключив к выходным клеммам мультиметр. Изменяется выходное напряжение при помощи регулятора. Нужно получить значение напряжения в 14,4 В.
Выходное напряжение регулируется переменным резистором
Как только значение напряжения будет достигнуто, следует выпаять переменный резистор, после чего измерить полученное сопротивление. Для вышеописанного примера его значение составляет 120,8 кОм.
Полученное сопротивление должно составлять 120,8 кОм
Исходя из полученного значения сопротивления, следует подобрать аналогичный резистор, после чего запаять его на место старого. Если найти резистор такой величины сопротивления не удаётся, то можно подобрать его из двух элементов.
Последовательная пайка резисторов суммирует их сопротивление
После этого проверяется работоспособность устройства. По желанию к блоку питания можно установить вольтметр (можно и амперметр), что позволит контролировать напряжение и ток зарядки.

Общий вид зарядного устройства из блока питания компьютера

Это интересно! Собранное ЗУ имеет функцию защиты от тока короткого замыкания, а также от перегрузки, однако оно не защищает от переполюсовки, поэтому следует припаивать выводящие провода соответствующего цвета (красный и чёрный), чтобы не перепутать.

При подключении ЗУ к клеммам АКБ будет подаваться ток около 5-6 А, что является оптимальным значением для устройств ёмкостью 55-60А/ч. На видео ниже показано, как сделать ЗУ для АКБ из блока питания компьютера с регуляторами напряжения и тока.

Простая схема зарядного устройства

Из чего можно сделать зарядное устройство? Все детали и расходные материалы, можно использовать из старых бытовых приборов.

Для этого понадобится:

Понижающий трансформатор. Он имеется в старых ламповых телевизорах. Он помогает понизить 220 В до необходимых 15 В. На выходе трансформатора получится переменное напряжение. В дальнейшем его рекомендуется выпрямить. Для этого понадобится выпрямляющий диод. На схемах как сделать зарядное устройство своими руками, изображен чертеж соединений всех элементов.

Диодный мост. Благодаря ему получают отрицательное сопротивление. Ток получается пульсирующим, но контролируемым. В некоторых случаях применяют диодный мост со сглаживающим конденсатором. Он обеспечивает постоянный ток.

Расходные элементы. Здесь присутствуют предохранители, а также измерители. Они помогают контролировать весь процесс подачи заряда.

Мультиметр. Он будет указывать на перепады мощности в процессе зарядки автомобильного аккумулятора.

Единственным недостатком этого способа, является отсутствие возможности контролировать параметры подаваемой мощности. Здесь важно получить заряд в пределах 15 В. Чтобы ток получился намного больше, рекомендуется использовать дополнительный резистор.

Это устройство в процессе работы будет сильно греться. Предотвратить перегревание установки поможет специальный кулер. Он будет контролировать скачки мощности. Его используют вместо диодного моста. На фото зарядного устройства своими руками запечатлено готовое оборудование для дозарядки автомобильного аккумулятора.

Регулировать процесс можно путем изменения сопротивления. Для этого используют подстроечный резистор. Это способ применяют в большинстве случаев.

Сделать ручную регулировку подающего тока можно при помощи двух транзисторов и подстроечного резистора. Эти детали обеспечивают равномерную подачу постоянного напряжения и обеспечивают правильный уровень напряжения на выходе.В интернете представлено множество идей и инструкций как сделать зарядное устройство.

Источники

https://pro-instrymenti.ru/elektronika/zaryadnoe-ustrojstvo-svoimi-rukami-dlya-avtomobilnogo-akkumulyatora-shema/
https://pochini.guru/tehnika/zaryadnoe-ustroystvo
https://clubsamodelok.ru/zaryadnoe-ustrojstvo-svoimi-rukami/
https://www.asutpp.ru/zaryadnoe-ustroystvo-dlya-avtomobilnogo-akkumulyatora-svoimi-rukami.html
https://tokar.guru/stanki-i-oborudovanie/shemy-zaryadnyh-ustroystv-dlya-avtomobilnyh-akkumulyatorov.html
https://carnovato.ru/zaryadnye-ustrojstva-svoimi-rukami/

[свернуть]

РЕМОНТ АВТОМОБИЛЬНОГО ЗАРЯДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Иногда проще купить, чем делать устройство с нуля своими руками. Но не всегда. Например рассмотрим автомобильные зарядки на 12 вольт. С одной стороны оно обслуживает достаточно дорогую вещь — автомобильный АКБ, который при неправильной эксплуатации может выйти из строя, причём с шумом и треском. Но с другой — глядя на схему дешёвых промышленных ЗУ, просто удивляешься, за что они берут деньги? Этот вопрос особенно справедлив для польско-китайского зарядного 6-12 В без опознавательных знаков на коробке, кроме скромной надписи Prostownik. Не знаю, что это слово означает, но звучит оно простовато 🙂

Зарядное устройство было принесено в ремонт, и что с ним случилось — никто не знал. Просто валялось долгое время в гараже и перестало работать. Проведём внешний осмотр.

Действительно, на корпусе только самое необходимое — сетевой предохранитель 1 ампер и шнур 220 В в задней части, а спереди кнопка переключения 6-12 В, плавкая вставка на 10 ампер и стрелочный амперметр 0-8 А. Даже клемм подключения кабеля нет.

Разбираем корпус и снимаем крышку. Внутри — та же святая простота 🙂

Кроме трансформатора и диодного моста ни одной другой детали не наблюдается. Хоть бы электролитический конденсатор для фильтрации поставили минимальный…

Провода почему-то оказались отсоединены от платки с диодным мостом. Как вариант, возможно произошло замыкание выходных проводов, перегрев диодов и провода отпаялись.

С замиранием проверил трансформатор на работоспособность, ведь это наиболее ценная часть любого зарядного, и если ему хана, то купить аналогичный будет очень недёшево. Трансформаторы на 20 вольт 5-10 ампер стоят минимум 10 долларов.

Слава Богу первичка показала сопротивление 22 Ома, а не бесконечность 🙂 Теперь проверка диодов — тут тоже всё ОК. Остаётся спаять провода согласно стандартной схемы зарядного выпрямителя.

Выпрямитель для заряда АКБ — схема

Схема заработала. Замеры показали переменное напряжение с выхода трансформатора — 13,8 В, а после выпрямителя — 13 В постоянки. Почему так мало? — спросите вы — ведь этого не достаточно для заряда автоаккумулятора. Потому что оно носит пульсирующий характер, а вольтметр показывает эффективное усреднённое значение.

Если подключить на выход конденсатор 100 микрофарад — напряжение сразу подскакивает до 18 вольт, так как это уже амплитудное значение.

В общем заряжает оно хоть и слабо — ток всего 3 ампера, но уверенно. Собрал корпус и отдал владельцу. А вам, уважаемые знатоки, вопрос: стоит ли покупать такие девайсы или всё-же делать приличное автомобильное зарядное своими руками?

Форум по схемотехнике ЗУ

ВЫПРЯМИТЕЛЬ СВАРОЧНОГО ТОКА ВДУЧ-35 У3.1

Общие сведения

Выпрямитель сварочного тока ВДУЧ-35 У3.1 предназначен для проведения ручной дуговой сварки плавящимся электродом и аргонодуговой сварки неплавящимся электродом на объектах, где требуется высококачественная сварка (при ремонте или монтаже электрооборудования, трубопроводов различного назначения и т.д.).

Структура условного обозначения

ВДУЧ-35 У3.1:
В — выпрямитель;
Д — дуговой;
У — универсальный;
Ч — частотный;
35 — номинальный сварочный ток, десятки ампер;
У3.1 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ
15150-69.

Условия эксплуатации

Работа в закрытых помещениях.
&nbsp&nbspВысота над уровнем моря не более 1000 м.
&nbsp&nbspАтмосферное давление от 84,0 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм рт.ст.).
&nbsp&nbspТемпература окружающей среды от минус 10 до 40°С.
&nbsp&nbspОтносительная влажность воздуха 98% при температуре 25°С.
&nbsp&nbspОкружающая среда невзрывоопасная, не содержащая агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию, ненасыщенная водными парами и пылью.
&nbsp&nbspГруппа условий эксплуатации в части воздействия механических факторов внешней среды М1 по ГОСТ 17516.1-90.
&nbsp&nbspСтепень защиты выпрямителя IР22 по ГОСТ 14254-80.
&nbsp&nbspСтепень защиты зажимов сварочной цепи с подсоединенными проводами IР11 по ГОСТ 14254-80.
&nbsp&nbspКласс выпрямителя по способу защиты человека от поражения электрическим током 01 по ГОСТ 12.2.007.0-75.
&nbsp&nbspЭксплуатация выпрямителя должна осуществляться в соответствии с «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителями» (в части требований для установок до 1000 В) и «Правилами пожарной безопасности при проведении сварочных работ на объектах народного хозяйства».
&nbsp&nbspВыпрямитель соответствует требованиям ТУ 36.44.15.03-17-90.

Нормативно-технический документ

ТУ 36.44.15.03-17-90

Технические характеристики

Номинальное напряжение трехфазной питающей сети, В — 380 Частота тока питающей сети, В — 50 или 60 Номинальный сварочный ток, А — 315 Номинальное рабочее напряжение, В — 32 Пределы регулирования сварочного тока, А — 30-315 Пределы регулирования сварочного напряжения, В — 22-34 Напряжение холостого хода, В — 60 Напряжение зажигания дуги, В, не менее — 85 Продолжительность включения, ПВ, %: при номинальном сварочном токе, А — 60 при сварочном токе 200 А — 100 Продолжительность цикла сварки, мин — 5 Потребляемая мощность, кВт — 12 КПД, % — 82 Масса, кг — 48 Удельная масса, кг/кВт, не более — 10
&nbsp&nbspГарантийный срок эксплуатации — 2 года со дня ввода выпрямителя в эксплуатацию.

Конструкция и принцип действия

Конструктивно выпрямитель выполнен в одном корпусе. Передняя и задняя панели, боковые и верхняя крышки выполнены из листовой стали. Несущий каркас-сварной.
&nbsp&nbspЭлементы силовой части схемы установлены на шасси из изоляционного материала.
&nbsp&nbspЭлементы цепей управления расположены на одной плате печатного монтажа в отдельном блоке управления.
&nbsp&nbspОхлаждение выпрямителя воздушное принудительное с помощью вентиляторов. Для этой же цели на боковых стенках кожуха имеются жалюзи.
&nbsp&nbspОбщий вид и габаритные размеры выпрямителя приведены на рис. 1.

Рис. 1.

&nbsp&nbspОбщий вид и габаритные размеры выпрямителя сварочного тока ВДУЧ-35 У3.1
&nbsp&nbsp1 — тумблер «ВИД СВАРКИ»;
&nbsp&nbsp2 — амперметр;
&nbsp&nbsp3 — лампа «СЕТЬ»;
&nbsp&nbsp4 — выключатель «СЕТЬ»;
&nbsp&nbsp5 — ручка «РЕГУЛИРОВКА СВАРОЧНОГО ТОКА»;
&nbsp&nbsp6 — выводы;
&nbsp&nbsp7 — разъем «СЕТЬ»;
&nbsp&nbsp8 — крышка;
&nbsp&nbsp9 — зажим заземления
&nbsp&nbspНа передней панели выпрямителя расположены следующие органы управления и индикации:
&nbsp&nbspтумблер «ВИД СВАРКИ» с положениями «РУЧНАЯ ДУГОВАЯ» и «АРГОНОДУГОВАЯ» — для переключения способов сварки;
&nbsp&nbspамперметр — для измерения величины сварочного тока выпрямителя;
&nbsp&nbspлампа «СЕТЬ» — для сигнализации о наличии напряжения питания;
&nbsp&nbspвыключатель «СЕТЬ» — для включения-выключения выпрямителя;
&nbsp&nbspручка «РЕГУЛИРОВКА СВАРОЧНОГО ТОКА» — для плавного регулирования сварочного тока;
&nbsp&nbspвыводы «+» и «-» для подсоединения сварочных кабелей.
&nbsp&nbspНа задней панели выпрямителя расположены следующие конструктивные элементы: разъем «СЕТЬ» — для подключения выпрямителя к сети питания; крышка, закрывающая предохранители; зажим заземления.
&nbsp&nbspПринцип работы выпрямителя, функциональная схема которого приведена на рис. 2, заключается в преобразовании переменного напряжения 3-фазной питающей сети 380 В частотой 50 Гц в сварочное напряжение с помощью высокочастотного тиристорного преобразователя.

Рис. 2.

&nbsp&nbspФункциональная схема выпрямителя сварочного тока ВДУЧ-35 У3.1
&nbsp&nbspВыпрямитель состоит из сетевого выпрямителя, фильтра, тиристорного преобразователя, выходного выпрямителя, схемы управления и стабилизатора.
&nbsp&nbspПоступающее на вход сетевого выпрямителя переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем с помощью тиристорного преобразователя инвертируется в высокочастотное, вновь преобразуется в выходном выпрямителе в постоянное напряжение (сварочное) и поступает на выход выпрямителя.
&nbsp&nbspПОРЯДОК РАБОТЫ
&nbsp&nbspПри работе выпрямителя в режиме ручной дуговой сварке плавящимся электродом присоединить к выходному контакту «+» кабель с электрододержателем, а к выходному контакту «-» подсоединить свариваемую деталь с помощью кабеля. После этого установить тумблер «ВИД СВАРКИ» в положение «РУЧНАЯ ДУГОВАЯ» и перевести выключатель «СЕТЬ» в положение «1». Установить требуемую величину тока вращением ручки «РЕГУЛИРОВКА СВАРОЧНОГО ТОКА». После окончания работы отключить выпрямитель с помощью выключателя «СЕТЬ» в положение «0».
&nbsp&nbspПри работе выпрямителя неплавящимся электродом в среде аргона присоединить к выходному контакту «+» свариваемую деталь с помощью кабеля, а к выходному отверствию «-» подсоединить кабель с электрододержателем. Затем установить тумблер «ВИД СВАРКИ» в положение «АРГОНОДУГОВАЯ» и перевести выключатель «СЕТЬ» в положение «1». Вращением ручки «РЕГУЛИРОВКА СВАРОЧНОГО ТОКА» установить требуемую величину тока. После окончания работы отключить выпрямитель с помощью выключателя «СЕТЬ» в положение «0». В комплект поставки входят: выпрямитель сварочного тока ВДУЧ-35 У3.1; предохранитель ВП1-1-0,5 А; лампа ТЛ3-1; тара упаковочная;
паспорт.

Центр комплектации «СпецТехноРесурс»
Все права защищены.

11 примеров: схемы на самодельное зарядное устройство для АКБ

Разбор больше 11 схем для изготовления ЗУ своими руками в домашних условиях, новые схемы 2017 и 2018 года, как собрать принципиальную схему за час.

По каким основным причинам происходит разрядка автомобильного аккумулятора на дороге?

А) Автомобилист вышел из транспорта и забыл выключить фары.

Б) Аккумуляторная батарея слишком нагрелась под воздействием солнечных лучей.

Может ли аккумулятор выйти из строя, если автомобилем не пользуются долгое время (стоит в гараже без запуска)?

А) При долгом простое аккумуляторная батарея выйдет из строя.

Б) Нет, батарея не испортится, ее потребуется только зарядить и она снова будет функционировать.

Какой источник тока используется для подзарядки АКБ?

А) Есть только один вариант — сеть с напряжением в 220 вольт.

Б) Сеть на 180 Вольт.

Обязательно снимать аккумуляторную батарею при подключении самодельного устройства?

А) Желательно производить демонтаж батареи с установленного места, иначе возникнет риск повредить электронику поступлением большого напряжения.

Б) Необязательно снимать АКБ с установленного места.

Если перепутать «минус» и «плюс» при подключении ЗУ, то аккумуляторная батарея выйдет из строя?

А) Да, при неправильном подключении, аппаратура сгорит.

Б) Зарядное устройство просто не включится, потребуется переместить на положенные места необходимые контакты.

Ответы:

А) Не выключенные фары при остановке и минусовая температура – наиболее распространенные причины разряда АКБ на дороге.
А) АКБ выходит из строя, если долго не подзаряжать ее при простое автомобиля.
А) Для подзарядки применяется напряжение сети в 220 В.
А) Не желательно производить зарядку батареи самодельным устройством, если она не снята с автомобиля.
А) Не следует путать клеммы, иначе самодельный аппарат перегорит.

Аккумулятор на автотранспорте требуют периодической зарядки. Причины разряжения могут быть разные — начиная от фар, что хозяин забыл выключить, и до отрицательных температур в зимний период на улице. Для подпитки АКБ потребуется хорошее зарядное устройство. Такое приспособление в больших разновидностях представлено в магазинах автозапчастей. Но если нет возможности или желания покупки, то ЗУ можно сделать своими руками в домашних условиях. Имеется также большое количество схем — их желательно все изучить, чтобы выбрать наиболее подходящий вариант.

Определение: Зарядное устройство для автомобиля предназначается для передачи электрического тока с заданным напряжением напрямую в АКБ.

Ответы на 5 часто задаваемых вопросов

Потребуется ли производить какие-то дополнительные меры, перед тем как приступать к зарядке аккумуляторной батареи на своём автомобиле? – Да, потребуется почистить клеммы, поскольку во время работы на них появляются кислотные отложения. Контакты очень хорошо нужно почистить, чтобы ток без трудностей поступал к батарее. Иногда автомобилисты используют смазку для обработки клемм, ее тоже следует убрать.
Чем протереть клеммы зарядных устройств? — Специализированное средство можно купить в магазине или приготовить самостоятельно. В качестве самостоятельно изготовленного раствора используют воду и соду. Компоненты смешиваются и перемешиваются. Это отличный вариант для обработки всех поверхностей. Когда кислота соприкоснется с содой, то произойдет реакция и автомобилист обязательно ее заметит. Это место и потребуется тщательно протереть, чтобы избавиться от всей кислоты. Если клеммы ранее обрабатывались смазкой, то она убирается любой чистой тряпкой.
Если на аккумуляторе стоят крышки, то их нужно вскрывать перед началом зарядки? — Если крышки имеются на корпусе, то их обязательно снимают.
По какой причине необходимо откручивать крышечки с аккумуляторной батареи? — Это нужно, чтобы газы, образующиеся в процессе зарядки, беспрепятственно выходили из корпуса.
Есть необходимость обращать внимание на уровень электролита в аккумуляторной батарее? – Это делается в обязательном порядке. Если уровень ниже требуемого, то необходимо добавить дистиллированную воду внутрь аккумулятора. Уровень определить не составит труда – пластины должны быть полностью покрыты жидкостью.

Ещё важно знать: 3 нюанса об эксплуатации

Самоделка по способу эксплуатации несколько отличается от заводского варианта. Это объясняется тем, что у покупного агрегата имеются встроенные функции, помогающие в работе. Их сложно установить на аппарате, собранном дома, а потому придется придерживаться нескольких правил при эксплуатации.

