این مطلب را خلاصه کن با:
مقدمه
فرض کنید، برای کاهش زمان شارژ، باتری را با جریان بیشتری شارژ کنید. اما، آیا مدار در لحظه مناسب جریان را قطع می کند؟ آیا افزایش دما، نوسان ولتاژ یا شارژ بیش از حد به باتری آسیب نمی زند؟، پاسخ این پرسش ها به طراحی مدار شارژ سریع باتری با قطع کن خودکار بستگی دارد. یک مدار استاندارد فقط آمپر بیشتری در اختیار باتری قرار نمی دهد، بلکه ولتاژ، جریان و دمای باتری را کنترل می کند و پس از کامل شدن شارژ، جریان خروجی را کاهش می دهد یا قطع می کند.
برای پاسخ به این سؤال که “مدار شارژر باتری چیست؟” باید به عملکرد کلی آن توجه کنیم. این مدار، برق ورودی را به ولتاژ و جریان متناسب با باتری تبدیل می کند و فرایند شارژ را در محدوده ای ایمن نگه می دارد. نوع باتری، ولتاژ نامی، ظرفیت برحسب آمپر ساعت، میزان تخلیه، دمای محیط و کاربرد باتری، همگی مشخصات مدار را تعیین می کنند. به همین دلیل، مداری که برای باتری سرب اسیدی 12 ولت خودرو طراحی شده را نمی توان برای باتری لیتیوم یون، AGM، ژله ای یا باتری UPS به کاربرد. بنابراین، قبل از بررسی روش ساخت شارژر باتری ماشین باید هدف مدار و مشخصات دقیق باتری را مشخص کنید.
عملکرد مدار شارژ باتری با کنترل خودکار نیز فقط به قطع جریان در یک ولتاژ مشخص محدود نمی شود. این مدار باید جریان اولیه را کنترل کند، افزایش ولتاژ را زیر نظر بگیرد و در پایان، شارژ را متوقف کند یا وارد حالت نگهدارنده شود. این موضوع هنگام انتخاب شارژر باتری خودرو یا شارژر باتری موتورسیکلت و شارژر باتری صنعتی اهمیت پیدا می کند، زیرا ظرفیت، جریان مورد نیاز، زمان شارژ و شرایط کاری این تجهیزات با یکدیگر متفاوت هستند.
جامپ استارتر یک دستگاه قدرتمند و قابل حمل است که فقط جریان لحظه ای مورد نیاز برای روشن کردن موتور را هنگام ضعیف شدن باتری تأمین می کند، اما توانایی شارژ کامل باتری را ندارد. بنابراین، هنگام بررسی قیمت جامپ استارتر باید بدانید که این وسیله جایگزین شارژر کامل باتری نیست. در این مقاله، اجزای مدار شارژر، روش کنترل خودکار، تفاوت مدارهای ساده و هوشمند، محاسبات باتری و شارژر، اصول طراحی و نکات انتخاب محصول مناسب را بررسی می کنیم. برای انتخاب دستگاه متناسب با نوع، ولتاژ و ظرفیت باتری نیز می توانید از مشاوره کارشناسان فنی راد الکتریک ریحانی بهره مند شوید.
مدار شارژر باتری چیست؟
در پاسخ به اینکه مدار شارژر باتری چیست و چگونه کار می کند؟، باید بگوییم که این مدار مجموعه ای از قطعات الکترونیکی و بخش های حفاظتی است که برق ورودی را به ولتاژ و جریان مناسب برای شارژ باتری تبدیل می کند و با کنترل جریان ورودی به باتری، فرایند شارژ را به صورت ایمن و اصولی انجام می دهد. مدار شارژر هوشمند باتری 12 ولت می تواند میزان شارژ، ولتاژ و دمای باتری را بررسی کرده و پس از کامل شدن شارژ، جریان خروجی را کاهش و یا قطع کنند.
اجزای اصلی یک مدار شارژر باتری معمولاً از بخش هایی مانند مبدل ولتاژ، پل دیود، خازن صافی، تنظیم کننده جریان، کنترل کننده ولتاژ و مدارهای حفاظتی تشکیل شده است. وجود حفاظت در برابر اتصال کوتاه، جا به جایی قطب های مثبت و منفی، افزایش دما و شارژ بیش از حد، ایمنی شارژر و باتری را افزایش می دهد. لازم به ذکر است، مدار ساده شارژر باتری باید با نوع، ولتاژ و ظرفیت باتری سازگار باشد.
برای مثال، مدار شارژر مناسب باتری سرب اسیدی 12 ولت خودرو الزاما برای باتری های ژله ای، AGM، لیتیومی یا UPS مناسب نیست، زیرا هر باتری به جریان، ولتاژ و روش شارژ مخصوص خود نیاز دارد. بنابراین، پیش از ساخت شارژر باتری خودرو یا خرید شارژر باید به مشخصات باتری و توصیه های سازنده توجه شود.