Зарядное устройство, собранное своими руками не будет отключаться при полной зарядке аккумулятора. Именно поэтому необходимо периодически следить за оборудованием и подключать к нему мультиметр – для контроля заряда.
Нужно быть очень аккуратным, не путать «плюс» и «минус», иначе зарядное устройство сгорит.
Оборудование должна быть выключено, когда происходит соединение с зарядным устройством.

Выполняя эти простые правила, получится правильно произвести подпитку АКБ и не допустить неприятных последствий.

Топ-3 производителей зарядных устройств

Если нет желания или возможности своими руками собрать ЗУ, то обратите внимание на следующих производителей:

Стек.
Сонар.
Hyundai.

Фирмы хорошо зарекомендовали себя на рынке, а потому о надежности и функциональности переживать при покупке не следует.

Как избежать 2-х ошибок при зарядке аккумуляторной батареи

Необходимо соблюдать основные правила, чтобы правильно подпитать батарею на автомобиле.

Напрямую к электросети аккумуляторную батарею запрещено подключать. Для этой цели и предназначается зарядные устройства.
Даже если устройство изготавливается качественно и из хороших материалов, всё равно потребуется периодически наблюдать за процессом зарядки, чтобы не произошли неприятности.

Выполнение простых правил обеспечит надежную работу самостоятельно сделанного оборудования. Гораздо проще следить за агрегатом, чем после тратиться на составляющие для ремонта.

Самое простое зарядное устройство для АКБ

Схема 100% рабочего ЗУ на 12 вольт

Посмотрите на картинке на схему ЗУ на 12 В. Оборудование предназначается для зарядки автомобильных аккумуляторов с напряжением 14,5 Вольт. Максимальный ток, получаемый при заряде составляет 6 А. Но аппарат также подходит и для других аккумуляторов – литий-ионных, поскольку напряжение и выходной ток можно отрегулировать. Все основные компоненты для сборки устройства можно найти на сайте Aliexpress.

dc-dc понижающий преобразователь.
Амперметр.
Диодный мост КВРС 5010.
Концентраторы 2200 мкФ на 50 вольт.
трансформатор ТС 180-2.
Предохранители.
Вилка для подключения к сети.
«Крокодилы» для подключения клемм.
Радиатор для диодного моста.

Трансформатор используется любой, по собственному усмотрению Главное, чтобы его мощность была не ниже 150 Вт (при зарядном токе в 6 А). Необходимо установить на оборудование толстые и короткие провода. Диодный мост фиксируется на большом радиаторе.

Схема ЗУ Рассвет 2

Посмотрите на картинке на схему зарядного устройства Рассвет 2. Она составлена по оригинальному ЗУ. Если освоить эту схему, то самостоятельно получится создать качественную копию, ничем не отличающуюся от оригинального образца. Конструктивно устройство представляет собой отдельный блок, закрывающийся корпусом, чтобы защитить электронику от влаги и воздействия плохих погодных условий. На основание корпуса необходимо подсоединить трансформатор и тиристоры на радиаторах. Потребуется плата, что будет стабилизировать заряд тока и управлять тиристорами и клеммы.

1 схема умного ЗУ

Посмотрите на картинке принципиальную схему умного зарядного устройства. Приспособление необходимо для подключения к свинцово-кислотным аккумуляторам, имеющим емкость — 45 ампер в час или больше. Подключают такой вид аппарата не только к аккумуляторам, что ежедневно используются, но также к дежурным или находящимся в резерве. Это довольно бюджетная версия оборудования. В ней не предусмотрен индикатор, а микроконтроллер можно купить самый дешевый.

Если имеется необходимый опыт, то трансформатор собирается своими руками. Нет необходимости устанавливать также и звуковые сигналы оповещения — если аккумулятор подключится неправильно, то загоревшаяся лампочка разряда будет уведомлять об ошибке. На оборудование необходимо поставить импульсный блок питания на 12 вольт — 10 ампер.

1 схема промышленного ЗУ

Посмотрите на схему промышленного зарядного устройства от оборудования Барс 8А. Трансформаторы используются с одной силовой обмоткой на 16 Вольт, добавляется несколько диодов vd-7 и vd-8. Это необходимо для того, чтобы обеспечить мостовую схему выпрямителя от одной обмотки.

1 схема инверторного устройства

Посмотрите на картинке схему инверторного зарядного устройства. Это приспособление перед началом зарядки разряжает аккумуляторную батарею до 10,5 Вольт. Ток используется с величиной С/20: «C» обозначает ёмкость установленного аккумулятора. После этого процесса напряжение повышается до 14,5 Вольт, при помощи разрядно-зарядного цикла. Соотношение величины заряда и разряда составляет десять к одному.

1 электросхема ЗУ электроника

1 схема мощного ЗУ

Посмотрите на картинке на схему мощного зарядного устройства для автомобильного аккумулятора. Приспособление применяется для кислотных АКБ, имеющих высокую емкость. Устройство с легкостью заряжает автомобильный аккумулятор, имеющий емкость в 120 А. Выходное напряжение устройство регулируется самостоятельно. Оно составляет от 0 до 24 вольт. Схема примечательна тем, что в ней установлено мало компонентов, но дополнительные настройки при работе она не требует.

2 схемы советского ЗУ

Многие уже могли видеть советское зарядное устройство. Оно похоже на небольшую коробку из металла, и может показаться совсем ненадежной. Но это вовсе не так. Главное отличие советского образца от современных моделей — надежность. Оборудование обладает конструктивной мощностью. В том случае, если к старому устройству подсоединить электронный контроллер, то зарядник получится оживить. Но если под рукой такого уже нет, но есть желание его собрать, необходимо изучить схему.

К особенностям их оборудования относят мощный трансформатор и выпрямитель, с помощью которых получается быстро зарядить даже сильно разряженную батарею. Многие современные аппараты не смогут повторить этот эффект.

Зарядное устройство для аккумулятора – это необходимый девайс каждого автолюбителя. Но в силу высокой стоимости и частых поломок, позволить себе купить новое ЗУ может далеко не каждый. Но выход есть.

Если вы имеете определенные навыки и умеете держать в руках инструменты, в том числе и паяльник, то сделать зарядное устройство для автомобильного аккумулятора своими руками – не составит труда. Ниже более подробно изучим этот вопрос.

Немного полезной информации

Виды зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов

Постоянный ток. Средняя длительность такого заряда составляет около 10 часов и более, при этом на протяжении всего времени происходит подача фиксированного тока. Напряжение может изменяться в пределах от 13,8 до 14,4 В в самом начале зарядки, а в конце она может снизиться до отметки в 12,8 В. То есть это постепенный метод накопления емкости батареи, который в ходе эксплуатации держится дольше. Но среди минусов можно выделить необходимость в контроле над процессом, так как важно вовремя выключить ЗУ. В случае перезаряда возможно закипание электролита, что снизит функциональность батареи.
Постоянное напряжение. При таком типе заряда устройство все время подает напряжение в 14,4 В, при этом происходит изменение значений от больших в начале зарядки, до меньших – в конце. Поэтому перезаряд невозможен, разве что в случае если вы оставите ЗУ на несколько дней. Достоинством является меньшее время для заряда (7-8 часов), и возможность оставить ЗУ без присмотра. Но при частом использовании данного метода возможно более быстрое выхождение батареи из строя, в процессе эксплуатации она будет быстрее разряжаться.

Как узнать состояние батареи?

12,6-12,7 – батарея полностью заряжена;
12,3-12,4 – уровень заряда составляет около 75%;
12,0-12,1 – приблизительно 50%;
11,8-11,9 – 25%;
11,6-11,7 – батарея находится в разряженном состоянии;
если же показатель находится ниже отметки в 11,6 В, то это означает глубокий разряд.

Все вышеперечисленные показатели измеряются в вольтах.

Нужные параметры при зарядке постоянным током

Схема зарядного устройства для автомобильного аккумулятора

Обычно с целью пополнения емкости электрического накопителя, необходима бытовая сеть в 220 вольт, преобразовывающаяся в пониженное напряжение с помощью преобразователя. Сделать ЗУ своими руками вполне возможно, скорее, это даже не вызовет никаких проблем. Для этого достаточно будет минимальных знаний в области электротехники и умение пользоваться паяльником, и другими инструментами.

Простые схемы

Самый простой и действенный метод заключается в использовании понижающего трансформатора. С его помощью снижается напряжение в 220 В до необходимых для заряда 13-15 вольт.

Найти трансформаторы такого типа можно в старых ламповых телевизорах или же в блоках питания для компьютера, которые продаются на блошиных рынках. Однако имеется нюанс – на выходе трансформатора переменное напряжение. Поэтому появляется необходимость в его выпрямлении.

Это можно сделать с помощью таких методов:

Одного выпрямляющего диода, установленного после трансформатора, при этом на выходе подобного зарядного устройства будет наблюдаться пульсирующий ток с сильными ударами, так как срезана только одна полуволна. Ниже представлена самая простая схема с одним диодом.

Второй метод – это использование диодного моста, благодаря которому отрицательная волна будет заворачиваться вверх. Зарядное устройство тоже будет обладать пульсирующим током, но биение уже будут менее выраженными. Чаще всего в домашних условиях реализовывают именно эту схему, хотя она является далеко не самым лучшим вариантом. Диодный мост можно собрать самостоятельно на любых выпрямляющих диодах. Или же можно не заморачиваться, и приобрести уже готовую сборку.

Третий вариант – это диодный мост со сглаживающим конденсатором (4000-5000 мкФ, 25 вольт). На выходе данной схемы мы получается постоянный ток, что очень даже подходит для изготовления зарядного устройства для автомобильного аккумулятора своими руками.

Все вышеперечисленные схемы имеют в своем составе также предохранители типа 1А и приборы для измерения. С их помощью возможно контролировать процесс заряда аккумуляторной батареи. Однако можно исключить их из данных схем, но в таком случае для периодических измерений и контроля над функциональностью прибора необходимо будет использовать мультиметр.

И если в случае с контролем напряжения подобный вариант возможен (просто нужно будет приставлять щупы к клеммам), то вот проконтролировать ток будет достаточно сложно. В таком случае для измерения необходимо будет включать прибор в разрыв цепи. Это означает, что каждый раз для проверки тока потребуется выключать питание, после проводить проверку мультиметром в режиме измерения тока, а потом опять включать питание. Придется разбирать измерительную цепь в обратном направлении. В связи с этим необходимо заранее подумать о применении амперметра хотя бы на 10 А.

Среди недостатков данных схем можно выделить отсутствие возможности регулировки параметров заряда. Поэтому выбирая элементную базу, отдавайте предпочтение таким вариантам, чтобы на выходе сила тока соответствовала тем самым 10% или немного меньше от емкости батареи. Напряжение должно наблюдаться в пределах от 13,2 до 14,4 вольт.

Но что делать в случае, когда ток больше необходимой отметки? Для этого в схему ЗУ следует добавить резистор, который размещают на плюсовом выходе диодного моста непосредственно перед амперметром. По месту необходимо подобрать сопротивление, основной ориентир – ток. При этом мощность резистора должна быть немного больше, так как на него будет рассеиваться лишний заряд, приблизительно 10-20 ВТ.

Еще один нюанс – скорее всего зарядное устройство для автомобильного аккумулятора, сделанное своими руками по вышеперечисленным схемам будет сильно нагреваться. Чтобы избежать перегорания, можно в схему добавить куллер, который должен располагаться после диодного моста.

Схемы с регулировкой

Недостатком всех данных схем является отсутствие возможности производить регулировку подачи тока. И единственный вариант изменить это – менять сопротивления. Можно поставить переменный подстроечный резистор, что является наиболее простым и эффективным вариантом. Однако более надежно будет произвести ручную регулировку тока в схеме с использованием двух транзисторов и подстроечным резистором.

Ниже предоставлена схема зарядного устройства для автомобильного аккумулятора своими руками, в которой имеется возможность производить ручную регулировку тока заряда.

Изменение тока заряда происходит при помощи переменного резистора, который необходимо разместить после составного транзистора VT1-VT2, поэтому через него проходит небольшой ток. В связи с этим мощность будет в среднем около 0,5-1 Вт.

Трансформатор с мощностью в 250-500 Вт и вторичная обмотка 15-17 В, при которой диодный мост должен быть собран на диодах с рабочим током в 5% и более.

Следует выбирать транзистор VT1 — П210, так как VT2 можно выбрать из нескольких вариантов. Это германиевые П13-П17 или же кремниевые КТ814, КТ 816. Чтобы отводить тепло и не провоцировать перегрев, следует на металлической пластине или же в области радиатора установить отвод не менее 300 см кв.

Зарядное устройство из блока питания

Для сбора простого зарядного устройства своими руками, необходим самый обыкновенный блок питания от старого компьютера и немного знаний в области радиотехники. При этом характеристики прибора будут очень даже неплохими. С помощью подобного устройства можно заряжать аккумуляторные батареи током не более 10 А, при этом имеется возможность регулировки тока и напряжения заряда.

Основным условием является блок питания с контроллером TL494. Чтобы создать автомобильную зарядку своими руками из блока питания компьютера, необходимо собрать схему, которая представлена ниже на картинке.

Далее представим алгоритм для доработки операции:

Откусить провода шин питания, кроме желтый и черных.
Произвести соединение желтых проводов между собой и отдельно черных, с учетом полюса «+» и «-» (отталкиваясь от данных на схеме).
Перерезать все дорожки, которые ведут к выводам контроллера 1, 14, 15 и 16.
Произвести установку на кожух блока питания переменных резисторов, номинал которых будет соответствовать 10 и 4,4 кОм, что необходимо для регулировки напряжения и тока зарядки.
При помощи навесного монтажа собрать схему, показанную на картинке выше.

Имея небольшие знания и умения в области электрики и радиотехнологии, можно с легкостью разобраться с задачей создания зарядного устройства в домашних условиях. Важно соблюдать нюансы, и обращать внимания на мелочи, так как даже банальное несовпадение проводов или же путаница в полюсах может привести устройство в негодность.

Видео «Пошаговая инструкция по сборке зарядного устройства»

Устройство зарядное автоматическое УЗ-А-6/12-6,3-УХЛ 3.1 (в дальнейшем -устройство УЗ-А) предназначено для заряда 6-ти и 12-ти вольтовых стартерных аккумуляторных батарей, установленных на мотоциклах и автомобилях личного пользования.

Перед началом эксплуатации устройства УЗ-А (необходимо изучить настоящее руководство, а также правила по уходу и эксплуатации аккумуляторной батареи.

Устройство УЗ-А имеет плавную установку зарядного тока, электронную схему защиты, обеспечивающую сохранность аккумуляторной батареи при перегрузках, коротких замыканиях и неправильной полярности подключения выходных зажимов. При этом защита выполнена таким образом, что на выходе зарядный ток появляется только в случае, если к выходным зажимам подключен источник напряжения (аккумуляторная батарея).

Устройство УЗ-А рассчитано на эксплуатацию в условиях умеренного климата при температуре окружающего воздуха от минус 10 °С до плюс 40 °С и относительной влажности до 98 % при 25 °С.

Данное устройство производит заряд при наличии напряжения на аккумуляторной батарее не менее 4-х вольт.

Технические данные

Напряжение питающей сети — 220 ± 22 В;
Частота сети — 50 ± 05 Гц;
Диапазон установки тока заряда — 0,5 — 6,3 А;
Автоматическое отключение от аккумуляторной батареи через -10,5 ± 1 ч;
Потребляемая мощность, не более -145 Вт;
Переменное напряжение для питания переносной автомобильной лампы (12 или 36±2В).

На лицевой панели расположены:

светодиод «СЕТЬ», сигнализирующий о включении устройства в сеть;
индикатор тока для контроля тока заряда;
кнопка включения устройства зарядного в режим заряда;
ручка для установки тока заряда;
светодиод, сигнализирующий об окончании цикла заряда.

На заднюю стенку устройства зарядного вынесен радиатор для охлаждения выпрямителя. На радиаторе установлены розетка для питания переносной лампы (12 или 36 В), электропаяльника и др., и предохранитель.

В нижней части корпуса, устройства имеется ниша, в которую укладывается сетевой шнур и кабели с контактными зажимами «+» и «-» для подключения зарядного устройства к соответствующим клеммам аккумулятора.

Рис. 1. Внешний вид устройства зарядного автоматического «Электроника».

Проверка работоспособности зарядного устройства

В условиях продажи зарядного устройства в магазине при отсутствии аккумулятора, а также у потребителя для проверки работоспособности зарядного устройства, допускается кратковременно использовать вместо аккумулятора батарейки из сухих элементов общим напряжением не менее 4 В (удобнее всего использовать батарейку на напряжение 4,5 В, допускается использование последовательно включенных элементов по 1,5 В каждый — не менее 3х элементов).

Проверку производить следующим образом:

Установить ручку В в крайнее левое положение.
Подключить контактные зажимы зарядного устройства к выводам батареи, соблюдая полярность: зажим «+» устройства к «+» батарейки, а зажим «-» устройства к «-» батарейки.
Включить зарядное устройство в сеть переменного тока напряжением 220 В, при этом па лицевой панели устройства загорится светодиод «СЕТЬ» и в зависимости от состояния электронной схемы может загореться светодиод. Нажать кнопку [i]. При этом, если горел светодиод, то он погаснет.
Поворотом ручки по часовой стрелке убедиться в изменении тока (ток будет плавно увеличиваться). Это является критерием работоспособности устройства. Примечание. Во избежание преждевременного выхода проверочной батареи из строя рекомендуется проверку тока проводить не более 5 ч- 10 секунд и величину тока устанавливать не более 3-5 А.
После проверки выведите ручку (против часовой стрелки до отсутствия показаний зарядного тока. Отключите зарядное устройство от сети и от батарейки.

Требования по технике безопасности

При эксплуатации устройства УЗ-А не допускается:

замена предохранителя, а также ремонт устройства во включенном состоянии;
механическое повреждение изоляции сетевого шнура, проводов выходных зажимов, а также попадание на него химически активной среды (кислот, масел, бензина и Т.Д.).

В процессе заряда допускается превышение температуры корпуса устройства над температурой окружающей среды не более 60 °С.

Устройство изделия

Устройство УЗ-А представляет собой выпрямитель с плавной установкой тока. С выводов 3, 6 сетевого трансформатора Т1 напряжение поступает на 2[-полупериодный управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах VS1 и VS2.

Выпрямленное напряжение подается на аккумуляторную батарею через контакты X1 («плюс») и Х2 («минус»). Для контроля величины тока заряда служит индикатор тока РА1.

Для отключения цепи заряда от аккумулятора через 10,5 ± 1 час, управления работой тиристоров и установки необходимого тока заряда служит схема, собранная на транзисторах VT1 + VT11 и микросхеме DD1.

На транзисторе VT1 выполнен формирователь импульсов с частотой 50 Гц, на интегральной схеме DD1 — счетчик импульсов, на транзисторах VT8 и VT10 — делитель частоты на 2, на транзисторе VT6 — управляемый генератор (стабилизатор) тока.

При этом необходимый ток заряда устанавливается потенциометром RP1.

Генератор управляющих импульсов выполнен на транзисторах VTЗ и VT7.

Транзистор VT2 является усилителем этих импульсов по мощности.

Рис. 2. Принципиальная схема устройства зарядного автоматического «Электроника» — вариант 1 (нумерация деталей выполнена согласно маркировке на заводской схеме).

Рис. 3. Принципиальная схема устройства зарядного автоматического «Электроника» — вариант 2 (нумерация деталей выполнена согласно маркировке на заводской плате).

Рис. 4. Монтажная плата устройства зарядного автоматического «Электроника».

Рис. 5. Монтажная плата устройства зарядного автоматического «Электроника».

На транзисторе VT11 выполнена схема защиты от короткого замыкания и переполюсовки выводов.

Схема на транзисторах VT4 и VT5 служит для переключения устройства в режим уменьшенного тока (через 6 — 8 часов ток уменьшится в 1,3 — 2,5 раза).

На диодах VD7 и VD8 собран выпрямитель питания схемы формирователя импульсов и счетчика. Диоды VD5 и VD6 запрещают подачу импульсов на управляющий электрод тиристора в момент, когда к тиристору приложено обратное напряжение.

Для индикации включения сети и конца заряда служат светодиоды VD2 и VD13.

Предприятие — изготовитель оставляет за собой право замены отдельных элементов схемы, не влияющих на технические характеристики изделия.

Подготовка и порядок работы

Вынуть из ниши сетевой шнур и контактные зажимы.

Установить устройство устойчиво на ручку — подставку.

Установить ручку регулировки в крайнее левое положение.

Подключить контактные зажимы устройства к выводам аккумуляторной батареи, соблюдая полярность:

«+» зажима устройства к «+» аккумуляторной батареи;
«-» зажима устройства к «-» аккумуляторной батареи.

Включить устройство в сеть переменного тока напряжением 220 В, при этом на лицевой панели загорится светодиод «СЕТЬ» и в зависимости от состояния электронной схемы может загореться светодиод.

Нажать кнопку [i]. При этом, если после включения горел светодиод И, то он погаснет. Поворотом ручки регулировки установить по индикатору тока необходимый ток заряда.

При заряде аккумуляторной батареи ток заряда в первый момент может возрастать, а затем по мере заряда постепенно уменьшается, что является признаком увеличения ЭДС аккумуляторной батареи. Для улучшения режима заряда аккумулятора через 6-8 часов ток заряда автоматически уменьшится в 1,3 — 2,5 раза.

Через 10,5 часов (± 1 час) устройство автоматически отключается от аккумуляторной батареи, при этом на лицевой панели загорится светодиод.

Источник: Ходасевич А. Г, Ходасевич Т. И., Зарядные и пуско-зарядные устройства, Выпуск 2.

Источник Источник Источник http://elektro220v.ru/akkumulyatory/11-primerov-shemy-na-zaryadnoe.html
Источник Источник Источник Источник http://pro-instrymenti.ru/elektronika/zaryadnoe-ustrojstvo-svoimi-rukami-dlya-avtomobilnogo-akkumulyatora-shema/
Источник http://radiostorage.net/3268-avtomaticheskoe-zaryadnoe-ustrojstvo-ehlektronika-uz-a-6-12-6d-uhl-3-1.html

Зарядное для шуруповерта схема 12v. Усовершенствование зу шуруповерта. Рейтинг зарядных устройств для шуруповерта

Приобрел дешевый китайский шуруповерт SKIL-2007, аккумулятор 14,4 В — 1,2А/ч, в принципе нормальный работать можно, но у него оказалось два недостатка. Первый — нет регулировки скорости вращения, с этим справился быстро, поставил выключатель с регулятором скорости Второе нет индикатора окончания зарядки. В комплекте идет два аккумулятора и простейшее зарядное устройство, выполненное в виде двух раздельных частей. В небольшом корпусе, который втыкается в розетку, находится трансформатор с выпрямителем, выдает на выходе 18 В 200 мА, от него отходит отрезок провода с разъемом. Вторая часть — само зарядное устройство с индикаторами, вот его схема — рис.1.

Зеленый светодиод указывает, что устройство включено в сеть. Красный указывает, что аккумулятор заряжается, он будет гореть до тех пор пока аккумулятор подсоединен к зарядному устройству. По паспарту время заряда 3-5 часов. Так как по этому зарядному устройству проконтролировать окончание зарядки невозможно, решил дополнить своим. Поиски в интернете ничего не дали, попадались слишком заумные на контроллерах, программу на которые высылают за отдельную плату, или схемы по которым заряд определяется по яркости свечения светодиода, но это тоже не лучший вариант, так как днем при солнечном свете яркость кажется маленькой, а в темноте большой.

Решил изготовить простой, надежный, из доступных деталей индикатор зарядки аккумуляторов. В качестве основы взял автомобильный индикатор напряжения (нашелся на полках в гараже), они и сейчас имеются в продаже, представляет из себя цилинндрический корпус, который втыкается в прикуриватель автомобиля, на торце находятся расположенные в ряд три светодиода, по краям красные, в середине зеленый. Вот его схема (рис.2.) и паспортные данные.

Диапазоны контролируемых напряжений:

красный светодиод VD3 — 12 В;
зеленый светодиод VD4 — от 12,5 до 14,5 В;
красный светодиод VD4 — более 15 В.

Зоны совместного свечения:

красный VD3 и зеленый VD4 — от 12,0 до12,5 В;
красный VD2 и зеленый VD4 — от 14,5 до15,0 В.

Эта схема без переделки подойдет для 12-вольтового шуруповерта. Не содержит дефицитных деталей и ее легко может собрать начинающий радиолюбитель.

У моего шуруповерта напряжение полностью заряженного аккумулятора стоящего на зарядке составляет 16,5…16,8 В, выше не поднимется, хоть сутки будет заряжаться. Переделка автомобильного индикатора заключается в следующем: корпус разбирается и выкидывается, остается плата размером 16×38 с тремя светодиодами. Стабилитрон VD1, заменяется на Д814Г, вместо R2 установить переменный резистор на 1 кОм.

Настройка: на вход «±» индикатора подключается источник питания с регулируемым напряжением до 20 В. Устанавливаем на выходе блока питания напряжение 16,5 В и вращением движка переменного резистора добиваемся, что бы горел только зеленый светодиод, сразу как только погаснет красный VD3 вращение прекращают. На этом настройка закончена.

У меня получились такие значения зарядки: Красный VD3 — до 15 В (аккумулятор разряжен). Красный VD3 и зеленый VD4 — 15…16,5В (заряжен на 50-80%).

Зеленый VD3 — 16,5 — 19,3 (заряжен 100%). Красный VD2 — больше 19,3В (этот индикатор практически не используется).

Затем вместо переменного резистора установить постоянный, в моем случае получилось R2=470 Ом, но можно оставить и построечный. индикатор подключается к штатному зарядному устройству к клеммам «±» АКБ. В корпусе сверлят три отверстия под светодиоды и вставляют индикатор в корпус зарядного устройства, места там много, и закрепляют его. Все родное остается на своих местах.

При включении зарядного устройства без аккумулятора загорается VD2. Вставляем разряженный аккумулятор в зарядное устройство,VD2 гаснет, загорается индикатор VD3, по мере зарядки когда напряжение достигнет 15 В начинает разгораться зеленый индикатор VD4,a яркость VD3 понижается и наконец VD3 красный гаснет, а зеленый VD4 горит полным накалом зарядку можно считать оконченной.

В результате этого дополнения к зарядному устройству зарядка, вместо 3-5 часов по паспорту, оканчивается гораздо раньше. В любое время по свечению индикаторов можно определить в какой стадии находится заряжаемый аккумулятор. По методике настройки данная схема пригодна и для других зарядников, на другое напряжение. Для этого АКБ полностью заряжают, как сказано в инструкции 3-5 часов, затем не вынимая аккумулятор из зарядного, измеряют напряжение полностью заряженного аккумулятора. Это напряжение устанавливают на выходе регулируемого блока питания и подбором стабилитрона VD1 и резистора R2 добиваются четкой работы индикатора, как было указано выше.

Ни один ремонт не обходится без дрели. Этот электрический прибор питается от сети или батареи. Если для работ выбрана аккумуляторная дрель, для нее понадобится еще и зарядное устройство. Его продают в комплекте с устройством. Однако и такой элемент рано или поздно выходит из строя. Чтобы не случилось досадного обстоятельства, следует изучить конструкционные возможности и описание зарядок. Особенно стоит познакомиться со схемой зарядного устройства дрели-шуруповерта. Это поможет узнать, как правильно его отремонтировать.

Виды зарядных устройств

Существует множество разновидностей приборов для зарядки аккумуляторных дрелей. Они отличаются ценой, принципом работы и особенностями ремонта. Каждый из видов шуруповертов следует рассмотреть подробнее.

Аналоговые устройства со встроенным блоком питания

Такие приборы довольно популярны благодаря невысокой стоимости. Если дрель не будет использована в профессиональных целях, не стоит делать упор на продолжительность работы. Главное условие, которому должен отвечать самый простой зарядник — он должен обеспечивать достаточную токовую нагрузку для зарядки батареи шуруповерта.

Важно! Для начала заряда необходимо, чтобы напряжение на выходе блок питания оказалось выше, чем номинальный показатель батареи прибора.

Работа аналогового устройства с блоком питания осуществляется довольно просто. Такой зарядник эксплуатируется, как стабилизатор. Для примера необходимо рассмотреть схему зарядного устройства для батареи от 9 до 11 В. Не имеет значения, батарея какого типа используется. Аккумуляторные дрели-шуруповерты довольно распространены среди домашних мастеров, поэтому знание особенностей их ремонта пригодится каждому.

Такой блок питания многие домашние мастера собирают своими руками. Спаивание схемы можно провести только на универсальной плате. Чтобы обеспечить рассеивание тепла, микросхемы стабилизатора, необходимо найти радиатор из меди 20 кв. см площади.

Внимание! Стабилизаторы эксплуатируются по компенсационному принципу. Лишнюю энергию можно отвести в виде тепла.

Благодаря выходному трансформатору понижается переменное напряжение с 220 В до 20 В. Рассчитать, какой будет мощность трансформатора, можно по току напряжения на выходе зарядки. Выпрямление переменного тока осуществляется диодным мостом.

После выпрямления ток оказывается пульсирующим. Однако такая особенность тока негативно сказывается на функционировании схемы. Пульсации можно сгладить фильтрующим конденсатором (C1). В качестве стабилизатора используется микросхема КР 142ЕН. Радиолюбители называют ее «кренка». Чтобы получилось напряжение 12 В, необходимо иметь микросхему с индексом 8Б. Управление собирается на транзисторе VT2. Кроме того, используются подстроечные резисторы. Автоматика на такие приборы не устанавливается. Как долго будет заряжаться аккумулятор, зависит от пользователя. Чтобы контролировать заряд, собирается довольно простая схема на транзисторе VT1. В схеме присутствует и диод VD2. Когда будет достигнуто напряжение заряда, индикатор угасает.

В более современных системах имеется коммутатор. Благодаря ему отключается напряжение по окончании заряда. При покупке дешевого шуруповерта с ним в комплекте идет простой зарядник. Это объясняет, почему такие устройства ломаются очень часто. При покупке такого шуруповерта потребитель рискует остаться с новым, но нерабочим прибором. Однако зарядное устройство легко собрать своими руками. Главное — иметь схему.

Самодельный прибор может прослужить намного дольше покупного. Чтобы подобрать значение батареи дрели-шуруповерта, понадобится опытным путем настроить трансформатор и стабилизатор.

Аналоговые устройства с внешним блоком питания

Сама схема зарядного устройства довольно проста. В комплекте с таким прибором идет сетевой блок питания и зарядник. Не имеет смысла осматривать блока питания. Его схема отличается стандартным исполнением. Она включает диодный мост, трансформатор, выпрямитель и конденсаторный фильтр. Обычно на выходе имеется 18 В.

Управление осуществляется с помощью небольшой платы, которая имеет размеры спичечного коробка. Такие сборки не имеют теплоотводной системы. По этой причине такие устройства быстро выходят из строя. Поэтому пользователи часто интересуются, как зарядить аккумуляторную дрель-шуруповерт без зарядника.

Решить эту проблему можно довольно просто:

Одним из главных условий является наличие источника питания. При исправной работе «родного» блока можно создать простую схему управления. Если весь комплект вышел из строя, может быть использован блок питания от ноутбука. На выходе получаются нужные 18 В. Такой источник может обладать мощностью, которой хватит для любого аккумулятора.
Вторым условием служит умение собирать электросхемы. Детали обычно выпаиваются из старых бытовых приборов. Кроме того, большинство из них продается на радиорынке.

Блок управления должен иметь схему, как на фото:

На вход устанавливается стабилитрон 18 В. Схема, которой будет управляться зарядник, работает на транзисторе КТ817. Чтобы обеспечить усиление, устанавливается транзистор КТ818. При этом он оборудуется радиатором для отвода тепла. В зависимости от того, какой будет ток заряда, на нем может рассеиваться до 10 Вт. Необходимо, чтобы радиатор обладал требуемой площадью — от 30 до 40 кв. см.

Ненадежность китайских аккумуляторов объясняется экономией производителей «на спичках». Чтобы установить точный ток заряда, следует иметь подстроечник 1 Ком. На выходе устанавливается резистор 4,7 Ом. Он также должен обеспечивать достаточное рассеивание тепла. Выдаваемая мощность не превышает 5Вт.

Собранная схема довольно просто размещается в корпусе стандартной зарядки. Радиатор необязательно выносить. Главное — чтобы внутри корпуса была достаточная циркуляция воздуха. Блок питания от ноутбука при этом по-прежнему используется согласно своему предназначению.

Важно! Одним из главных минусов аналоговых зарядных устройств является длительный процесс заряда. В случае с бытовой аккумуляторной дрелью-шуруповертом это не страшно. На простые работы его хватает. Достаточно поставить его заряжаться в ночь перед работами. Простая китайская батарея в шуруповерте обычно держится от 3 до 5 часов работы.

Импульсные

Профессиональные шуруповерты предназначены для интенсивного использования. Поэтому простои при выполнении работ недопустимы. Стоит помнить, что каждый серьезный прибор имеет высокую цену. Поэтому ценовой вопрос следует опустить. Кроме того, в комплекте обычно имеется 2 батареи.

Импульсный блок питания дополняется «умной» схемой управления. Благодаря этому аккумулятор заряжается на все 100% всего за час. Такой же зарядник аналогового типа можно соорудить своими руками. Однако его габариты будут равны размерам самого шуруповерта.

Импульсные приборы хороши тем, что лишены многих недостатков. Они довольно компактны, обладают высокими токами заряда и оборудуются продуманной системой защиты. Имеется лишь одна проблема — схема таких устройств довольно сложна, что сказывается на стоимости прибора.

Однако даже такой аппарат можно соорудить своими силами. Экономия выходит примерно в 2 раза.

Стоит рассмотреть вариант для никель-кадмиевых батарей, которые оборудованы третьим сигнальным контактом. Собирается схема устройства на MAX713. Этот контроллер является довольно популярным. Выходное напряжение будет составлять 25 В. Ток при этом будет постоянным. Собрать подобный источник питания достаточно просто.

Зарядное устройство оборудовано несколькими функциями, делающими его интеллектуальным. После того как уровень напряжения будет проверен, необходимо запустить режим ускоренного разряда. Это позволит предотвратить эффект памяти. Заряд при этом осуществляется за полтора часа. Главной отличительной чертой схемы является возможность выбора типа аккумулятора и напряжения заряда.

При выходе фирменной зарядки профессионального прибора можно хорошо сэкономить на ремонте зарядного устройства для шуруповерта. Схема может быть собрана самостоятельно.

Блок питания для шуруповерта

Довольно часто владельцы дрелей-шуруповертов сталкиваются с ситуацией, когда сам прибор исправно работает, а блок аккумуляторов вышел из строя. Существует множество способов решения этой проблемы. Однако не каждый станет работать с токсичными деталями.

Чтобы продолжать работать с шуруповертом, следует подсоединить внешний блок питания. При наличии стандартного китайского прибора с батареями 14,4 В допускается использование автомобильного аккумулятора. Однако есть и другой вариант — найти трансформатор с выходным напряжением 15-17 В, чтобы собрать полноценный блок питания.

Необходимые детали при этом отличаются дешевизной. Прежде всего, понадобится термостат и диодный мост. Другие элементы конструкции выполняют сервисные функции — показывать входное и выходное напряжение. Стабилизатор приобретать не нужно. Это объясняется нетребовательностью электродвигателя шуруповерта.

Выводы

Как видно, сборка зарядного устройства для аккумуляторной дрели выполняется довольно просто. Главное — не решать сразу выбрасывать электроприбор. При полном выходе аккумуляторов из строя прибор можно переоборудовать под сетевой. Такая работа тоже имеет много тонкостей, с которыми следует познакомиться.

Чтобы соорудить собственную зарядку для шуруповерта, понадобится узнать схему такого устройства и характеристики основных деталей. Сам процесс сборки довольно прост. Главное — уметь работать с паяльником.

Даже при выходе из строя блока питания профессиональной модели шуруповерта его можно сделать сетевым. Если решено ремонтировать прибор самостоятельно, о цене деталей можно не беспокоиться — на радиорынке они стоят копейки. Знание таких особенностей ремонта аккумуляторных шуруповертов поможет выполнить работу самостоятельно.

Аккумуляторный инструмент мобильнее и удобнее в использовании по сравнению со своими сетевыми собратьями. Но не надо забывать и о существенном недостатке аккумуляторного инструмента, это как вы сами понимаете недолговечность батарей питания. Покупать отдельно новые аккумуляторы сопоставимо по цене с приобретением нового инструмента.

После четырех лет службы мой первый шуруповерт, а точнее батареи стали терять емкость. Для начала я из двух батарей собрал одну выбрав рабочие «банки», но и этой модернизации хватило ненадолго. Переделывал свой шуруповерт на сетевой — оказалось очень неудобно. Пришлось, купить такой же, но новый 12 вольтовый «Интерскол ДА-12ЭР». Батареи в новом шуруповерте прослужили еще меньше. В итоге два исправных шуруповерта и не одной рабочей батареи.