اجزای اصلی مدار شارژر باتری کدام اند؟
در مدار شارژر باتری ساده، معمولا از چند بخش اصلی تشکیل شده و اجزای دقیق آن با توجه به توان و فناوری دستگاه تغییر می کند، اما این بلوک های مشترک تقریبا در همه شارژرها دیده می شوند. شناخت این بخش ها به تحلیل مدار شارژر باتری کمک می کند و نشان می دهد که چرا حذف یک قطعه حفاظتی می تواند نتیجه را خطرناک کند.
- ورودی و یکسو سازی (Rectification)
ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ متناوب AC برق شهر را به سطح مناسب می رساند، سپس با یک پل دیود به جریان یکسو (DC) تبدیل می شود.
- فیلتر صاف کننده
خازن های الکترولیتی نوسان خروجی یکسوساز را می گیرند تا DC صاف تری تولید شود.
- مدار تنظیم ولتاژ / جریان (Regulation)
این قلب اصلی شارژر است و وظیفه دارد ولتاژ و جریان خروجی را دقیقا کنترل کند. بسته به نوع شارژر می تواند یک رگولاتور ساده، یک مبدل سوئیچینگ، یا یک تراشه (IC) مخصوص مدیریت شارژ باتری باشد.
- مدار کنترل و اندازه گیری جریان و ولتاژ (Sensing)
مقاومت شنت یا مدار حسگر جریان، میزان جریان شارژ را اندازه می گیرد تا از شارژ بیش از حد جلوگیری شود. این بخش معمولا با یک تقویت کننده عملیاتی یا مقایسه گر (Comparator) همراه است.
- مدار قطع / کنترل شارژ کامل (Charge Termination)
تشخیص می دهد باتری کاملا شارژ شده و جریان را قطع یا به حالت نگهدارنده (Trickle/Float) کاهش می دهد.
- مدارهای حفاظتی
این بخش شامل چند لایه حفاظتی شامل فیوز یا محدود کننده جریان ورودی، حفاظت در برابر اتصال کوتاه، حفاظت در برابر دمای بالا (thermal shutdown) است و در مدار شارژر باتری های لیتیومی معمولا حفاظت در برابر شارژ بیش از حد و دشارژ عمیق باتری وجود دارد.
- نشانگرهای وضعیت
معمولا LED های برای نمایش وضعیت شارژ (در حال شارژ / شارژ کامل) تعبیه می شود.
در یک مدار ساده شارژر باتری، فقط چند قطعه پایه مانند ترانس، پل دیود (برای یکسو کردن برق) و خازن (برای صاف کردن ولتاژ)، به همراه یک محدود کننده جریان دیده می شود. چنین مداری معمولا وضعیت واقعی باتری را به خوبی تشخیص نمی دهد، یعنی نمی فهمد باتری چقدر شارژ دارد یا کی باید شارژ قطع شود. در مدار شارژر اتوماتیک، چند قطعه هوشمند تر مانند مقایسه کننده ولتاژ، مرجع دقیق برای مقایسه درست، یک مدار هیسترزیس (که از قطع و وصل مکرر جلوگیری می کند) و عنصر قطع خروجی نیز اضافه می شوند. بنابراین، در ساخت شارژر باتری هوشمند از میکروکنترلر یا آی سی اختصاصی استفاده می شود که می تواند چند مرحله شارژ، تشخیص باتری معیوب، جبران دمایی و حالت نگهداری را مدیریت کند.
مدار شارژ سریع باتری با قطع کن خودکار
در مدار شارژر باتری با کنترل خودکار، وقتی ولتاژ باتری پایین باشد، مدار شروع به شارژ می کند. هرچه باتری بیشتر شارژ می شود، ولتاژش هم بالاتر می رود و بخش کنترل مدار دائم این ولتاژ را زیر نظر دارد. وقتی ولتاژ به حدی که از قبل تنظیم شده برسد، مدار جریان شارژ را کم یا قطع می کند. وجود هیسترزیس هم بسیار مهم است، زیرا مانع قطع و وصل سریع رله در نزدیکی ولتاژ باتری می شود. نکته مهم دیگری که باید به آن توجه شود، مقدار دقیق ولتاژ پایان شارژ است که نباید فقط براساس عدد 12 ولت درج شده بر روی بدنه باتری تعیین شود. بلکه این عدد باید بر اساس نوع باتری، کاربرد و مشخصات سازنده تنظیم گردد.
مدار شارژر باتری 12 ولت با قطع خودکار بیشتر برای باتری های سرب اسیدی خودرو، موتورسیکلت و بعضی از یو پی اس ها کاربرد دارد. اما یک مدار واحد نمی تواند برای همه انواع باتری ها مناسب باشد، چون هر کدام محدوده ولتاژ، جریان و روش پایان شارژ مخصوص به خود را دارند.