На просторах интернета много пишут, как решить данную проблему. Предлагается переделать отслужившие свой срок Ni-Cd батареи на Li-ion аккумуляторы типоразмера 18650. На первый взгляд ничего сложного в этом нет. Удаляешь из корпуса старые Ni-Cd батареи и устанавливаешь новые Li-ion. Но оказалось не все так просто. Ниже описано, на что следует обратить внимание при модернизации аккумуляторного инструмента.

Для переделки потребуется:

Начну с литий ионных аккумуляторов 18650. Приобретались на .

Номинальное напряжение элементов 18650 — 3,7 В. По заявлению продавца емкость 2600мАч, маркировка ICR18650 26F, габариты 18 на 65 мм.

Преимущества Li-ion батарей перед Ni-Cd — меньшие габариты и вес, при большей емкости, а так же отсутствие так называемого «эффекта памяти». Но у литий ионных батарей есть серьезные недостатки, а именно:

1. Отрицательные температуры резко снижают емкость, что не скажешь про никель кадмиевые батареи. Отсюда вывод – если инструмент часто используется при отрицательных температурах, то замена на Li-ion не решит проблему.

2. Разряд ниже 2,9 — 2,5В и перезаряд выше 4,2В может быть критичным, возможен полный выход из строя. Следовательно, нужна BMS плата для контроля заряда и разряда, если ее не установить, то новые элементы питания быстро выйдут из строя.

В интернете в основном описывают, как переделать 14 вольтовый шуруповерт – он идеально подходит для модернизации. При последовательном соединении четырех элементов 18650 и номинальном напряжении 3,7В. получаем 14,8В. – как раз, что надо, даже при полной зарядке плюс еще 2В это не страшно для электродвигателя. А как быть с 12В инструментом. Возможны два варианта, установить 3 или 4 элемента 18650, если три то вроде бы маловато, особенно при частичном разряде, а если четыре – многовато. Я выбрал четыре и на мой взгляд сделал правильный выбор.

А сейчас про BMS плату, она тоже с AliExpress.

Это так называемая плата контроля заряда, разряда батареи, конкретно в моем случае CF-4S30A-A. Как видно из маркировки рассчитана она для батареи из четырех «банок» 18650 и ток разряда до 30А. Еще в нее встроен так называемый «балансир», который контролирует заряд каждого элемента отдельно и исключает неравномерную зарядку. Для правильной работы платы аккумуляторы для сборки берутся одной емкости и желательно из одной партии.

Вообще в продаже есть великое множество BMS плат с разными характеристиками. На ток ниже 30А брать не советую – плата постоянно будет уходить в защиту и для восстановления работы на некоторые платы нужно кратковременно подать зарядный ток, а для этого нужно вынуть аккумулятор и подключить к зарядному устройству. На плате, которую мы рассматриваем, такого недостатка нет, просто отпускаешь курок шуруповерта и при отсутствии токов короткого замыкания плата включится сама.

Для зарядки переделанного аккумулятора прекрасно подошло родное универсальное зарядное устройство. В последние годы «Интерскол» стал комплектовать свой инструмент универсальными ЗУ.

На фото видно, до какого напряжения BMS плата заряжает мою батарею совместно со штатным зарядным устройством. Напряжение на аккумуляторе после зарядки 14,95В немного выше нужного для 12 вольтового шуруповерта, но это скорее даже лучше. Мой старый шуруповерт стал резвее и мощнее, а опасения что он перегорит, после четырех месяцев использования постепенно развеялись. Вот вроде бы и все основные нюансы, можно приступать к переделке.

Разбираем старую батарею.

Выпаиваем старые банки и оставляем клеммы вместе с термодатчиком. Если удалить и датчик, то при использовании штатного ЗУ оно не включится.

Согласно схеме на фото, спаиваем 18650 элементы в одну батарею. Перемычки между «банками» должны быть выполнены толстым проводом минимум 2,5кв. мм, так как токи при работе шуруповерта большие, а при маленьком сечении резко упадет мощность инструмента. В сети пишут, что паять Li-ion аккумуляторы нельзя так как они боятся перегрева, и рекомендуют соединять при помощи точечной сварки. Паять можно только нужен паяльник по мощней не менее 60 ватт. Самое главное паять надо быстро, чтоб не перегреть сам элемент.

Должно получиться примерно так, чтобы вошло в корпус аккумулятора.

Практически все шуруповёрты работают от аккумуляторов. Средняя ёмкость аккумулятора — 12 мАч. А для того, чтобы он всегда находился в рабочем состоянии, нужна постоянная подзарядка. Для этого необходимо зарядное устройство, характерное для каждого типа аккумуляторов. Однако они сильно различаются по своим характеристикам.

В настоящее время выпускают модели на 12–18 В . Также стоит отметить, что производители используют разные компоненты для зарядных устройств различных моделей. Чтобы разобраться с этим, вы должны ознакомиться со стандартной схемой этих зарядных устройств.

Стандартная электросхема зарядного устройства

Основой стандартной схемы является микросхема трехканального типа . В этом варианте на микросхеме крепятся четыре транзистора, сильно отличающихся по ёмкости и высокочастотные конденсаторы (импульсные или переходные). Для стабилизации тока используются тиристоры или тетроды открытого типа. Проводимость тока регулируется дипольными фильтрами. Эта электрическая схема легко справляется с сетевыми перегрузками.

Принципиальная схема

Предназначение электроинструментов в первую очередь в том, чтобы сделать наш повседневный труд менее утомительным и рутинным. В домашнем быту незаменимым помощником в ремонте или разборке (сборке) мебели и прочих предметов домашнего обихода является шуруповёрт. Автономное питание шуруповёрта делает его более мобильным и удобным в использовании. Зарядное устройство является источником питания для любого аккумуляторного электроинструмента, в том числе и шуруповёрта. Для примера познакомимся с устройством и принципиальной схемой.

Для принципиальных схем зарядных устройств шуруповёртов на 18 В используются транзисторы переходного типа несколько конденсаторов и тетрод с диодным мостом. Частотную стабилизацию осуществляет сеточный триггер. Проводимость тока зарядки на 18 В обычно составляет 5,4 мкА. Иногда, для улучшения проводимости, применяют хроматические резисторы. Ёмкость конденсаторов, в этом случае, не должна быть выше 15 пФ.

Конструкция аккумуляторного устройства для шуруповёрта

«Банки» аккумулятора заключены в корпус, который имеет четыре контакта, включая два силовых плюс и минус для разряда/заряда. Верхний управляющий контакт включён через термистор (термодатчик), который защищает аккумулятор от перегрева во время зарядки. При сильном нагреве он ограничивает или отключает ток заряда. Сервисный контакт включается через резистор на 9 кОм, который выравнивает заряд всех элементов сложных зарядных станций, но они используются обычно для промышленных приборов.

Стандартные и индивидуальные характеристики зарядного устройства фирмы «Интерскол»

Элементы блока питания

Аккумулятор является самой дорогостоящей частью шуруповёрта и составляет примерно 70% от всей стоимости инструмента. При выходе его из строя придётся тратиться на приобретение практически нового шуруповёрта. Но если есть определённые навыки и знания вы можете самостоятельно исправить поломку. Для этого нужны определённые знания об особенностях и строении аккумулятора или зарядного устройства.

Все элементы шуруповёрта, как правило, имеют стандартные характеристики и размеры. Их основным отличием является величина энергоёмкости, которая измеряется в А/ч (ампер/час). Ёмкость указывают на каждом элементе блока питания (их называют «банками»).

«Банки» бывают: литий — ионные, никель — кадмиевые и никель — металл — гидридные. Напряжение первого вида — 3,6 В, другие имеют напряжение — 1,2 В.

Неисправность аккумулятора определяется мультиметром . Он определит, какая из «банок» вышла из строя.

Ремонт аккумулятора своими руками

Для ремонта аккумулятора шуруповёрта нужно знать его конструкцию и точно определить место поломки и саму неисправность. Если хотя бы один элемент выйдет из строя, вся цепь потеряет свою работоспособность. Наличие «донора», у которого все элементы в порядке или новые «банки» помогут решить эту проблему.

Мультиметр или лампа на 12 В подскажет, какой именно элемент неисправен. Для этого нужно поставить аккумулятор заряжаться до полной его зарядки. После чего разберите корпус и измерьте напряжение всех элементов цепи. Если напряжение «банок» ниже номинального, то нужно пометить их маркером. Затем соберите аккумулятор и дайте ему поработать до тех пор, пока его мощность заметно упадёт. После этого разберите снова и замерьте напряжение помеченных «банок». Проседание напряжения на них должно быть наиболее заметным. Если разница составляет 0,5 В и выше, а элемент работает, то это говорит о его скором выходе из строя. Такие элементы необходимо заменить.

С помощью лампы на 12 В можно также определить неисправные элементы цепи. Для этого нужно полностью заряженный и разобранный аккумулятор подключить к контактам плюс и минус на лампу 12 В. Нагрузка, созданная лампой, будет разряжать аккумуляторную батарею . После чего замерьте участки цепи и определите неисправные звенья. Ремонт (восстановление или замену) можно произвести двумя способами.

Неисправный элемент обрезается и паяльником припаивается новый. Это касается литий — ионных батарей. Так как восстановить их работу не представляется возможным.
Никель — кадмиевые и никель — металл — гидридные элементы можно восстановить, если присутствует электролит, который потерял объём. Для этого их прошивают напряжением, а также усиленным током, что способствует устранению эффекта памяти и повышает ёмкость элемента. Хотя полностью устранить дефект не получится. Возможно, спустя, некоторое время неисправность вернётся. Гораздо лучшим вариантом будет замена вышедших из строя элементов.

Замена необходимых элементов цепи

Для ремонта аккумулятора для шуруповёрта потребуется запасная аккумуляторная батарея , из которой, можно позаимствовать нужные детали или покупка новых элементов цепи. Новые «банки» должны соответствовать необходимым параметрам. Для их замены потребуется паяльник, олово, канифоль или флюс.

Универсальный зарядник своими руками

Чтобы зарядить аккумуляторное устройство, можно сделать самодельную зарядку, питающуюся от USB-источника . Необходимые компоненты для этого: розетка, USB-зарядка, 10 амперный предохранитель, необходимые разъёмы, краска, изолента и скотч. Для этого нужно:

Как видите, этот процесс не займёт много времени и не будет слишком разорителен для вашего семейного бюджета.

Как изготовить самодельное зарядное устройство для шуруповерта? В строительном деле главным помощником является шуруповерт. Без него очень сложно в работе по сборке мебели, при закручивании всяких болтиков и гаек. И если он перестает работать, то сразу возникают проблемы.

Можно, конечно, пойти в магазин и купить готовое зарядное устройство, но цена порой очень кусается. Иногда и цена подходит, но нужной модели аккумулятора нет, и тогда остается один выход – создать самому зарядное устройство.

Какие бывают типы аккумуляторов? Чаще всего на рынке можно встретить никель-кадмиевые аккумуляторы. Они привлекают покупателей своими размерами и приемлемой ценой.

Этот вид аккумулятора очень эффективен тем, что его можно очень часто заряжать, только до полного заряда. Но у него есть один недостаток, такой вид токсичный, поэтому от него отказались в Европе.

Следующим видом является никель-металл-гидридный, с точки зрения экологии он вполне безопасен. Эти батареи можно не использовать очень долго, но при необходимости нужно постоянно перезаряжать. Еще одним из популярных видов является литий-ионный аккумулятор, минус которого состоит в том, что этот вид плохо переносит низкие температуры воздуха, а цена очень высокая на данный вид товара.

Как сделать зарядное устройство шуруповерта

Для самодельного зарядного устройства вам понадобятся следующие материалы и инструменты:

зарядный стакан;
испорченная батарея;
два провода длиной по 15 см;
паяльник;
отвертка;
дрель;
термопистолет.

Приступают к сборке аккумулятора:

Берут зарядный стакан и аккуратно вскрывают, с помощью паяльника оклеивают клеммы и всю электронику.

Затем берут испорченную батарею и с помощью паяльника отпаивают клеммы с плюса и минуса. Для дальнейшей работы не забудьте маркером на крышке батареи пометить, где был плюс и минус.

В подготовленном стакане делают отметки, где будут проходить проводки.

С помощью дрели делают отверстия, если нужно, то с помощью лезвия подгоняют по размеру.

Проводки пропускают через готовые отверстия, берут дрель и припаивают проводки к стакану (очень важно соблюдать полярность).

Для того чтобы разъем батареи не развалился, внутрь вставляют предварительно сделанную имитацию батареи из картона.
Крышку от батареи с помощью термопистолета прикрепляют к зарядному стакану.

И самым последним действием будет прикрепить нижнюю крышку к зарядному стакану.

Зарядное устройство готово, теперь его нужно вставить в переходник, а переходник в аккумулятор.

Вернуться к оглавлению

Устройство для шуруповерта из USB источника

Вам понадобятся такие материалы и инструменты:

шуруповерт;
розетка или гнездо от прикуривателя в автомобиле;
usb зарядное устройство;
предохранитель с машины на 10 А;
соединения разъемные обжимные;
краска;
изолента;
скотч.

Приступают к работе:

Для начала разберите шуруповерт на все мелкие детали, вам не понадобится статор, якорь, редуктор и вся верхняя часть.
С помощью ножа отрежьте верхний корпус от ручки.

Следующим этапом будет работа с дрелью, нужно в боковой части ручки просверлить отверстие и немного его заточить. Тут будет находиться предохранитель.

Возьмите провода с обжимными концами и соедините их с предохранителем.

В корпусе от ручки шуруповерта нужно закрепить предохранитель с проводами с помощью клея из пистолета.

Когда это все сделали, подсоединяете к разъему батареи.
В верхней части шуруповерта монтируете обжимные провода к розетке от прикуривателя и, чтобы все хорошо закрепить, используете клеевой пистолет.

Чтобы все хорошо зафиксировать, обмотайте скотчем весь корпус ручки.
Собираете весь шуруповерт и все хорошо соединяете изолентой.

Для эстетичного вида нужно отшлифовать зашпаклеванную часть и все покрыть краской.

Универсальная схема управления со стабилизированным напряжением для обеспечения безопасной работы автономной электронной системы

Резюме

Сбор механической энергии с помощью трибоэлектрического наногенератора (TENG) является многообещающей стратегией для решения энергетических проблем. Однако необходимо разработать эффективную и безопасную схему управления энергией для предотвращения отключения электронных устройств под высоким напряжением. Здесь разработана универсальная схема управления для оптимизации выходных характеристик TENG, которая впервые позволяет TENG безопасно питать различные сенсорные системы безопасным и стабильным напряжением.На основе схемы выход TENG может быть преобразован в стабильное напряжение с настраиваемой амплитудой, при этом достигается повышенный ток короткого замыкания 94 мА с потерями энергии менее 5%. Для демонстрации были подготовлены три различных типа TENG, соответственно, нацеленные на энергию океана, энергию ветра и энергию ходьбы, чтобы продемонстрировать возможности схемы. Это исследование предлагает стратегию значительного повышения выходной производительности TENG, чтобы предоставить полезные рекомендации по созданию автономных и распределенных сенсорных систем.

Тематические области: Электронная инженерия, Энергетические ресурсы, Энергетические системы, Устройства

Введение

Вступая в эру Интернета вещей, носимые и имплантируемые электронные устройства быстро развиваются, что приводит к острой потребности в ясных, устойчивых, и распределенное энергоснабжение (Tarancón, 2019; Say et al., 2020; Wang, 2018; Tang et al., 2020). Традиционно для питания этих устройств используются батареи, но их ограниченная емкость и большой объем не могут полностью удовлетворить быстро растущие потребности (Liang et al., 2020a, 2020b, 2020c; Нюхольм, 2020). Получение энергии из окружающей среды или движения человека — одна из наиболее многообещающих стратегий для компенсации недостатка батареи (Li et al., 2020a, 2020b; Zhang et al., 2018; Liu et al., 2020a, 2020b; García Núñez et al. ., 2019; Xue et al., 2017; Seol et al., 2015; Kim et al., 2018). Впервые предложенный Wang Group в 2012 году (Fan et al., 2012) трибоэлектрический наногенератор (TENG, также называемый генератором Ванга), который может преобразовывать все виды механической энергии в электричество, до сих пор применялся во многих областях, включая использование энергии океанских волн (Liang et al., 2020a, 2020b, 2020c), сбор энергии движений человека (Zhao and You, 2014; Ren et al., 2020a, 2020b; Miao et al., 2019) и даже энергии сердцебиения (Ouyang et al., 2019; Liu et al. др., 2019а, 2019б). Управляемые током смещения Максвелла, TENG имеют значительный выход высокого напряжения, который может достигать тысяч вольт, в то время как выходной ток TENG очень низкий в пределах уровня микроампер, а внутреннее сопротивление очень велико в пределах уровня мегомов (Wang et al. др., 2020a, 2020b, 2020c; Liu et al., 2019a, 2019b; Xia et al., 2019; Zi et al., 2016a, 2016b; Ли и др., 2020a, 2020b; Мао и др., 2017). Соответственно, для устройств TENG совершенно необходима эффективная и безопасная система управления энергией.

Рабочее напряжение и импеданс электронного устройства и накопителя энергии относительно низкие, что не может соответствовать высокому напряжению и внутреннему сопротивлению TENG, и, таким образом, невозможно напрямую использовать TENG в качестве источника питания для электронной системы. (Harmon et al., 2020; Wang et al., 2020a, 2020b, 2020c; Xia et al., 2020; Wang et al., 2018). Между тем, механическая энергия в окружающей среде обычно возникает из-за случайных механических движений, а выходной сигнал от TENG имеет импульсную форму волны со случайной амплитудой и частотой. Чтобы регулировать выход TENG, необходимо учитывать три важных модуля: повышение тока, понижающее преобразование и накопление энергии (Cheng et al., 2019; Zhang et al., 2019). За последние несколько лет, несмотря на то, что в этих направлениях было достигнуто много значительных улучшений, несколько нерешенных проблем все еще препятствуют практическому применению TENG.Прежде всего, управляющие цепи в большинстве управляющих цепей ТЭНов питаются от другой цепи, которая требует внешнего источника питания или ручного управления (Song et al., 2019; Cheng et al., 2017; Zhang et al., 2020) . Следовательно, для TENG совершенно необходимо полностью активное управление питанием (PMM). Во-вторых, традиционное понижающее преобразование для управления выходным сигналом TENG, включая индуктивный трансформатор или пассивный переключатель, не может обеспечить стабильный сигнал выходного напряжения, и его трудно напрямую подключать к электронным блокам (Zi et al., 2016a, 2016b; Zi et al., 2017; Сюй и др., 2018; Пу и др., 2016). Пока что PMM, специально разработанный для TENG, по-прежнему является одной из наиболее важных задач для изучения TENG (Liu et al., 2020a, 2020b; Niu et al., 2015).