در مدار شارژ سریع باتری با قطع کن خودکار، افزایش جریان می تواند مدت زمان شارژ را کاهش دهد، اما فقط زمانی که باتری توان پذیرش این جریان را داشته باشد. قطع کن خودکار به تنهایی ایمنی کامل ایجاد نمی کند، مدار باید حتما محدود کننده جریان، حفاظت حرارتی، فیوز و محافظ اتصال معکوس هم داشته باشد. اگر افزایش جریان کنترل نشود، باعث داغ شدن باتری، تولید گاز، کاهش عمر یا آسیب داخلی باتری می شود. در این نوع مدارها معمولا از یک مقایسه کننده ولتاژ همراه با رله، ترانزیستور یا ماسفت برای قطع و وصل خروجی استفاده می کنند.
در نهایت، انتخاب مدار شارژر باتری 12 ولت اتوماتیک فقط به ولتاژ خروجی وابسته نیست. بلکه قبل از ساخت یا خرید، باید نوع باتری، ظرفیت (برحسب آمپر ساعت)، جریان مجاز شارژ، مدت زمان مورد نظر، دمای محیط و شرایط استفاده مشخص شود. اگر کاربرد شما خودرو، موتورسیکلت، UPS یا تجهیزات صنعتی است، استفاده از یک شارژر استاندارد و متناسب با نوع باتری معمولا امن تر از یک مدار ساده و آزمایش نشده است. همچنین، طراحی و مونتاژ بخشی از مدار که به برق 220 ولت متصل است باید حتما به فرد متخصص سپرده شود، چون خطا در ایزولاسیون، سیم کشی یا فیوز گذاری می تواند خطر برق گرفتگی و آتش سوزی ایجاد کند.
تحلیل و تشریح مدار شارژر باتری
برای تحلیل مدار شارژر باتری، بهتر است مسیر انرژی را مرحله به مرحله دنبال کنیم. در یک شارژر باتری ترانسی، برق متناوب 220 ولت ابتدا از فیوز و تجهیزات حفاظتی عبور می کند و سپس ترانس، ولتاژ را کاهش می دهد و بین ورودی و خروجی ایزولاسیون ایجاد می کند. پل دیود، برق متناوب (AC) خروجی ترانس را به برق مستقیم (DC) تبدیل می کند. سپس خازن صافی، نوسان های جریان را کاهش داده تا خروجی یکنواخت تری ایجاد شود. در مرحله بعد، بخش تنظیم ولتاژ و جریان، برق مناسب را برای شارژ ایمن باتری فراهم می کند.
در شارژر باتری سوئیچینگ یا هوشمند، تبدیل برق با فرکانس بالا انجام می شود. به همین دلیل، این شارژر ها معمولا سبک تر، کوچک تر و کم مصرف تر هستند، البته مدار پیچیده تری دارند و به کنترل دقیق، فیلتر مناسب و عایق بندی استاندارد نیاز دارند. در این نوع شارژرهای هوشمند، بخش کنترل به طور مداوم ولتاژ باتری را اندازه گیری می کند. هنگامی که ولتاژ به مقدار تعیین شده برسد، دستگاه جریان شارژ را کاهش می دهد یا وارد حالت نگهداری می شود. در طراحی شارژر باتری ماشین مناسب، باید علاوه بر ولتاژ، میزان جریان، دمای باتری و مدت زمان شارژ نیز به دقت کنترل شود.
مدار شارژ باتری با کنترل خودکار
مدار شارژر باتری 12 ولت اتوماتیک، یکی از مدارهای ساده و کاربردی در الکترونیک است که با چند قطعه ارزان می توان یک شارژر مطمئن، ایمن و تا حدی هوشمند برای باتری های قابل شارژ ساخت. این مدار ساده و هوشمند برای شارژ باتری های سرب اسیدی 12 ولت در خودرو ها بسیار مناسب است و با استفاده از SCR (یکسو کننده اصلی برای تبدیل جریان AC به DC) و یک ترانزیستور (برای کنترل روشن و خاموش)، می تواند به طور خودکار جریان شارژ را پس از پر شدن باتری قطع کند. این ویژگی، باعث افزایش طول عمر باتری و جلوگیری از شارژ بیش ازحد می شود که یکی از دغدغه های اصلی کاربران باتری های قابل شارژ است. تحلیل عملکرد مدار شارژ باتری با کنترل خودکار به شرح زیر می باشد:
مرحله اول: کاهش ولتاژ ورودی
برق 230 ولت AC از طریق یک کلید (SPDT) به ورودی ترانسفورماتور T1 وصل می شود. این ترانس وظیفه دارد ولتاژ بالای 230 ولت را به حدود 20 ولت AC کاهش دهد. خروجی (سیم پیچ ثانویه) این ترانس هم به SCR و هم به بخش کنترل مدار متصل می شود.