Здесь мы впервые предложили универсальную схему управления (UMC) для TENG, которая способна обеспечить стабильное и дополнительное выходное напряжение для соответствия стандартному электронному напряжению, в то время как его регулируемый выходной ток может достигать 94 мА. Эта управляющая схема со стабильным выходным напряжением может напрямую подавать питание на сенсорную систему, избегая поломки электронных устройств из-за высокого напряжения TENG, и может напрямую подключаться к высоковольтным TENG и хорошо согласовываться с высоким выходным сопротивлением TENG без дополнительной мощности. поставка.Как напряжение, так и ток также могут регулироваться внутренним конденсатором схемы управления, что позволяет накапливать заряд на входном конденсаторе до тех пор, пока понижающий преобразователь не сможет эффективно передать часть накопленного заряда на выход. Между тем, с помощью этой управляющей схемы скорость зарядки системы TENG-конденсаторов увеличивается в 2,5 раза. Были подготовлены три демонстрации с различными типами TENG, чтобы продемонстрировать возможности этой схемы управления, и выходной сигнал от этой схемы управления можно напрямую использовать для питания различных устройств с низким энергопотреблением, таких как монитор температуры океана, датчик влажности, передатчик Bluetooth. для определения положения и т. д.

Результаты и обсуждение

Структура сенсорной системы с автономным питанием на основе TENG проиллюстрирована на рисунке A. Полностью автономная беспроводная сенсорная система окружающей среды требует микроконтроллеров и преобразователей, которые собирают энергию из окружающей среды. Связующим звеном между генератором энергии и потребителем энергии является цепь управления энергией. Типичный принцип работы TENG показан на B, где в качестве примера выбран TENG с разделением контактов, а универсальная схема управления предназначена для обслуживания всех типов TENG.Обычно наноструктуры создаются на поверхности трибоэлектрических материалов для дальнейшего улучшения выходных характеристик TENG. Например, пленка из политетрафторэтилена (ПТФЭ) с наноразмерными рисунками на ее поверхности (угол контакта с водой 156 °) модифицируется обработкой травлением с индуктивно связанной плазмой, как показано на C, включая и. Как показано на Рисунке S1, наноструктурированный ПТФЭ улучшил выходные характеристики TENG. Подробный процесс изготовления представлен в разделе «Методы STAR».Производительность TENG может быть улучшена и регулироваться схемой управления, в то время как стабильное напряжение на выходах постоянного тока (DC), обеспечиваемых схемой управления, может питать различные функциональные устройства со стандартным электронным напряжением, такие как датчики, устройства сигнализации, устройства отображения. , и так далее. Как показано на D, универсальная схема управления может преобразовывать выход переменного тока TENG в стабильный выход постоянного тока с высоким значением тока и стабильным значением напряжения. Для улучшения характеристик носимых устройств также разработана гибкая и мягкая схема, отвечающая различным сценариям применения, как показано на E.Подробный процесс изготовления управляющей схемы представлен в Прозрачных методах ^{Дополнительная информация}. F – 1H демонстрируют превосходные выходные характеристики TENG под управлением управляющей схемы. С помощью управляющей схемы можно собирать импульсы высокого напряжения TENG, в то время как собранные заряды могут быть выпущены сразу. Тогда можно получить импульсный сигнал тока с амплитудой в несколько десятков миллиампер. Более того, модуль стабилизации напряжения в управляющей схеме может регулировать напряжение выходного сигнала, чтобы оно было стабильным значением, а не в форме импульсов, как показано на F.Значение напряжения может быть равно 1,8 В, 2,5 В, 3,3 или 3,6 В, которые являются обычным рабочим напряжением различных электронных устройств. TENG с управляющей схемой может обеспечивать выходной ток в миллиамперной шкале, загораясь очень ярким светоизлучающим диодом (LED) (см. G ⅱ и видео S1), в то время как тот же TENG без универсальной управляющей схемы может обеспечивать только токовый выход. в шкале микроампер (см. G i). Благодаря высокому току и стабильному напряжению, TENG на основе UMC с током миллиамперного уровня может очень ярко светить УФ-светодиодом, который может использоваться в качестве детектора валюты с автономным питанием (см. Рисунок S2 и Видео S2).Более того, количество одноразовой передачи заряда TENG с универсальной схемой управления примерно в 2,88 раза больше, чем у TENG только с простым выпрямительным мостом AC-DC, как показано в H.

Структура конструкции системы с автономным питанием на основе универсальная управляющая схема и TENG

(A) Структура для автономной сенсорной системы, достигаемая с помощью универсальной управляющей схемы с TENG, собирающей микро-энергию.

(B) Принцип работы каждого блока TENG.

(C) Изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) наноструктуры полимера ПТФЭ (включая i) и (ii) его поверхность с углом контакта с водой 156 °.

(D) Фотография жесткой универсальной управляющей схемы с ее размерами и контактами.

(E) Фотография гибких и мягких универсальных управляющих цепей (шкала 1 см). (i и ii) Фотографии показывают его мягкость и гибкость.

Превосходные выходные характеристики TENG при универсальной управляющей схеме по выходному напряжению (F), току (G) и переносу одиночного заряда (H) соответственно.

Видео S1. Светодиод с UMC-TENG_spl_, относящийся к рисунку 1: Video S2.УФ-светодиод с UMC-TENG, относящийся к Рисунку 1:

Схема управления представлена в A, в основном состоящая из двух полных мостовых выпрямителей, регулятора напряжения и некоторых конденсаторов. Как объяснялось в приведенной выше части, схема выполняет две основные функции. Первый — это сбор и хранение выходных зарядов от TENG, чтобы реализовать высокий выходной ток. Второй связан с функцией стабилизации напряжения, которая может высвобождать накопленный заряд при заданном значении напряжения. Высокоэффективный стабилизатор напряжения и один понижающий преобразователь содержатся в микросхеме LTC 3588-1 (см. Рисунок S3).Следует подчеркнуть, что коммерческий чип LTC 3588 не может напрямую подключаться к высоковольтным TENG, потому что входное напряжение чипа не может выдерживать сигнал напряжения, превышающий 20 В. Следовательно, необходимо установить внешнюю схему для управления сигналом высокого напряжения. TENG и используйте только реакционную петлю микросхемы LTC-3588. Эта схема управления специально разработана для TENG, что полностью отличается от традиционного применения микросхемы LTC-3588. Первый выпрямитель D1 может преобразовывать переменный ток на выходе TENG в постоянный ток.Второй — дальнейшее выпрямление выходного тока, чтобы функциональная цепь работала правильно. Заряды накапливаются во входном конденсаторе C1 и затем передаются регулярным напряжением на выходной конденсатор C4. Целевое выходное напряжение можно установить на 1,8 В, 2,5 В, 3,3 В или 3,6 В, подключив контакты D0 и D1 к контакту входного напряжения 2 (Vin2) или заземлению (GND) (см. Таблицу S1). Следовательно, выводы D0 и D1 подключены к Vin2 и GND соответственно, чтобы соответствовать рабочему напряжению электронного устройства в следующих экспериментах.

Схема и стимуляция универсальной управляющей цепи

(A) Принципиальная схема универсальной управляющей цепи.

(B) Результат стимуляции выходного тока с другим внешним конденсатором (C1).

(D) Результат моделирования внутреннего времени между двумя пиками тока по отношению к различным низким частотам.

Программное обеспечение LTspice используется для моделирования универсальной схемы управления; соответствующие параметры показаны в.Результат моделирования по отношению к различным внешним конденсаторам (C1) показан как B. Выходной ток увеличивается с увеличением внешнего конденсатора (C1). Как показано на C, когда напряжение C1, заряжаемого TENG, увеличивается до 5,2 В, регулятор напряжения управляет разрядом C1, затем напряжение C1 уменьшается до 3,8 В, при этом выходной ток значительно увеличивается с пиковым значением выше 15,57. мА. Более того, с увеличением частоты входного сигнала интервал времени между пиками тока становится меньше (см. D).

Таблица 1

Параметры, используемые для моделирования универсальной управляющей схемы

Электронное устройство	Количество	Единица
C2	1	мкФ
C3	4,7	мкФ
C4	10	мкФ
L1	10	мкГн

Для исследования производительности этой универсальной схемы управления предлагается отдельно стоящий TENG (GF-TENG) с решетчатой структурой. применяется для работы с управляющей схемой, а базовая операционная единица схематически изображена в А.Он имеет пленку из ПТФЭ с металлическим электродом, нанесенным на тыльную сторону (задний электрод). На лицевой стороне пленка PTFE совершает относительное движение с другим металлическим электродом (контактным электродом). Во время контакта электроны переносятся из металла в ПТФЭ, что приводит к накоплению отрицательных зарядов на поверхности ПТФЭ и положительных — на поверхности металла. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics, основанное на моделировании методом конечных элементов, используется для расчета распределения потенциала между двумя электродами в разных состояниях, как показано на рисунке B, и изменение этой разности потенциалов вызывает ток смещения во внешней цепи.C – 3E показывают выходные характеристики GF-TENG на частоте 2 Гц без универсальной схемы управления. Напряжение холостого хода может достигать 100 В, а ток короткого замыкания — около 40 мкА. С выпрямительным мостом AC-DC величина однократной передачи заряда составляет около 7,52 мкКл. Стабильное значение выходного напряжения, а также выходного тока показано в таблице F и 3G, а демонстрационное видео со светодиодной подсветкой показано в вспомогательных видеороликах S1 и S2. Выходной ток TENG, интегрированного с универсальной управляющей схемой, значительно увеличен, с пиковым значением выше 14.3 мА при C1 3,3 мкФ. Количество переданных зарядов, соответствующих одному пику тока, превышает 21,67 мкКл, как показано на рисунке H. Эффективность передачи заряда (η) универсальной схемы управления может быть рассчитана на основе следующего уравнения:

здесь, Q _из из Схема управления составляет около 21,67 мкКл, n = 3 — это циклы зарядки TENG, а Q _TENG — 7,52 мкКл. Следовательно, КПД η универсальной схемы управления рассчитан равным примерно 96,1%, что означает, что потери энергии в этой схеме управления ниже 5%.Как показано на I, когда напряжение внешнего конденсатора (C1) заряжается от TENG, увеличивается примерно до 5,2 В, регулятор напряжения управляет разрядкой конденсатора C1; затем напряжение C1 уменьшается до 3,8 В, в то время как выходной ток значительно увеличивается до пикового значения, что в основном аналогично моделированию предыдущей схемы. Амплитуда изменения кривой зарядки внешнего конденсатора (C1) в основном поддерживается в диапазоне 3,8–5,2 В, как показано на рисунке S4. Для изучения влияния внешнего конденсатора (C1) на выходной ток измеряется выходной ток короткого замыкания при различных конденсаторах.Когда внешний конденсатор (C1) равен 47 мкФ, ток короткого замыкания составляет около 94 мА (см. J). Как показано на рисунке S5, интервал выходного тока уменьшается с увеличением силы, но пиковое значение остается в основном неизменным. Наконец, мы используем тот же TENG с управляющей схемой и без нее для зарядки конденсатора емкостью 470 мкФ. Было обнаружено, что скорость зарядки TENG с управляющей схемой в 2,5 раза выше, чем без управляющей схемы, как показано на K. Когда напряжение конденсатора достигает 3.3 В, напряжение будет оставаться стабильным на уровне 3,3 В, что может защитить последующие электронные устройства или датчики от пробоя высокого напряжения. Как показано на рисунках S6A и S6B, наилучшее согласованное сопротивление GF-TENG на основе UMC (500 Ом) намного меньше, чем лучшее согласованное сопротивление GF-TENG (1 МОм), что полезно для использования UMC в практических функциональных схемах. . Более того, максимальная мощность GF-TENG на основе UMC в три раза превышает максимальную мощность GF-TENG, как показано на рисунке S7.

Сравнение результатов электрических измерений для GF-TENG и TENG на базе UMC

(A) Принципиальная схема работы и состав материала GF-TENG.

(B) Распределение потенциала TENG при трех различных перемещениях качения смоделировано с помощью программного обеспечения COMSOL с использованием метода конечных элементов (FEM).

Результаты измерения (C) напряжения холостого хода, (D) тока короткого замыкания и (E) количества переданных зарядов GF-TENG (E), соответственно. Вставка (E): соединение с выпрямительным мостом AC-DC для измерения количества переданных зарядов.

Результаты измерения (F) напряжения холостого хода, (G) тока короткого замыкания и (H) количества переданных зарядов TENG на основе UMC, соответственно.Вставка (H): соединение с выпрямительным мостом AC-DC для измерения количества переданных зарядов.

(I) Напряжение зарядки внешнего конденсатора (C1) от TENG на основе UMC и выходной ток TENG на основе UMC.

(Дж) Измеренный выходной ток с регулируемым внешним конденсатором (C1).

(K) Сравнение производительности зарядки GF-TENG и GF-TENG на базе UMC.

Управляющая схема может применяться для облегчения сбора энергии океанских волн. Как видно на рисунке A, подготовлена беспроводная сенсорная система океана на основе TENG с подвижной структурой (RS-TENG) и универсальной схемы управления.Схематическая диаграмма двух сферических оболочек из полиметилметакрилата, а также связанного с ними устройства TENG, показана как B и 4C. Внутренняя оболочка представляет собой RS-TENG, состоящий из катящегося шарика из ПТФЭ и двух неподвижных медных электродов в качестве материалов для электрификации, как показано на B (i) и (ii). Под действием волновых колебаний свободно стоящий шар может катиться вперед и назад между двумя электродами, обеспечивая переменный ток к внешней нагрузке. Внешняя оболочка может изолировать электронные устройства от морской воды и поддерживать стабильную влажность окружающей среды для работы генераторов.Универсальная схема управления и датчик-маяк Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) размещены в зазоре между двумя сферическими оболочками из полиметилметакрилата, где полимолочная кислота, полученная с помощью 3D-печати, может помочь исправить смещение положения. Радиомаяк датчика BLE и его приемник показаны на рисунке S8. Более подробно, диаметры внешней оболочки оболочки и внутренней сферы составляют 9 см и 7 см соответственно, а диаметр шара из ПТФЭ составляет 2 см, как показано на C i, ii и iii. Принцип действия предлагаемого RS-TENG основан на сопряжении трибоэлектрического эффекта и электростатической индукции.Когда отдельно стоящий шарик из ПТФЭ катится по верхней части правого медного электрода, на верхней поверхности меди и поверхности шарика из ПТФЭ (B (i)) генерируются равные количества зарядов разной полярности. Когда шарик из ПТФЭ катится от правого электрода к левому электроду, отрицательные заряды текут от левого электрода к правому электроду через внешнюю цепь из-за электростатической индукции (B (ii)). Программное обеспечение COMSOL Multiphysics, основанное на моделировании методом конечных элементов, используется для расчета распределения потенциала на двух электродах в пяти различных состояниях, как показано на рис. D i-v, и изменение этой разности потенциалов вызывает ток смещения во внешней цепи.

Демонстрация системы беспроводных распределительных датчиков океана на основе RS-TENG и UMC

(A) Фотография шаров беспроводных распределительных датчиков океана, плавающих в морской воде.

(B) Структура и основные операции системы Ocean Senor Ball, интегрированной с RS-TENG и UMC.

(C) (i) Фотография одного сфабрикованного интегрального шара океанской сенсорной системы. (ii) Фотография RS-TENG, датчика и UMC, и (iii) фотография одного шарика из ПТФЭ (три масштабных линейки соответствуют 1 см.).

(D) Моделирование распределения потенциала для RS-TENG при пяти различных перемещениях качения с помощью программного обеспечения COMSOL с использованием метода конечных элементов (FEM).

(E) Фотография, на которой показаны три встроенных шара системы океанских сенсоров, отправляющих данные на приемник.

(F) Системная схема системы беспроводных распределительных датчиков океана на основе RS-TENG и UMC.

(G) Сравнение кривых зарядки 400 мкФ под RS-TENG с UMC и без UMC.

(H) Данные температуры и влажности от трех шаров беспроводных распределительных датчиков океана, работающих в течение 7 часов.

Подготовлено упрощенное состояние с непрерывной водой, в то время как три беспроводных датчика океана тестируются с реальной водой, как показано на E и видео S3 в ^{Дополнительная информация}. Эти беспроводные датчики океана могут регистрировать температуру воды и влажность внутреннего шара, а соответствующие данные могут быть отправлены на приемник на стороне компьютера через беспроводной маяк датчика BLE (см. Экран компьютера). Весь процесс записи и отправки данных осуществляется оболочкой TENG с универсальной согласующей схемой.Подробно, как показано на F, универсальная управляющая схема, интегрированная в сферический TENG, может питать маяк датчика BLE для отслеживания изменения температуры и влажности. Энергия от TENG с UMC может поддерживать маяк датчика BLE для отправки шестнадцатеричных данных на приемник на компьютере, в то время как стабильное выходное напряжение TENG на основе UMC может соответствовать напряжению маяка датчика BLE. Наконец, компьютер переводит шестнадцатеричные данные со всех трех датчиков BLE в десятичную информацию и отображает все эти данные в виде таблиц и диаграмм цветных облаков.Подробная информация о процессах зарядки и форма сигнала датчика BLE показаны на рисунке S9. Чтобы дополнительно проверить вклад универсальной схемы управления в работу ТЭНов океанических волн, мы подключили выходной терминал универсальной схемы управления к конденсатору (400 мкФ). Конденсатор можно зарядить до 3,26 В за 4 мин с помощью универсальной управляющей схемы. Между тем, если мы удалим универсальную схему управления, тому же TENG потребуется около 8,5 минут для зарядки аналогичного конденсатора, как показано на G.Выходной ток RS-TENG и RS-TENG на базе UMC показан на рисунках S10 и S11 соответственно. Долговременная стабильность устройства — очень важный параметр для реальной работы этих автономных систем. Как показано на H, система беспроводных распределительных датчиков океана помещается в реальную среду водных волн на 7 часов, и три сенсорных маяка BLE могут стабильно отправлять свои данные на компьютерный приемник. Как показано на Рисунке S12, время, необходимое для сбора зарядов UMC, составляет около 1.5 мин. Следовательно, TENG в сочетании с универсальной схемой управления может предложить реальное решение для энергоснабжения для долгосрочного, обширного мониторинга изменения климата в открытом море в режиме, близком к реальному времени.