مرحله دوم: یکسو سازی جریان
SCR مدل TYN612 که در این مدار نقش اصلی را دارد و برق متناوب (AC) را به برق مستقیم (DC) تبدیل می کند. پایه آنُد این SCR به خروجی ترانسفورماتور متصل شده و پایه کاتُد آن به بار (باتری) متصل می شود.
مرحله سوم: کنترل تحریک SCR
برای فعال سازی SCR، باید ولتاژ به پایه گیت آن برسد. کنترل این ولتاژ بر عهده ترانزیستور BC547 است. وقتی باتری خالی است، به پایه بیس ترانزیستور ولتاژی نمی رسد، پس ترانزیستور در حالت قطع باقی می ماند. در نتیجه، ولتاژ به راحتی به گیت SCR می رسد و با رسیدن این ولتاژ، SCR فعال می شود و اجازه می دهد جریان از آن عبور کند و شارژ باتری شروع شود.
مرحله چهارم: قطع خودکار شارژ
با بالا رفتن ولتاژ باتری، جریان از مسیر مقاومت های R3، R7 و R4 عبور می کند و باعث می شود ترانزیستور BC547 روشن (هادی) شود. با روشن شدن ترانزیستور، پایه گیت SCR به زمین وصل می شود. در نتیجه SCR دیگر سیگنال لازم برای روشن ماندن را ندارد و خاموش می گردد و به این ترتیب جریان شارژ باتری قطع می‌شود.
نقش سایر قطعات:
- مقاومت R1 جلوی جریان گیت را می گیرد تا از حد مجاز بیشتر نشود.
- دیودهای D1، D2 و D4 از مدار در برابر جریان معکوس محافظت می کنند.
- دیود زنر D3 (مدل 1N1615) ولتاژ را ثابت نگه می دارد و مشخص می کند که ترانزیستور دقیقا در چه ولتاژی قطع شود.
- مقاومت های R3، R4 و R7 با هم حساسیت مدار را تنظیم می کنند، با تغییر مقدار R7 می توان نقطه ای که مدار در آن عمل می کند را تغییر داد.
- فیوز F1 برای محافظت است و اگر جریان از حد مجاز بیشتر شود، مدار را قطع می کند.
به طور کلی، این مدار شارژر اتوماتیک باطری 12 ولت هوشمندانه عمل می کند، فقط زمانی باتری را شارژ می کند که واقعا نیاز داشته باشد و به محض پر شدن باتری، جریان شارژ را قطع می کند. این ویژگی هم ایمنی را بالا می برد، هم در مصرف انرژی صرفه جویی می شود و هم عمر باتری را افزایش می دهد. کاربرد این مدار ساده و هوشمند شارژر باتری برای باتری های اضطراری سیستم‌های امنیتی یا UPS، برای استفاده در شارژر های قابل حمل یا رومیزی و در مدار های صنعتی با جریان پایین که نیاز به شارژ ایمن دارند، بسیار مناسب است.
نکات مهم در انتخاب یا ساخت شارژر باتری موتورسیکلت
باتری موتورسیکلت معمولاً از نوع سرب اسیدی با ولتاژ 6 یا 12 ولت است. به همین دلیل، شارژر آن باید کاملا متناسب با ظرفیت باتری موتورسیکلت طراحی شود، چون جریان شارژ نامناسب می تواند عمر باتری را کاهش دهد. از نکات مهمی که در انتخاب یا ساخت شارژر باتری موتور سیکلت باید به آن توجه کرد شامل:
- ولتاژ شارژ باید دقیقا با ولتاژ اسمی باتری (6 یا 12 ولت) و نوع آن (سرب اسیدی معمولی، ژله ای یا AGM) هماهنگ باشد.
- جریان شارژ باید کم و محدود باشد تا از داغ شدن و آسیب سلول های کوچک باتری جلوگیری شود.
- وجود مدار قطع خودکار یا شارژ نگهدارنده (Trickle) بسیار مهم است، چون موتورسیکلت ها اغلب مدت طولانی پارک می مانند و باتری باید بدون آسیب شارژ نگه داشته شود.
- حفاظت اتصال معکوس ضروری است، چون در فضای کوچک زیر صندلی موتور، اشتباه در اتصال قطب ها بیشتر اتفاق می افتد.
- اندازه فیزیکی شارژر باید کوچک و قابل حمل باشد تا امکان استفاده در سفر هم وجود داشته باشد.
با رعایت این نکات، باتری موتورسیکلت شما هم عمر بیشتری می کند و هم همیشه برای استارت زدن آماده می ماند.
مقایسه مدار شارژر باتری ساده و اتوماتیک (هوشمند)
| ویژگی ها | مدار شارژر باتری ساده | مدار شارژر باتری اتوماتیک (هوشمند) |
| نحوه عملکرد | باتری را بدون کنترل پیشرفته مراحل، شارژ میکند. | وضعیت باتری را بررسی و روند شارژ را متناسب با آن تنظیم میکند. |
| کنترل ولتاژ و جریان | بسته به طراحی، کنترل محدودی بر ولتاژ و جریان دارد. | ولتاژ و جریان را متناسب با مرحله شارژ و تنظیمات باتری کنترل میکند. |
| مراحل شارژ | معمولاً فاقد مراحل شارژ مدیریت شده است. | در مدل های پیشرفته، شارژ در چند مرحله انجام می‌شود. |
| پس از پر شدن باتری | معمولاً نیاز به بررسی و قطع دستی دارد. | بسته به طراحی، شارژ را قطع میکند یا وارد حالت نگهداری مناسب باتری می‌شود. |
| نیاز به نظارت کاربر | نیاز به نظارت بیشتر بر زمان شارژ و وضعیت باتری دارد. | نیاز به نظارت کمتر، بیشتر مراحل شارژ خودکار است. |
| احتمال شارژ بیش ازحد | با کنترل نا مناسب یا قطع دیر هنگام شارژ، بیشتر است. | با انتخاب تنظیمات صحیح و سازگاری با باتری، کمتر است. |
| مدارهای حفاظتی | ممکن است برخی حفاظت‌ها را نداشته باشد. | بسته به مدل، می تواند حفاظت اتصال کوتاه، اتصال معکوس و افزایش دما داشته باشد. |
| پیچیدگی ساخت و تعمیر | معمولا ساده تر است. | به دلیل وجود بخش های کنترلی، معمولا پیچیده تر است. |
| کاربرد رایج | مدارهای آموزشی و کاربرد هایی با نظارت مستقیم کاربر | شارژ روزمره و کاربرد هایی که به کنترل خودکار نیاز دارند |
یک مدار شارژر باتری ساده می تواند برای پروژه های آموزشی مناسب باشد، اما برای باتری های گران قیمت یا استفاده بدون نظارت، انتخاب مطمئنی نخواهد بود. مدار شارژر باتری اتوماتیک زمانی قابل اعتماد است که آستانه وصل و قطع، محدود کننده جریان، جبران دمایی و حفاظت ها به درستی طراحی و کالیبره شده باشند. شارژر باتری هوشمند معمولا فرایند شارژ را در چند مرحله انجام می دهد و می تواند خطاهایی مثل اتصال معکوس، باتری معیوب و افزایش دما را بهتر تشخیص دهد.
مدار ساده شارژر باتری 12 ولت با قطع خودکار
در مدار شارژر باتری 12 ولت با قابلیت قطع خودکار، ابتدا ترانس TR1 ولتاژ 220 ولت برق شهر را به 12 ولت AC کاهش می دهد. سپس پل دیود BR1 این ولتاژ متناوب را یکسو می کند و در نهایت خازن صافی C1 آن را به یک ولتاژ DC نسبتا صاف تبدیل می کند. همین ولتاژ DC است که قابلیت شارژ باتری را دارد.
رله مدار (RL1) در حالت عادی، یعنی وقتی باتری خالی است یا هنوز کامل شارژ نشده، به مدار متصل است. به همین دلیل ولتاژ DC از طریق رله و دیود D2 به باتری می رسد و آن را شارژ می کند. دیود D2 هم وظیفه دارد نگذارد ولتاژ باتری به سمت مدار برگردد. در تمام مدتی که باتری در حال شارژ شدن است، یک LED قرمز (LED2) روشن می ماند تا نشان دهد شارژ در حال انجام شدن است.
مقاومت R1 و پتانسیومتر RV1 وظیفه تنظیم ولتاژ قطع شارژر را بر عهده دارند. این دو قطعه با هم یک تقسیم کننده ولتاژ می سازند، یعنی وقتی ولتاژ دو سر آن ها به مقدار مشخصی برسد، ترانزیستور Q1 فعال می شود. با فعال شدن ترانزیستور، رله قطع شده و در نتیجه مدار شارژر از باتری جدا می شود. در همین لحظه، یک LED سبز (LED1) روشن می شود تا نشان دهد باتری کاملاً شارژ شده است.
پس از ساخت مدار، باید پتانسیومتر RV1 را تنظیم کنیم. با این تنظیم، وقتی ولتاژ دو سر باتری به 13.8 ولت برسد (که نشانه شارژ کامل باتری 12 ولت است)، مدار شارژ را قطع می کند. توجه داشته باشید که تنظیم این پتانسیومتر بعد از ساخت مدار خیلی مهم است و حتما باید انجام شود، در غیر این صورت شارژر درست کار نخواهد کرد.
برای تنظیم پتانسیومتر RV1، یعنی همان تنظیم ولتاژی که با رسیدن به آن شارژر قطع می شود، کافی است مراحل زیر را انجام دهید:
- به جای باتری، یک منبع تغذیه متغیر به مدار وصل کنید.
- ولتاژ منبع تغذیه متغیر را روی 13.8 ولت تنظیم کنید.