Видео S3. Датчик окружающей среды океана, показанный на рис. 4:

Аналогичная система датчиков окружающей среды также может приводиться в действие гибкими пластинчатыми TENG (LS-TENG) и природной энергией ветра. Как показано на рисунке A, LS-TENG собирают энергию ветра, а универсальная схема управления преобразует энергию в подходящие электрические сигналы, которые могут напрямую управлять датчиками окружающей среды.Затем данные об окружающей среде могут быть переданы на мобильный телефон через Bluetooth с низким энергопотреблением, как показано на Видео S4 и Рисунке S13. Система датчиков окружающей среды, основанная на гибких LS-TENG, представлена на B, которая состоит из трех частей: TENG, универсальной управляющей цепи и сенсорного маяка BLE. TENG представляет собой типичное устройство в форме листа с шестью полосами, сделанными из пленки ПТФЭ, медной фольги и полиэтилентерефталатной (ПЭТ) пленки, а детальную концепцию дизайна можно найти в предыдущих исследованиях (Ren et al., 2020a, 2020b; Чжэн и др., 2018; Ван и др., 2020a, 2020b, 2020c; Сюй и др., 2020). Упорядоченные движения шести полосок с разделением контактов могут собирать энергию ветра из окружающей среды (Ren et al., 2019; Zhang et al., 2016). ПЭТ выбран в качестве основы ленты, в основном благодаря его приличной прочности, низкой стоимости и хорошей обрабатываемости. Чтобы увеличить эффективную площадь контакта полимера ПТФЭ и Cu, наноструктура поверхности полимера ПТФЭ создается на открытой поверхности ПТФЭ методом реактивного ионного травления сверху вниз.Чтобы закрепить принцип работы TENG, COMSOL используется для моделирования периодического изменения потенциала между двумя электродами во время движения с разъединением контактов, как показано на C i и ii. Долговременная стабильность устройства показана на D, где система беспроводного датчика окружающей среды помещена в реальную ветреную среду более чем на 7 часов, а маяк датчика BLE может стабильно отправлять данные информации об окружающей среде на приемник компьютера.

Две демонстрации системы беспроводных датчиков окружающей среды и системы позиционирования в помещении с автономным питанием

(A) Фотография системы беспроводных датчиков окружающей среды, собирающей энергию ветра и отправляющей данные датчиков окружающей среды на мобильный телефон.

(B) Структура и основные операции беспроводной системы датчиков окружающей среды, интегрированной с LS-TENG и универсальной схемой управления.

(C) Моделирование распределения потенциала для блока LS-TENG с помощью программного обеспечения COMSOL с использованием метода конечных элементов (FEM).

(D) Данные о температуре и влажности от беспроводной системы датчиков окружающей среды, работающей в течение 7 часов.

(E) TENG и BLE Bluetooth, встроенные в обувь, служат в качестве автономной системы позиционирования в помещении.

(F) Моделирование реалистичной ходьбы человека с использованием линейного двигателя для привода слоя TENG. Врезка (i) — фотография маяка BLE.

(G) Иллюстрация рабочих механизмов ТЭНа, а распределение потенциала на расстоянии между двумя трибоэлектрическими слоями (или воздушным зазором) изменяется от 2 до 0,1 мм.

(H) Сравнение кривых зарядки 470 мкФ под слоем TENG с UMC и без UMC.

(I) Изменение RSSI с разными расстояниями.

Видео S4. Сбор энергии ветра, как показано на рисунке 5:

Помимо сбора энергии из окружающей среды, универсальная схема управления может также работать с TENG для сбора энергии от повседневных движений человека. Например, как показано на E, многослойный TENG, интегрированный с обувью человека, может собирать энергию от ходьбы, в то время как универсальная схема управления помогает обеспечить устойчивое электроснабжение мобильного маяка BLE. Стабильное выходное напряжение TENG на базе UMC может соответствовать напряжению маяка BLE.Соответственно, внутренняя система позиционирования с автономным питанием, основанная на этом многослойном TENG, показана на рисунке S14. Во время измерения многослойный TENG приводится в действие линейным двигателем с частотой движения 1 Гц, как показано на F и Video S5, в то время как универсальная схема управления выполнена на мягкой подложке для работы с этой носимой системой. Подробное изготовление мягкой универсальной схемы управления показано в экспериментальной части и на рисунке S15. Как показано на G, слои электризации (ПТФЭ и Cu) многослойного TENG демонстрируют непрерывные контактно-раздельные движения во время ходьбы человека.Этот рабочий механизм с разделением контактов обеспечивает незначительное истирание двух поверхностей, что помогает повысить долговечность TENG. Основной принцип работы этого режима разделения контактов TENG моделируется с помощью программного обеспечения COMSOL (см. G i и ii), в котором используется сопряжение между электризацией контактов и электростатической индукцией. Конденсатор емкостью 470 мкФ следует зарядить до 3,3 В, чтобы запитать маячок BLE для передачи сигнала на приемники. Было обнаружено, что скорость зарядки этого многослойного ТЭНа с универсальной схемой управления увеличена примерно в 2 раза.4 раза, как показано на H. Пик выходного тока многослойного TENG составляет около 7,2 мкА, в то время как это значение может достигать 15,3 мА с помощью универсальной схемы управления, как показано на рисунках S16 и S17.

Видео S5. Система определения местоположения, показанная на рисунке 5:

Значение индикатора уровня принимаемого сигнала (RSSI) представляет собой расстояние от приемника до передатчика (маяк BLE). Чтобы оценить расстояние на основе сигнала от маяка BLE, необходима модель потерь на трассе.Здесь мы принимаем модель потерь на трассе (Zuo et al., 2018):

, где параметр A — это абсолютное значение RSSI, представленное в дБм на расстоянии 1 м от маяка, n — параметр, связанный со средой распространения сигнала, и d — расстояние от маяка. В нашей реализации мы используем этот метод для оценки параметров. RSSI маяка BLE измеряется на разных расстояниях между Bluetooth и приемником (мобильным телефоном), как показано на I. Наконец, модель потерь на трассе с предопределенным параметром в нашей реализации — RSSI = — (10 * 3.3 ∗ log10d + 69)

Чтобы определить конкретные координаты точки на двумерной плоскости, используются три приемника для получения трех расстояний от точки. Подробная информация о том, как расположить человека, носящего систему определения местоположения, показана на рисунках S18A и S18B (^{, дополнительная информация,}). Эта демонстрация не только предлагает стратегию питания маяка BLE от TENG, но также предоставляет полезные рекомендации по созданию автономной позиционной платформы, используемой в особых условиях, таких как шахта и подземная парковка.

Выводы

Таким образом, мы разработали другую универсальную схему управления в качестве связующего звена между TENG и устройствами функциональной электроники, такими как беспроводные датчики окружающей среды или микроконтроллеры. Универсальная управляющая схема, интегрированная с TENG, хорошо согласуется с высоким выходным сопротивлением TENG, может обеспечивать выходной ток на уровне миллиампер, в то время как стабильное выходное напряжение этой универсальной управляющей схемы может быть стабилизировано на заданном уровне для питания различных беспроводных устройств. для предотвращения пробоя высокого напряжения.Процесс управления энергией этой схемы может осуществляться автоматически без необходимости в дополнительном источнике батареи, а потери энергии в этой схеме управления могут поддерживаться на уровне ниже 5%. Универсальность и эффективность этой универсальной схемы управления подтверждена использованием ТЭНов с различными режимами работы и конструкциями. Три системы датчиков окружающей среды, которые могут собирать различные микроэнергии (энергия водных волн, энергия ветра и энергия ходьбы), продемонстрированы для проверки стабильности, универсальности и практичности универсальной схемы управления.Предлагаемая универсальная управляющая схема может использоваться для создания беспроводных и распределенных сенсорных систем с минимальным энергопотреблением для решения проблем, возникших в связи с робототехникой, носимыми устройствами, мониторами окружающей среды и эпохой Интернета вещей.

Исследование формы выходного сигнала генератора с нагрузкой выпрямителя с учетом угла перекрытия коммутации

Целью данной статьи является изучение влияния неуправляемой схемы выпрямителя на форму выходного сигнала генератора с учетом угла перекрытия коммутации.На примере генератора с неуправляемым постоянным магнитом (PM), напрямую подключенного к неуправляемой схеме выпрямителя, устанавливается эквивалентная схема генератора с нагрузкой выпрямителя, и анализируется процесс коммутации схемы выпрямителя, когда влияние угла перекрытия коммутации Считается. Формы выходных сигналов на выходной стороне генератора получены аналитическим методом, методом моделирования схем, методом моделирования, связанным с полевыми цепями, и экспериментальным методом.Достоверность методов анализа демонстрируется сравнением. По результатам аналитического анализа известны характеристики формы выходного сигнала под влиянием угла перекрытия коммутации. Наличие угла перекрытия коммутации приведет к вогнутой или выпуклой форме волны напряжения, увеличению времени проводимости обмотки и появлению разности фаз между формой волны напряжения и формой волны тока. Проанализировано влияние синхронной индуктивности и дополнительной индуктивности на формы выходных сигналов и коэффициент гармонических искажений.Исследование в этой статье обеспечивает теоретическую основу для улучшения формы выходного сигнала генератора с выпрямительной нагрузкой.

1. Введение

Распределенная система электроснабжения в качестве основного или резервного источника питания широко используется во многих областях, таких как морские электрические двигательные установки, ветроэнергетика, авиация, чрезвычайные ситуации, горнодобывающая промышленность и нефтехимия. Когда потребность в мощности для распределенного источника питания велика, часто применяется способ подачи питания при параллельной работе синхронных генераторных установок с электрическим возбуждением.В этом методе электропитания необходимо использовать управление двойными замкнутыми контурами с постоянной частотой и постоянным напряжением, а также необходимо сбалансировать активную мощность и реактивную мощность каждого комплекта с устройством распределения нагрузки, а система управления является сложной. При использовании системы электропитания шины постоянного тока разделение нагрузки каждой установки может быть достигнуто путем простой регулировки амплитуды выходного напряжения генератора, и нет необходимости поддерживать постоянную частоту выходного напряжения генератора, а регулировку амплитуды можно выполнить. достигается регулировкой скорости первичного двигателя [1].Это обеспечивает удобные условия для применения генератора с постоянными магнитами с высоким КПД, простой конструкцией, большой плотностью крутящего момента и многими другими преимуществами, а также способствует развитию распределенной системы электропитания постоянного тока. В распределенной системе электропитания постоянного тока есть выпрямитель, и наличие выпрямителя вызовет искажение формы выходных сигналов на стороне переменного тока системы электропитания и окажет серьезное влияние на производительность генератора [2, 3].

Проблеме гармонического загрязнения на стороне переменного тока, вызванной нелинейными нагрузками, такими как цепь выпрямителя, было уделено большое внимание.Ориентируясь на разные типы генераторов и методы выпрямления, исследователи используют разные методы для анализа выходных характеристик распределенной системы электропитания постоянного тока. Выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией — лучший выбор из-за высококачественной формы выходных сигналов на стороне переменного тока и высокого коэффициента мощности, но его стоимость высока, а управление сложно [4, 5]. В настоящее время широко используемый неуправляемый выпрямитель принесет гармоническое загрязнение на сторону электросети, а коэффициент мощности низкий, а наличие большого количества гармоник приведет к увеличению потерь в линии питания и оборудовании, снизит эффективность производство электроэнергии, передача и электрическое оборудование, а также ухудшают вибрацию и шум оборудования [6–8], поэтому вопрос о том, как улучшить качество формы сигналов на стороне энергосистемы в неуправляемой схеме выпрямителя, был предметом исследования.В работе Zhang и Wu [9] анализируются рабочие характеристики синхронного генератора с электрическим возбуждением с неуправляемой нагрузкой выпрямителя, а с помощью численного моделирования получены формы сигналов напряжения и тока на стороне переменного тока. В [10–13] установлена модель эквивалентной схемы системы электрогенератора с неуправляемой выпрямительной нагрузкой и проанализировано взаимное влияние гармоник напряжения и тока. В исследовании Meyer et al. [14], характеристики формы волны тока на стороне энергосистемы анализируются с помощью моделирования Simulink, когда батарея зарядки электромобилей использует метод неуправляемого выпрямителя, а качество формы волны тока улучшается за счет использования устройства компенсации гармоник.В исследовании Zhang et al. В [15] выходные характеристики генератора с двойным выходом электрического возбуждения анализируются с помощью метода моделирования, связанного с полевыми цепями, а точность проверяется экспериментально.

Таким образом, основными методами исследования выходных характеристик стороны переменного тока распределенной системы электропитания постоянного тока являются, в основном, метод анализа, метод моделирования схем, метод моделирования связанных полевых цепей и экспериментальный метод. В этой статье в качестве примера взят неуправляемый генератор PM с неуправляемой схемой выпрямителя, а формы выходного напряжения и тока генератора получены с использованием вышеупомянутых методов.Механизм влияния формы выходного сигнала генератора, на который влияет схема выпрямителя, анализируется с помощью процесса решения аналитического метода, который обеспечивает необходимые условия для изучения того, как улучшить формы выходных сигналов распределенного источника питания постоянного тока. Сравнение форм сигналов напряжения и тока, полученных каждым методом, показывает относительную согласованность каждого метода, а также проиллюстрированы преимущества и ограничения каждого подхода.

2. Эквивалентная схема генератора постоянного магнита

Независимо от того, подключен ли генератор к нагрузке выпрямителя через трансформатор или нет, из-за последовательного включения индуктивности в цепи процесс коммутации не может быть завершен мгновенно в точке естественной коммутации, и возникает явление задержки, и время задержки выражается электрическим углом, который называется углом перекрытия коммутации.Во время периода коммутации общее напряжение, вызванное двухфазным коротким замыканием, фиксируется, что увеличивает содержание гармоник выходного напряжения и увеличивает нехарактерные гармоники выходного тока, что приводит к существованию разности фаз между формой волны выходного напряжения и форма выходного тока. Следовательно, необходимо проанализировать влияние параметров генератора на угол коммутационного перекрытия. При подключении к выпрямленной нагрузке через трансформатор только индуктивность рассеяния трансформатора включается последовательно с нагрузкой, значение которой можно рассматривать как постоянное значение.Когда генератор напрямую соединен с выпрямленной нагрузкой из-за наличия самоиндукции, индуктивности рассеяния и взаимной индуктивности обмоток, эквивалентный расчет ряда индуктивностей в цепи усложняется. Из-за того, что воздушный зазор генератора с явными полюсами на постоянных магнитах неоднороден, самоиндукция и взаимная индуктивность обмоток также изменяются в зависимости от положения ротора, поэтому получить эквивалентную схему генератора с явными полюсами на постоянных магнитах трудно [16].

Для более точного качественного анализа влияния угла перекрытия коммутации на форму сигнала выходного напряжения и тока генератора необходимо определить схему замещения, а также параметры сопротивления и индуктивности генератора. В случае генератора PM с несоциальным полюсом перед установкой математической модели делаются следующие допущения: магнитное поле в воздушном зазоре генератора без нагрузки является синусоидальным, а влияние магнитного поля реакции якоря на магнитное поле возбуждения не учитывается, то есть ЭДС холостого хода генератора синусоидальна, а амплитуда постоянна, а проницаемость постоянного магнита постоянна, и, как и проницаемость воздуха, магнитное сопротивление статора и ротора расслоением керна пренебрегают [17].Уравнения напряжения трехфазных обмоток генератора PM могут быть выражены как

В формуле — сопротивление фазы статора,,, и — потокосцепления возбуждения обмоток фазы A, фазы B и фазы C, соответственно, и,, и — суммарные потокосцепления реакции якоря обмоток фазы A, фазы B и фазы C, соответственно, а в формуле,,, и — самоиндуктивности фазы A, B — фазы и обмотки фазы C соответственно,,,,, и — взаимные индуктивности между обмотками фазы A, фазы B и фазы C, а,, и — токи фазы A, Обмотки B-фазы и C-фазы; исходя из предположений выше, в формуле

, и — индуктивность рассеяния и индуктивность возбуждения фазной обмотки; Взяв в качестве примера фазу A, имеется

В формуле это называется синхронной индуктивностью, а векторное уравнение напряжения обмотки статора может быть получено путем обобщения приведенных выше формул вывода:

Эквивалентная схема генератора PM с несимметричным полюсом можно получить по формуле (5).Когда ток в обмотке внезапно изменяется, наличие синхронной индуктивности будет препятствовать этому изменению, что приведет к существованию угла перекрытия коммутации, поэтому величина угла перекрытия коммутации связана с самоиндукцией, индуктивностью рассеяния. , и взаимная индуктивность обмоток якоря. Поскольку на роторе генератора с постоянными магнитами нет обмотки возбуждения и демпфирующей обмотки, переходная индуктивность генератора с постоянными магнитами равна индуктивности в установившемся режиме, если пренебречь эффектом вихревых токов [18].

3. Анализ процесса коммутации в цепи неуправляемого выпрямителя

При исследовании влияния схемы неуправляемого выпрямителя на формы выходного напряжения и тока генератора во многих литературных источниках анализируется рабочий процесс схемы неуправляемого выпрямителя на основе разные предположения. В работе Dai et al. В [19] анализируется процесс коммутации генератора электрического возбуждения с двойным несвязанным полюсом и выводятся аналитические формулы времени коммутации, величины угла перекрытия коммутации и падения коммутационного напряжения.Предполагается, что боковой ток постоянного тока прямой, как и в других источниках. Когда постоянный ток является прямым, как предварительное условие, выходной ток на стороне переменного тока также является постоянным в течение периода отсутствия коммутации. Чтобы упростить эквивалентную схему и облегчить аналитический анализ на примере резистивной нагрузки, эквивалентная схема неуправляемого генератора PM с неуправляемой выпрямительной схемой показана на рисунке 1.

При нормальной работе выпрямительной схемы , два диода в одной фазе не могут включиться одновременно, и если есть состояние, что угол перекрытия коммутации> 60 °, должно быть состояние, что угол перекрытия коммутации <60 °, и генератор находится в асимметричное и ненормальное рабочее состояние.Следовательно, исследование в этой статье ограничит значение угла перекрытия коммутации диапазоном 0 <<60 °. Угол перекрытия коммутации приведет к тому, что два диода с общей анодной группой или с общей катодной группой будут проводить одновременно, а рабочее состояние трехфазного выпрямительного моста будет изменено с 6 на 12, а продолжительность каждого состояния зависит от значение угла перекрытия коммутации. Формы сигналов обратной ЭДС без нагрузки трех фазных обмоток в течение одного цикла показаны на рисунке 2, при этом среднеквадратичные значения принимаются равными.В соответствии с симметрией структуры схемы, необходимо только изучить форму выходного напряжения и тока в положительном полупериоде обмотки фазы A. Предполагается, что начальная точка угла коммутационного перекрытия является естественной точкой коммутации, и влиянием фазного сопротивления статора пренебрегают. В случае, выходное напряжение обмотки фазы А возрастает от нуля в начале координат.