- پتانسیومتر را کم کم بچرخانید تا LED قرمز خاموش شود و LED سبز روشن شود.
به طور کلی، مدار شما تنظیم شده و با رسیدن ولتاژ باتری به 13.8 ولت که به معنای شارژ شدن کامل باتری است، شارژر قطع می شود.
نکته قابل توجه، به جای منبع تغذیه متغیر، می توانید یک باتری 12 ولت که کاملا شارژ است را به محل باتری در مدار وصل کنید و پتانسیومتر را تغییر دهید تا LED قرمز خاموش و LED سبز روشن شود. به این ترتیب هم، مدار شارژر شما تنظیم می شود.
کاربرد مدار شارژر باتری در محیط های صنعتی
همان اصولی که در طراحی مدار شارژر باتری گفته شد، یعنی محدود کردن جریان، تنظیم دقیق ولتاژ، هیسترزیس و حفاظت های لازم در شارژر باتری صنعتی هم رعایت می شود، فقط با این تفاوت که توان و جریان خروجی مدار خیلی بیشتر است. شارژر باتری صنعتی برای باتری های با ظرفیت بالا که در لیفتراک، ژنراتور، تجهیزات مخابراتی و ماشین آلات کارخانه به کار می روند، طراحی می شود. این نوع شارژر، علاوه بر دقت در تنظیم ولتاژ و جریان، باید توانایی کار مداوم و مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی (گرد و‌غبار، رطوبت و دمای بالا) را هم داشته باشد.
به همین دلیل، در مدار شارژر باتری صنعتی به جای رگولاتور خطی ساده، معمولا از مبدل های سوئیچینگ با راندمان بالا استفاده می شود تا در توان های بزرگ، انرژی کمتری هدر برود و گرمای کمتری تولید شود. با این حال، منطق کلی مدار دقیقا همان اصولی است که در مدار های کوچک تر شارژر باتری های شارژی دیدیم: اندازه گیری ولتاژ باتری، تصمیم برای قطع یا ادامه شارژ و جلوگیری از قطع و وصل مکرر با کمک هیسترزیس، تنها تفاوت آن در شارژر باتری های صنعتی، فقط در مقیاس و توان بسیار بزرگ تر پیاده سازی می شود.
مدار شارژر هوشمند باتری 12 ولت
در این مقاله از سایت راد الکتریک، مدار یک شارژر هوشمند (یا اتوماتیک) برای باتری های 12 ولت آورده شده است. به این نوع شارژر ها، شارژر سه مرحله ای هم گفته می شود که ایمن ترین و مناسب ترین نوع شارژر برای باتری ها محسوب می شود. در این شارژرها، باتری طی سه مرحله شارژ می گردد که عبارت اند از:
- مرحله شارژ سریع (جریان ثابت): وقتی باتری خیلی خالی است، مدار با بیشترین جریان مجاز شارژ می کند تا ولتاژ باتری به حد مشخصی برسد.
- مرحله شارژ با ولتاژ ثابت: از این نقطه به بعد، ولتاژ ثابت نگه داشته می شود و جریان به تدریج کاهش پیدا می کند تا باتری کاملا پر شود.
- مرحله نگهداری (Trickle/Float): پس از پر شدن، مدار جریان بسیار کمی می فرستد تا افت طبیعی شارژ باتری را جبران کند و باتری همیشه آماده باشد، بدون اینکه شارژ اضافه بخورد.
در تمام این مراحل، پردازشگر پیوسته وضعیت باتری را می سنجد. اگر باتری معیوب باشد (مثلا ولتاژش خیلی سریع بالا برود یا اصلا افزایش پیدا نکند)، مدار شارژ را متوقف کرده و خطا اعلام می کند. همچنین با توجه به دمای باتری، ولتاژ شارژ را کمی بالا یا پایین می برد تا از آسیب حرارتی جلوگیری شود. به همین دلیل، شارژر هوشمند نسبت به شارژر ترانسی بسیار دقیق تر عمل می کند و همین امر باعث افزایش عمر باتری می گردد.
روش ساخت شارژر باتری ماشین با ترانس
در مدار ساخت شارژر باتری ماشین، ابتدا یک ترانس کاهنده و ایزوله کننده، برق شهر را به ولتاژ AC پایین تر تبدیل کرده و سپس پل دیود، خازن و مدار کنترل، این ولتاژ را به DC مناسب برای شارژ باتری تبدیل می کند. در یک طراحی حرفه ای، حتما باید فیوز مناسب هم در ورودی و هم در خروجی، حفاظت حرارتی برای ترانس، محدود کننده جریان هجومی (جریان لحظه اول روشن شدن)، سیم با سطح مقطع کافی، هیت سینک و محفظه ای عایق در نظر گرفته شود. اتصال زمین حفاظتی برای بدنه فلزی هم ضروری است.
برای ساخت شارژر باتری خودرو، نمی توان فقط به عدد ولتاژی که روی ترانس نوشته شده اکتفا کرد، چون ولتاژ DC بعد از یکسو سازی، افت ولتاژ دیودها و رفتار خروجی زیر بار، همه با آن عدد اولیه فرق می کنند. طراح باید توان ترانس (برحسب VA)، جریان مؤثر سیم پیچ ثانویه، ظرفیت خازن، میزان ریپل، تلفات نیمه هادی ها و گرمای داخل محفظه را محاسبه کند. ساخت و تست بخشی از مدار که به برق 220 ولت وصل است، باید توسط فرد متخصص و با استفاده از ترانس ایزوله، ابزار اندازه گیری مناسب و تجهیزات حفاظت فردی انجام شود. اگر هدف فقط شارژ مطمئن باتری خودرو است، خرید یک دستگاه استاندارد معمولا کم خطرتر و مقرون به صرفه تر از ساخت شارژر باتری اتومبیل است.
مدار هشدار دهنده شارژ کامل باتری
این مدار مثل یک واسط بین شارژر و باتری قرار می گیرد و وقتی شارژ باتری کامل شود، به ما اطلاع می دهد. مدار هشدار دهنده شارژ کامل باتری را می توان برای باتری ماشین، موتورسیکلت ( 6 و 12 ولت) که معمولا سربی اسیدی هستند، استفاده کرد. در این مدار 2 عدد LED برای نشان دادن وضعیت شارژ باتری LED1 (به رنگ سبز) و LED2 (به رنگ قرمز) تعبیه شده است. زمانی که باتری در حال شارژ شدن است LED1 سبز روشن می شود و زمانی که شارژ باتری کامل شد این LED خاموش می گردد. بنابراین زمانی که LED1 خاموش بود، یعنی شارژ باتری کامل است.
LED2 (به رنگ قرمز) وقتی پلاریته (مثبت و منفی) باتری برعکس وصل شود، LED2 روشن می شود. اگر این LED روشن شد، برای جلوگیری از آسیب به باتری، سریعا پلاریته را درست کنید.
مدت زمان شارژ باتری به جریان خروجی شارژر بستگی دارد و این مدار تاثیری بر جریان شارژر ندارد. هر چه جریان خروجی شارژر بیشتر باشد، باتری سریع تر پر می شود، اما اگر این جریان خیلی زیاد باشد، باتری داغ می کند و به آن آسیب می رساند. به همین دلیل، جریان شارژ باتری را معمولا کمتر از 10٪ ظرفیت خود باتری در نظر می گیرند.
مدار شارژر اتوماتیک باتری ماشین چه ویژگی هایی باید داشته باشد؟
یک مدار مناسب برای شارژر اتوماتیک باتری ماشین باید بیشتر از یک رله ساده برای قطع کردن داشته باشد. مداری که درست طراحی شده باشد، جریان اولیه را محدود می کند تا به باتری فشار ناگهانی وارد نشود، ولتاژ باتری را دقیق می سنجد، در پایان شارژ جریان را کاهش می دهد و با استفاده از هیسترزیس از قطع و وصل سریع و پیاپی جلوگیری می کند. حفاظت اتصال معکوس هم باید طوری طراحی شود که قبل از فعال شدن خروجی عمل کند، نه بعد از آن. علاوه بر این، فیوز خروجی باید متناسب با حداکثر جریان مدار و ظرفیت کابل انتخاب شود.
در طراحی و ساخت شارژر باتری ماشین بهتر است موارد زیر در نظر گرفته شوند:
- انتخاب پروفایل مخصوص باتری سرب اسیدی، سیلد، AGM یا ژله ای و و شارژر باید متناسب با همان نوع تنظیم شود.
- تنظیم جریان شارژ متناسب با ظرفیت باتری.
- در پایان شارژ، مدار باید یا شارژ را قطع کند یا وارد حالت نگهداری شود.
- هیسترزیس باید طوری تنظیم شود که رله مدام قطع و وصل نشود.
- تشخیص اتصال اشتباه قطب های مثبت و منفی
- در برابر اتصال کوتاه، جریان بیش از حد و داغ شدن باید محافظت داشته باشد.
- نمایش وضعیت شارژ، خطاها و پایان فرایند شارژ
- کابل و گیره ها باید متناسب با جریان واقعی مدار انتخاب شوند.
- کالیبراسیون آستانه ها با ابزار اندازه گیری دقیق، نه فقط با یک ولت متر پنلی ارزان قیمت
آموزش ساخت مدار شارژر باتری UPS
برای ساخت مدار شارژر باتری UPS ابتدا باید نوع باتری، ولتاژ نامی، ظرفیت برحسب آمپر ساعت و روش استفاده از آن را مشخص کنید. بیشتر UPS های کوچک از باتری سرب اسیدی سیلد 12 ولت مانند AGM یا ژله ای استفاده می کنند. این باتری ها در بیشتر مواقع به شارژر متصل می مانند، بنابراین مدار باید علاوه بر بازیابی انرژی مصرف شده، باتری را در حالت آماده به کار یا Float نگه دارد. استفاده از یک ولتاژ ثابت و کنترل نشده می تواند باعث شارژ ناقص، افزایش دما یا کاهش عمر باتری شود.