В течение периода 0 ∼ в соответствии с условиями проводимости диода, только диоды D5 и D6 являются проводящими, и эквивалентная схема, показанная на рисунке 1, может быть упрощена до режима 1, показанного на рисунке 3, и переходного напряжения и текущие уравнения схемы:
В течение периода ∼ +, в соответствии с условиями проводимости диода, проводят только диоды D1, D5 и D6, и эквивалентная схема, показанная на рисунке 1, может быть упрощена до режима 2, показанного на рисунке 3; в отличие от внезапного увеличения тока и внезапного уменьшения тока, можно временно считать, что = с небольшим изменением, то есть = 0, а уравнения переходного напряжения и тока схемы равны
В течение периода + ∼, в соответствии с условиями проводимости диода, только диоды D1 и D6 являются проводящими, и эквивалентная схема, показанная на рисунке 1, может быть упрощена до режима 3, показанного на рисунке 3, C-фаза в отключенном состоянии, есть = — и уравнения переходного напряжения и тока схемы:
В течение периода ∼ +, в соответствии с условиями проводимости диода, только диоды D1, D2 и D6 являются проводящими, и эквивалентная схема, показанная на рисунке 1, может быть упрощена до показанного режима 4 на рисунке 3, B-фаза и C-фаза в состоянии короткого замыкания, можно временно считать, что = с небольшим изменением, то есть = 0.Уравнения переходного напряжения и тока схемы:
В течение периода + ∼, в соответствии с условиями проводимости диода, только диоды D1 и D2 являются проводящими, и эквивалентная схема, показанная на рисунке 1, может быть упрощена до модального, аналогичного модальному. 3, показанный на рисунке 3. Уравнения переходного напряжения и тока схемы:
В течение периода ∼ +, в соответствии с условиями проводимости диода, только диоды D1, D2 и D3 являются проводящими, и эквивалентная схема, показанная на рисунке 1, может быть упрощен до модального, аналогичного модальному 2, показанному на рисунке 3.Уравнения переходного напряжения и тока схемы:
В течение периода + ∼, в соответствии с условиями проводимости диода, проводят только диоды D2 и D3, и эквивалентная схема, показанная на рисунке 1, может быть упрощена до модального режима, аналогичного модальному. 1, показанный на рисунке 3, и с теми же уравнениями переходного напряжения и тока.
Приведенные выше результаты анализа показывают, что под влиянием угла перекрытия коммутации положительный полупериод выходного напряжения и тока генератора делится на 7 сегментов, когда.Когда, в соответствии с периодичностью и непрерывностью схемы, начальная точка периода + ∼ будет в следующем временном периоде, а начальная точка модального рабочего состояния 1 — это, а остальные интервалы кусочно неизменны. Остальные периоды остаются прежними, а уравнения переходного напряжения и тока для каждого периода остаются прежними.
4. Влияние неконтролируемого выпрямления на форму выходного сигнала генератора
4.1. Аналитический анализ формы выходного сигнала генератора
При анализе процесса коммутации неуправляемой схемы выпрямителя даются выражения мгновенных значений выходного напряжения генератора и тока обмотки фазы А в пределах положительного полупериода.Используя эти выражения, можно нарисовать форму выходного напряжения и тока генератора, чтобы можно было более интуитивно понять влияние схемы выпрямителя на форму выходного сигнала на стороне переменного тока. Для эффективного рисования формы волны необходимо определить значение угла перекрытия коммутации и граничные условия для каждого сегмента.
Посредством уравнений напряжения и тока для периода ∼ + можно получить текущее выражение обмотки фазы A:
В режиме 1, когда фаза B находится в нормальном проводящем состоянии, и во время период одновременной проводимости A-фазы и C-фазы, ток B-фазы мало меняется, и можно предположить, что.В соответствии с граничным условием и приведенными выше формулами можно получить выражения для угла перекрытия коммутации:
Используя указанное выше приближение, можно рассчитать более точно, чем
Точный угол перекрытия коммутации можно получить, подставив в формулу (13 ), а результат можно сделать более точным путем повторения итераций.
В течение периода + ∼, согласно текущему уравнению, можно получить выражение тока:
Значение постоянной C можно получить, взяв значение тока фазы A при = + в течение периода ∼ + как граничное условие.
Выражения напряжения и тока в течение периода ∼ + легко получить в соответствии с их уравнениями напряжения и тока, а метод решения выражений напряжения и тока в течение периода + ∼ аналогичен методу решения в течение периода ∼ +, а метод решения метод решения выражений напряжения и тока за период ∼ + аналогичен методу решения за период ∼. Используя выражения и граничные условия для напряжения и тока, можно получить формы волны выходного напряжения и тока генератора при условии, что известны обратная ЭДС без нагрузки, синхронная индуктивность, номинальная частота и эквивалентное сопротивление нагрузки генератора.Номинальные параметры существующего прототипа показаны в таблице 1. Чтобы соотношение периодов было более разумным для удобства наблюдения, при моделировании и экспериментальном исследовании заданное значение сопротивления составляет 5 Ом, что составляет примерно половину нагрузки. . Формы выходного напряжения и тока обмотки фазы А в течение одного цикла можно получить, как показано на рисунке 4.
Параметры Значения (кВт)
Номинальная мощность 100
Синхронная индуктивность 0.32
Конечная индуктивность 0,025
Фазная обратная ЭДС 220
Номинальная частота 100

Выход генератора 5. Численное моделирование Форма волны
Спереди формы сигналов напряжения и тока на стороне переменного тока генератора с постоянными магнитами с несинхронизированным полюсом и выпрямленной нагрузкой выводятся и анализируются с использованием аналитического метода; тем не менее, это основано на большом количестве идеализированных предположений, и неизбежно будут некоторые отклонения, и когда будет принят генератор PM с явным полюсом или принят во внимание фильтрующий элемент, ситуация усложняется.Из-за нелинейности и изменения во времени силовых электронных устройств традиционные методы анализа не могут соответствовать требованиям статического и динамического анализа. Технология моделирования схем может использоваться для более точного исследования, и когда в системе есть генератор, должна быть создана эквивалентная модель генератора [20]. Чтобы облегчить проектирование схемы моделирования, некоторые программы моделирования содержат эквивалентную модель генератора. Формы выходного напряжения и тока генератора могут быть получены путем моделирования схемы с использованием эквивалентной схемы выпрямительной генераторной установки, показанной на рисунке 1.
Хотя метод моделирования схемы избегает предположения об идеализации и приближенного решения при выводе формул выходного напряжения и тока генератора, генератор моделируется эквивалентно, что не может полностью отражать сложное электромагнитное поле генератора, изменяющееся во времени и пространстве. Без учета влияния гармонического магнитного поля и магнитного поля реакции якоря на магнитное поле воздушного зазора нельзя рассматривать влияние насыщения магнитной цепи на параметры двигателя.Более того, точность параметров генератора напрямую повлияет на точность результатов анализа. Отличные характеристики метода конечных элементов при решении таких сложных задач широко используются, и эквивалентная модель генератора в схеме заменяется моделью конечных элементов, которая заменяется моделированием, связанным с полевой цепью, и установленной Имитационная модель, связанная с полевыми цепями, показана на рисунке 5. Скорость генератора регулируется путем изменения значения настройки модуля настройки скорости первичного двигателя.Поскольку двумерная имитационная модель методом конечных элементов не учитывает влияние конечной индуктивности и фазного сопротивления, конечная индуктивность, и и фазовое сопротивление, и должны быть добавлены к выходной стороне генератора. Формы сигналов выходного напряжения и тока генератора, полученные с помощью аналитического метода, метода моделирования схем и метода моделирования, связанного с полевыми цепями, показаны на рисунках 6 и 7, соответственно.

На рисунках 6 и 7 показано, что формы сигналов тока, полученные этими тремя методами, очень близки, с небольшими различиями.Разница форм сигналов напряжения между аналитическим методом и методом моделирования схем очень мала, поэтому объясняется точность аналитических формул напряжения и тока и применимость процесса вывода формулы. Форма волны напряжения, полученная методом моделирования связи полевой цепи, очевидно, отличается от формы, полученной двумя другими методами, в основном, по скорости падения напряжения во время фазы коммутации и пиковому значению выходного напряжения. Основная причина заключается в том, что, хотя магнитное поле в воздушном зазоре генератора было синусоидальным, форма волны обратной ЭДС без нагрузки генератора все еще содержит гармонические составляющие.Более того, магнитное поле реакции якоря будет дополнительно приводить к асимметрии магнитного поля воздушного зазора и в целом ослаблять магнитное поле воздушного зазора. Влияние падения напряжения на импедансе приведет к уменьшению пикового значения напряжения.
6. Экспериментальное испытание формы выходного сигнала генератора
Для проверки достоверности описанных выше методов анализа создается экспериментальная платформа генераторной установки выпрямителя для измерения формы выходного сигнала прототипа. Использование двигателя с регулируемой частотой приводит в движение генератор, работающий с номинальной скоростью, равной значению, заданному при моделировании, и при испытании значение сопротивления нагрузки устанавливается на то же значение, что и при настройке моделирования.Формы выходного напряжения и тока генератора показаны на рисунках 8 и 9 соответственно. Путем сравнения можно обнаружить, что измеренные формы сигналов напряжения и тока хорошо согласуются с формами сигналов, полученными с помощью предыдущих методов, а формы сигналов, полученные с помощью метода связанных полевых цепей, более близки к измеренным, что также объясняет точность приведенного выше анализа. .

7. Оптимизация качества формы выходного сигнала генератора
В соответствии с формами выходного напряжения и тока генератора, полученными вышеуказанными методами, во время коммутации фазы проводимости фазы A наличие угла перекрытия коммутации вызывает напряжение форма волны вогнутая.Во время коммутации фазы отсечки фазы A наличие угла перекрытия коммутации вызывает выпуклость формы волны напряжения. Во время коммутации фаз B и C форма волны напряжения также имеет вогнутую форму. Следовательно, наличие угла перекрытия коммутации вызывает серьезные искажения формы волны выходного напряжения генератора. Согласно осциллограммам выходного тока генератора, мы можем видеть, что наличие угла перекрытия коммутации приведет к увеличению времени проводимости обмотки, что приведет к разности фаз между формой волны напряжения и формой волны тока.Когда синхронная индуктивность отличается, выходное напряжение генератора, формы волны тока и соответствующий коэффициент гармонических искажений показаны на рисунках 10 и 11 соответственно. Как видно из рисунков 10 и 11, с увеличением синхронной индуктивности искажение формы волны выходного напряжения усиливается, а искажение формы волны выходного тока улучшается.

Чтобы улучшить формы выходных сигналов генератора, наиболее часто используется схема пассивного фильтра, показанная на рисунке 12, и индуктивности L 1 = L 2 = L 3 серии в цепи , а конденсаторы C 1 = C 2 = C 3 включены в цепь параллельно, а влияние значения емкости и индуктивности на качество форм сигналов напряжения и тока генератора анализируется с помощью моделирования [21 ].

При моделировании схемы скорости искажения формы волны напряжения и тока генератора изменяются в зависимости от значений индуктивности и емкости, которые показаны на рисунках 13 и 14 соответственно. Основные коэффициенты мощности выходной стороны генератора меняются в зависимости от значений индуктивности и емкости, которые показаны на рисунке 15.

Из рисунков 13-15 ясно видно, что схема пассивного фильтра может значительно улучшить качество осциллограмм напряжения и тока генератора.Увеличение индуктивности фильтра может значительно снизить степень искажения форм сигналов напряжения и тока, но при этом снизится основной коэффициент мощности. Увеличение емкости фильтра может снизить степень искажения форм сигналов напряжения и тока и улучшить основной коэффициент мощности. Высококачественные осциллограммы напряжения и тока генератора, а также высокий коэффициент мощности могут быть получены путем выбора емкости и индуктивности фильтра.
8. Заключение
В данной статье исследуется форма выходного сигнала генератора с выпрямительной нагрузкой.На основе эквивалентной схемы проанализирован процесс коммутации неуправляемой выпрямительной схемы с учетом угла коммутационного перекрытия, проанализировано влияние параметров выпрямительного генератора на угол коммутационного перекрытия и дано аналитическое выражение для угла коммутационного перекрытия дано. Формы выходного напряжения и тока генератора получают с помощью аналитического метода, метода моделирования схемы, метода моделирования, связанного с полевой цепью, и экспериментального метода, соответственно, а также объясняются преимущества и ограничения этих методов.Сравнивая формы сигналов выходного напряжения и тока, полученные разными методами, метод моделирования, связанный с полевыми цепями, хорошо согласуется с экспериментальным методом.
В этой статье обобщается влияние схемы выпрямителя на формы выходного напряжения и тока генератора, а также анализируется влияние синхронной индуктивности на форму выходного сигнала и коэффициент гармонических искажений генератора. С увеличением разницы мощностей генератора и нагрузки выпрямителя влияние угла перекрытия коммутации становится меньше.Влияние значения емкости и значения индуктивности на качество форм сигналов напряжения и тока генератора анализируется с помощью моделирования схемы пассивного фильтра. Увеличение индуктивности фильтра может значительно снизить степень искажения форм сигналов напряжения и тока, но при этом снизится основной коэффициент мощности. Увеличение емкости фильтра может снизить степень искажения форм сигналов напряжения и тока и улучшить основной коэффициент мощности. Исследование, представленное в этой статье, имеет руководящее и справочное значение для применения генератора с выпрямительной нагрузкой.
Доступность данных
Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
(PDF) Сбор энергии с помощью пьезопреобразователя с использованием схемы без выпрямителя для приложений низкого напряжения
Сбор энергии с помощью пьезопреобразователя с использованием схемы без выпрямителя
для приложений низкого напряжения
Под руководством
Проф.Д-р Роберт Хёнл., HFU, Германия
Гнанасекар Джаярадж, Лочан Торера Удаякумар
SMA WS18-19, Машиностроение и медицинское машиностроение
Hochschule Furtwangen University
Furtwangen, Германия
kumshamyas
Сантхамьяр Машиностроение и медицина
Hochschule Furtwangen University
Furtwangen, Германия
Аннотация — В этом поколении микромира требования к энергии
для микроустройств в критически важной рабочей среде
всегда были сложным процессом для выбора источника питания
.За счет сбора небольшого количества энергии
из источников окружающей среды (таких как температура окружающей среды
, вибрации или источники света) процесс
становится простым. В этом документе / отчете схема сбора энергии
для входа низкого напряжения (пьезокварцевый преобразователь) с помощью схемы без выпрямителя
(с использованием коммутации компонентов
, т. Е. MOSFET; минимальные потери энергии) для
с питанием малой мощности датчики и исполнительные механизмы.
Ключевые слова: преобразование постоянного / переменного тока; выпрямитель бесплатно; энергия
уборка урожая; низкое напряжение, малая мощность
I. ВВЕДЕНИЕ
Сбор энергии от пьезопреобразователя
сегодня широко используется во всех сферах применения. Кристалл пьезокварца
при воздействии механической нагрузки (вибрация; нагрузка; термическое напряжение
) вырабатывает электрическую энергию (пьезоэлектрический эффект). Но полученное напряжение
является сигналом переменного тока и требует преобразования в
постоянного тока для прикладных целей.
Рисунок 1: Блок-схема системы сбора энергии
Как правило, преобразование переменного / постоянного тока выполняется мостовым выпрямителем в схеме преобразователя
, но эта схема выпрямителя имеет основное ограничение
, когда она используется для преобразования меньшей мощности (ниже
0,7 В), поскольку для диода, присутствующего в выпрямителе, требуется пороговое напряжение
, которое выше 0,7 В для его работы, и
при преобразовании очень малых напряжений выпрямитель имеет больше
потерь из-за используемых диодов.Чтобы преодолеть эту проблему, выпрямитель
в схеме преобразователя заменяется переключающим компонентом
, таким как P-MOSFET и N-MOSFET, для преобразования переменного / постоянного тока
с минимальными потерями.
Power MOSFET, скорее всего, является переключателем, который может
управлять потоком напряжения и тока между истоком и стоком
. Он состоит из истока, стока, затвора и основного диода. Между истоком и стоком подключается корпусный диод
, функция которого
— пропускать однонаправленный ток.Кроме того, в схеме используется диод Шоттки
для пропускания тока от полевого транзистора
(Imos) в одном направлении, а затем следует индуктор
, который используется для управления током (т. Е. Разрешает
только установившееся состояние). ток, чтобы пройти через него, если обнаружено какое-либо изменение тока
, он сопротивляется току, протекающему через него).
Наконец, в конце, конденсатор используется для накопления постоянного напряжения
, а затем можно использовать устойчивый источник питания от конденсатора
для желаемого применения.
Используя эти вышеупомянутые компоненты, теоретическое моделирование схемы
выполняется в программном обеспечении Lt Spice Analysis
, а результаты и выводы дополнительно обсуждаются в следующем разделе
. Результаты моделирования показывают, что схема
обеспечивает устойчивое низкое выходное напряжение постоянного тока с минимальными потерями энергии
. Прототип этой схемы также выполнен
и объяснен.
II. ПРИНЦИП РАБОТЫ ЦЕПИ
A. Сбор энергии от пьезопреобразователя
Реакцией на изменение размера кристалла пьезо
внешней нагрузкой является электрический заряд, известный как пьезоэлектрический эффект
, и внутренняя генерация механического
деформация в результате приложенного электрического поля. Для примера
кристаллы цирконата-титаната свинца будут генерировать измеримое пьезоэлектричество
, когда их статическая структура составляет
, деформированная примерно на 0.1% от первоначального размера.
И наоборот, те же самые кристаллы изменят примерно 0,1% от
своего статического размера, когда к материалу приложено внешнее электрическое поле.
называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. [3]
Универсальная самозарядная система, приводимая в действие случайной биомеханической энергией для устойчивой работы мобильной электроники
Конструкция каркаса системы
Эта интегрированная автономная система, управляемая движением человека, показана на рис.1, включая самозарядный блок питания с приводом от движения человека и функциональные схемы для различных приложений. TENG собирает биомеханическую энергию человека и преобразует ее в переменный ток. электричество. Тогда этот перем. электричество преобразуется в постоянный ток. электрический выход, который соответствует входу накопителя энергии схемой управления питанием. Наконец, накопитель энергии обеспечивает постоянный ток. электричество ко всем функциональным цепям, включая датчики, процессоры данных, дисплеи и беспроводные передатчики.Сигналы от датчиков и процессоров данных либо визуализируются на ЖК-дисплее, либо отправляются удаленно через беспроводной передатчик.
Рис. 1: Конструкция системы с автономным питанием.
( a ) Схема системы на базе TENG с автономным питанием. ( b ) Рабочий механизм контактно-модового ТЭНа с присоединенным электродом. ( c ) Структура проектируемого многослойного ТЭНа. ( d ) Фотография ТЭНа в заводском исполнении. ( e ) Выход тока короткого замыкания и ( f ) выход напряжения холостого хода заводского TENG.
Конструкция многослойного TENG
TENG впервые был разработан и оптимизирован для эффективного сбора биомеханической энергии человека. Мы выбрали многослойный контактный TENG с прикрепленным электродом для эффективного сбора энергии от ходьбы и бега человека. Основной принцип работы TENG контактного режима с присоединенным электродом показан на рис. 1b, на котором используется сопряжение между контактной электризацией и электростатической индукцией ³³. Как показано на рис. 1c, каптоновая пленка имеет зигзагообразную структуру с 10–15 слоями ³⁴.Для каждого слоя в качестве трибоэлектрических материалов используется тонкая алюминиевая фольга и слой фторированного этиленпропилена (FEP). Алюминиевая фольга также служит одним электродом. Медь испаряется с обратной стороны слоя FEP, как и другой электрод. Как показано на рис. 1d, готовый TENG имеет небольшой объем и легкий вес (5,7 × 5,2 × 1,6 см / 29,9 г для 10-слойного TENG и 5,7 × 5,2 × 2,4 см / 43,6 г для 15-слойного TENG). . Оптимальная толщина FEP для этой конструкции составляет 125 мкм согласно теоретическим расчетам и конструктивным соображениям (дополнительный рис.1). Кроме того, на поверхности FEP и алюминиевой фольги создаются наноструктуры для повышения производительности устройства (дополнительный рис. 2) ³⁵. Этот TENG, встроенный в стельки обуви, может управлять ходящим человеком, генерируя переданный при коротком замыкании заряд около 2,2 мкКл и выходное напряжение около 700 В, как показано на рис. 1e, f. Этот многослойный ТЭН способен надежно работать в различных средах. В отличие от скользящих TENG, этот рабочий механизм разъединения контактов обеспечивает небольшое трение и истирание двух поверхностей во время процессов контакта и разъединения, что значительно увеличивает долговечность этого устройства.Как показано в испытании на долговечность (дополнительный рисунок 20), нормализованный перенесенный заряд не показывает очевидного ухудшения даже после примерно 180000 циклов. Кроме того, в предыдущем исследовании ³⁶ было доказано, что влажность и влажность мало влияют на производительность TENG.
Конструкция схемы управления питанием
Ключевой технической задачей является эффективное хранение TENG a.c. электрическая энергия в накопитель энергии. Традиционно для преобразования a.c. к постоянному току а затем энергия напрямую накапливается в большом конденсаторе или батарее (так называемая прямая зарядка) ³². Однако, поскольку TENG по своей природе имеют высокий импеданс, такая конструкция всегда сталкивается с огромным рассогласованием импеданса, особенно когда источником энергии является низкочастотная биомеханическая энергия человека, что приводит к сверхнизкой эффективности хранения энергии ³¹. Например, если TENG используется для непосредственной зарядки идеальной батареи 1 В, теоретическая общая эффективность η _всего составляет всего около 1%, даже если пренебречь утечкой тока батареи и внутренним сопротивлением (дополнительное обсуждение, раздел 3). .3). Другой возможный метод — использовать трансформатор для согласования импеданса между TENG и накопителем энергии. Однако, поскольку TENG имеют высокий внутренний импеданс и импульсный выходной сигнал, все практические трансформаторы страдают огромными потерями при преобразовании мощности, что продиктовано их ограниченным коэффициентом качества, недостаточной первичной индуктивностью, плохой низкочастотной характеристикой и конечной узкой полосой пропускания.
Следовательно, для решения этой проблемы требуется новый дизайн. Из нашей предыдущей работы, когда TENG используется для зарядки конденсатора C _temp через мостовой выпрямитель при периодическом механическом движении (начальное напряжение C _temp равно 0 В), напряжение C _temp ( V _temp) имеет следующую взаимосвязь со временем зарядки t (ref.31):
, где V _sat и k — параметры, определяемые конструкцией TENG, а f — частота внешнего механического движения. Соответственно, средняя мощность ( P _avg), сохраненная в C _temp от момента времени 0 до t , может быть задана как:
, где безразмерный параметр x определяется как kft / C _temp и P ₀ — постоянная мощности, определяемая как.
Как показано на рис. 2b, оптимизированное значение x _opt равно 1,25643, когда P _avg достигает максимального значения 0,4073 P ₀. При этом оптимизированном x _opt ( t _opt), V _temp достигает 0,7153 V _sat, что является оптимизированным зарядным напряжением V _opt. Обратите внимание, что V _opt зависит только от параметров TENG (независимо от C _temp).На этом этапе η _всего достигает 75,0%, что является наивысшей эффективностью заряда для конденсатора, заряжаемого от 0 В с помощью TENG (дополнительное обсуждение, раздел 3.4).
Рисунок 2: Конструкция части управления питанием для регулируемых выходов TENG.
( а ) Принципиальная схема цепи управления питанием. ( b ) Теоретический расчет оптимизированного времени зарядки для демонстрации конструкции схемы управления питанием. ( c ) Результаты измерения эффективности платы.( d ) Измерение максимального постоянного тока. мощность этой системы приводится в движение биомеханической энергией человека. ( e , f ) Результаты измерения общей эффективности. ( e ) Измерение мощности переменного тока, получаемой от резистора. ( f ) Измерение мощности постоянного тока, получаемой от цепи управления питанием. ( г ) Сравнение зарядного тока между прямой зарядкой и зарядкой платы.
Имея теоретическое представление о зарядных характеристиках TENG, мы можем разработать следующую стратегию зарядки для максимальной эффективности накопления энергии.Сначала небольшой временный конденсатор ( C _temp) заряжается TENG от 0 В. Как только его напряжение достигает В _opt (достигается условие согласования импеданса), энергия сохраняется в C _temp начинает передаваться в конечный накопитель энергии (большой конденсатор или аккумулятор), чтобы максимально увеличить η _всего. Когда передача энергии завершается, напряжение C _temp снова падает до значения, близкого к 0, а затем C _temp перезаряжается TENG, чтобы снова достичь V _opt.При таком оптимизированном цикле зарядки η _{общее количество} теоретически может достигать 75% (дополнительное обсуждение, раздел 3.4).
Этот теоретический цикл зарядки может быть реализован с помощью двухступенчатой схемы управления питанием, как показано на рис. 2a. На первом этапе временный конденсатор C _temp заряжается от TENG через мостовой выпрямитель. Вторая стадия предназначена для передачи энергии от C _temp к конечному накопителю энергии.Поскольку передача электростатической энергии непосредственно от небольшого конденсатора к большому конденсатору (или батарее) приводит к огромным потерям энергии (дополнительное обсуждение, раздел 4), два автоматических электронных переключателя (управляемые логическим блоком управления, мощность обоих переключателей и их блок логического управления питается от конечного накопителя энергии) и связанный индуктор используются во второй ступени (^37,38). Подробный рабочий процесс показан ниже для достижения эффективной передачи энергии на этом этапе.Во-первых, оба переключателя J ₁ и J ₂ открыты, чтобы избежать вмешательства в процесс зарядки C _temp. Когда В _{температура} достигает В _opt, электронный переключатель J ₁ замыкается. В результате энергия начинает передаваться от C _temp к индуктору L ₁ и V _temp начинает падать.Когда энергия полностью передается на L ₁, переключатель J ₁ размыкается, а J ₂ замыкается. Как следствие, ток L ₁ мгновенно падает до 0. Кроме того, поскольку общий магнитный поток в связанной индуктивности не может резко измениться, ток L ₂ внезапно возрастет, что соответствует передаче энергии от L ₁ к L ₂.Наконец, энергия, накопленная в L ₂, будет автоматически передаваться в конечный накопитель энергии из-за закрытия J ₂. Когда энергия, накопленная в L ₂, полностью отправлена, J ₂ снова открывается, и начинается другой цикл зарядки.
Производительность схемы управления питанием
Работа такой системы управления питанием показана на рис. 2c – g. На рисунке 2c показаны профили напряжения как временного конденсатора ( В, , _{, температура}), так и конечного накопительного конденсатора ( В, , _{, накопитель}), когда один 15-слойный TENG и 1-мФ конденсатор с алюминиевым электролитом использовались в качестве энергии. комбайн и накопитель энергии ( C, , _{, накопитель}), соответственно (дополнительный рис.9). В то время как TENG приводится в движение путем постукивания ладонью, C _temp заряжается от TENG и разряжается через сеть передачи энергии, что приводит к колебаниям В _temp между 230 и 0 В. V _temp, V _{Накопитель} увеличивается за счет переданной энергии от C _temp. Обратите внимание, что если не было подвода механической энергии (от 5,4 до 5,7 с на рис. 2c), и V _temp и V _store будут медленно уменьшаться из-за тока утечки системы и энергопотребления электронные переключатели.Производительность сети передачи энергии можно оценить по эффективности платы ( η _{, плата}), которая определяется как отношение общей энергии, хранящейся в C, _{, накопителе}, к общей энергии, передаваемой из C. _темп. Из данных, показанных на рис. 2c, общая энергия, передаваемая из C _temp, вычисляется как 9,160 мДж, а общая энергия, запасенная в C _store, рассчитывается как 8.243 мДж (дополнительное обсуждение, раздел 5). Таким образом, эта сеть передачи энергии имеет η _плата = 90,0%, что значительно улучшено по сравнению с одноступенчатым процессом прямой передачи энергии (дополнительное обсуждение, раздел 4).
Для измерения постоянного тока. мощность, передаваемая на нагрузку системой, приводимая в движение ладонью, нагрузочный резистор R _L подключен параллельно накопительному конденсатору (подробное описание экспериментальной конфигурации см. в разделе 3.2 дополнительных обсуждений).Накопительный конденсатор C, _{, накопитель} заряжается двумя 15-слойными заводскими TENG, а затем обеспечивает постоянный ток. мощность для R _L. Как показано на рис. 2d, когда R _L высокое, потребляемая мощность R _L ниже, чем мощность, обеспечиваемая TENG, поэтому V _store имеет положительный наклон со временем. По мере того, как сопротивление нагрузки R, , _L уменьшается, потребляемая мощность нагрузки увеличивается, а крутизна зарядки В, , _{, накопитель}, уменьшается.Когда крутизна зарядки уменьшается до 0 (39 кОм, дополнительный рис. 5), мощность, передаваемая при постукивании ладонью, равна мощности, потребляемой на нагрузке, которая рассчитывается как 1,044 мВт (7,34 Вт · м ⁻³). Когда R _L продолжает уменьшаться (20 кОм), мощность, отдаваемая при постукивании ладонью, недостаточна для компенсации потребления энергии на нагрузке, и крутизна зарядки становится отрицательной.
Наиболее важным параметром схемы управления питанием является общий КПД η _всего, который определяется как отношение максимального d.c. мощность, сохраняемая в накопителе до максимального переменного тока. мощность, передаваемая на резистивную нагрузку (дополнительное обсуждение, раздел 3). Для измерения η _всего, сначала максимальный переменный ток. мощность, подаваемая на резистивную нагрузку, может быть извлечена путем измерения согласования сопротивления TENG (дополнительный рисунок 8). Как показано на рис. 2e, максимальное значение переменного тока энергия, генерируемая TENG, составляет 0,3384 мВт при оптимальном сопротивлении нагрузки 4,26 МОм. Во-вторых, максимальный постоянный ток. мощность, подаваемую через плату управления питанием, можно измерить, используя метод, показанный выше, который равен 0.2023, мВт (рис. 2е) при таком же механическом срабатывании (от электродвигателя). Следовательно, η _всего рассчитывается как 59,8%.
По сравнению с прямой зарядкой плата управления питанием демонстрирует значительное повышение эффективности зарядки. В другом эксперименте по зарядке суперконденсатора (см. Подробную экспериментальную конфигурацию в разделе 6 дополнительных обсуждений), чистый ток зарядки суперконденсатора составляет 13,82 нА при прямой зарядке и 15,14 мкА через разработанную плату управления питанием, что в 1096 раз улучшено! Учтите, что трансформатор показывает даже худшую производительность, чем прямая зарядка.Как показано на дополнительном рисунке 11, зарядный ток суперконденсатора не может даже компенсировать ток утечки, когда в качестве цепи согласования импеданса используется трансформатор 10: 1.
Широкое применение в качестве устойчивого источника постоянного тока. источник питания
Этот блок питания, заряжаемый движением человека, находит широкое применение в реализации датчиков человеческой активности с автономным питанием, что делает их самодостаточными без каких-либо внешних источников питания. Было продемонстрировано несколько применений этого самозарядного устройства для устойчивого управления различными коммерческими электронными системами (рис.3а). В первой демонстрации этот энергоблок, заряжаемый движением человека, был подключен к коммерческому датчику температуры (рис. 3b, подробная схема системы показана на дополнительном рис. 12). Этот датчик температуры использует тепловую пару для измерения температуры окружающей среды. Затем аналоговый сигнал считывания оцифровывается через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Наконец, цифровой сигнал отображается на ЖК-дисплее для визуализации выходных данных. Как показано в дополнительном фильме 1, даже при очень слабом 1.Постукивание ладонью с частотой 6 Гц (постукивание ладонью используется в основном для облегчения съемок, другие виды человеческих движений, такие как постукивание ног, также подходят для этого приложения), этот блок питания, заряжаемый движением человека, может обеспечивать достаточную мощность для поддержания непрерывной работы Датчик температуры. Внутри не было никаких внешних источников питания / батарей для питания какой-либо части всей функционализированной системы.
Рис. 3. Применение в датчиках активности человека с автономным питанием.
( a ) Конфигурация системы датчиков активности человека с автономным питанием.( b ) Демонстрация датчика температуры с автономным питанием. ( c ) Демонстрация системы монитора сердечного ритма (ЭКГ) с автономным питанием. ( d ) Демонстрация шагомера с автономным питанием.
Блок питания такого типа может также служить источником питания для мониторинга здоровья человека. В качестве типичного примера мы реализовали систему ЭКГ с автономным питанием (рис. 3c, подробная схема системы показана на дополнительном рис. 13). Сигнал биоэлектричества через левую и правую руку человека сначала собирали через коллектор сигналов ЭКГ (два проводящих стержня из алюминия), а затем усиливали и фильтровали через усилитель сигнала ЭКГ (AD8232, Analog Devices).Такой усиленный сигнал частоты сердечных сокращений показан на дополнительном рисунке 14. После этого использовался АЦП для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, который затем регистрировался цифровым счетчиком. Наконец, вывод цифрового счетчика был показан на ЖК-дисплее для визуализации сигнала. Кроме того, понижающий преобразователь был использован для устранения рассогласования напряжения питания между усилителем сигнала ЭКГ (2–3,3 В) и ЖК-дисплеем (> 4,5 В) ³⁷. Как показано в дополнительном фильме 2, число на ЖК-дисплее увеличивается на 1 каждый раз, когда сердце бьется.В то же время напряжение накопительного конденсатора сохраняло положительную крутизну, что показывало, что мощность, обеспечиваемая от нажатия ладонью, была достаточно высокой для питания всей системы ЭКГ.
Этот вид механического источника энергии также может использоваться в различных фитнес-приложениях. Например, была реализована система шагомера с автономным питанием (рис. 3г, подробная схема системы показана на дополнительном рис. 15). В этой системе механическая чувствительная часть была реализована с помощью другого присоединенного электрода TENG.При приложении давления этот присоединенный электрод TENG мог генерировать пик напряжения, из-за чего этот механический датчик потреблял нулевую электроэнергию. Подобно вышеупомянутому сигналу частоты пульса, этот пиковый сигнал напряжения может быть зафиксирован АЦП и цифровым счетчиком, а затем отображен на ЖК-дисплее. Как показано в Дополнительном фильме 3 (Дополнительный фильм 7, управляемом постукиванием ногой), число на ЖК-дисплее увеличивалось на 1 каждый раз, когда к механическому датчику прикладывалось давление. Кроме того, хотя шагомер продолжал работать нормально, V _store быстро увеличивался с начального значения 5.02 до 5,67 В. Такое быстрое увеличение связано со сверхнизким энергопотреблением системы из-за использования механического датчика TENG с автономным питанием.
Помимо датчиков активности человека с автономным питанием, этот вид механического блока питания также широко применяется в другой персональной электронике. Во-первых, его применение в носимой электронике демонстрируется на носимых часах с автономным питанием и функцией математических вычислений (рис. 4а, подробная схема системы показана на дополнительном рис.16). Как показано в дополнительном фильме 4, очень медленное и нежное постукивание ладонью (1 Гц) может привести эти носимые часы в полную функциональность: например, точная запись времени и вычисление квадратного корня. Даже при нерегулярном постукивании ладонью (с нерегулярным интервалом между пальмингом) эти носимые часы по-прежнему работают в обычном режиме (дополнительный фильм 8), пока средняя мощность, обеспечиваемая движением человека, превышает его энергопотребление. Кроме того, более сложная работа по обработке данных может быть завершена с помощью постукивания ладонью.Например, научный калькулятор — это обычно используемая сложная система обработки данных, содержащая генераторы тактовых импульсов, регистры, постоянные запоминающие устройства, арифметико-логические блоки и ЖК-дисплей (рис. 4b, подробная схема системы показана на дополнительном рис. 17). Как показано в дополнительном фильме 5, такой продвинутый научный калькулятор может легко работать за счет механической энергии от прикосновения ладони. Все расширенные вычисления, такие как тригонометрическая функция, функция экспоненты и функция логарифма, могут быть реализованы без наличия каких-либо батарей.Наконец, этот блок питания применим и в системе беспроводной связи. В качестве типичной демонстрации к этому силовому блоку был подключен модуль удаленного доступа без ключа (RKE), который использовался для беспроводного управления автомобилем, находящимся на расстоянии около 50 м. Модуль RKE представляет собой сложную радиочастотную систему, в основном содержащую микроконтроллер и радиочастотный передатчик (рис. 4c, подробная схема системы показана на дополнительном рис. 18). После нажатия кнопки на модуле RKE микроконтроллер обрабатывает и шифрует сигнал и передает зашифрованные 64–128-битные данные на радиочастотный передатчик.Тогда радиочастотный передатчик 433,92 МГц может отправлять код удаленно со скоростью передачи данных около 2–20 кГц. Как показано в дополнительном фильме 6, этот блок питания может заряжать накопительный конденсатор с 5,9 до 6,4 В примерно за 3-5 с. Когда напряжение накопительного конденсатора достигает 6,4 В, этот блок RKE может функционировать и отправлять зашифрованный сигнал, а напряжение накопительного конденсатора возвращается примерно к 5,9–6,2 В. После получения этого радиочастотного сигнала приемник внутри автомобиля может обрабатывать: расшифровать и отреагировать на эту команду (отпереть дверь и включить ближний свет), наглядно демонстрируя успех удаленной беспроводной передачи.Затем этим блоком питания был заряжен накопительный конденсатор до 6,4 В. Как показано на дополнительном рисунке 19, эта беспроводная удаленная система с автономным питанием имеет достаточно мощности для отправки сигналов на расстояние 50 м со скоростью, равной команде, каждые 3,06 с.
Рис.