هنگام قطع برق شهر، مدار کنترل UPS، باتری را به سیستم متصل می کند تا برق تجهیزات قطع نشود. در این حالت، اینورتر، برق مستقیم باتری را به برق متناوب مورد نیاز دستگاه ها تبدیل می کند. با وصل شدن دوباره برق، UPS تجهیزات را به برق شهر متصل کرده و شارژر، انرژی مصرف شده باتری را جبران می کند. هماهنگی میان باتری، شارژر، اینورتر و مدار انتقال خودکار، باعث عملکرد پایدار و بدون وقفه UPS می شود.
اجزای اصلی مدار شارژر باتری UPS
یک مدار شارژر باتری UPS استاندارد را می‌توان به چند بخش اصلی تقسیم کرد:
- منبع تغذیه ایزوله: کاهش و تبدیل برق ورودی به ولتاژ DC
- مدار یکسوساز و صافی: تبدیل برق AC به DC و کاهش نوسان خروجی
- تنظیم کننده ولتاژ: ثابت نگه داشتن ولتاژ شارژ
- محدود کننده جریان: جلوگیری از ورود جریان بیش از حد به باتری
- مدار کنترل خودکار: کاهش جریان یا ورود به حالت نگهداری
- حفاظت اتصال معکوس: جلوگیری از آسیب در صورت جا به جایی قطب ها
- فیوز: حفاظت سیم ها، باتری و مدار در برابر اضافه جریان
- مدار انتقال UPS: اتصال خودکار بار به باتری هنگام قطع برق
برای ساخت ایمن تر، بهتر است به جای طراحی مستقیم بخش متصل به برق 220 ولت، از یک آداپتور ایزوله و استاندارد با ولتاژ و توان مناسب استفاده کنید. طراحی ترانس، یکسوساز، فاصله های عایقی و بخش برق شهر به دانش تخصصی نیاز دارد و خطا در آن می تواند خطر برق گرفتگی یا آتش سوزی ایجاد کند.
مدار شارژر باتری خشک چیست؟
اصطلاح باتری خشک در بازار اغلب برای باتری سرب اسیدی سیلد یا VRLA استفاده می شود. این باتری ها کاملا خشک نیستند، بلکه الکترولیت آن ها در ساختار داخلی مهار شده است و معمولا به افزودن آب نیاز ندارند. باتری های AGM و ژله ای از رایج ترین نمونه های این گروه هستند و استفاده از آن در UPS، سیستم اعلام حریق، تجهیزات امنیتی، روشنایی اضطراری، تجهیزات پزشکی و سامانه های مخابراتی کاربرد دارند.
مدار شارژر باتری خشک باید ولتاژ و جریان را با دقت بیشتری کنترل کند، چون این نوع باتری ها در برابر اضافه ولتاژ و افزایش دما حساس ترند. اگر شارژر جریان زیادی به باتری بدهد یا ولتاژ را برای مدت طولانی بالا نگه دارد، باتری ممکن است داغ شود، متورم گردد یا ظرفیتش را از دست بدهد. به همین دلیل، حد‌های شارژ باید بر اساس دیتاشیت سازنده، نوع باتری (AGM یا Gel)، دمای محیط و نحوه استفاده از باتری تنظیم شوند.
تفاوت مدار شارژر باتری UPS و باتری خشک چیست؟
باتری خشک نوعی باتری سرب اسیدی سیلد است، اما UPS یک دستگاه تأمین برق اضطراری محسوب می‌شود. بسیاری از UPS ها از باتری های خشک سیلد استفاده می کنند، بنابراین این دو عبارت تا حد زیادی به یکدیگر مرتبط اند، اما معنی یکسانی ندارند. مدار شارژر باتری خشک بر شارژ صحیح باتری تمرکز دارد، در حالی که مدار UPS علاوه بر شارژر، بخش اینورتر، کنترل، انتقال خودکار و حفاظت خروجی را نیز شامل می شود.
سخن پایانی
در این مقاله به طور کامل بررسی کردیم که مدار شارژر باتری چیست و چه اجزا و اصولی در طراحی آن نقش دارند. از مدارهای ساده گرفته تا مدار شارژ باتری با کنترل خودکار و مدار شارژ سریع باتری با قطع کن خودکار، هر کدام برای نیاز خاصی طراحی می شوند و انتخاب درست بین آن ها به نوع باتری، کاربرد و شرایط استفاده بستگی دارد.
اگر قصد دارید طریقه ساخت شارژر باتری ماشین را یاد بگیرید، قبل از هر چیزی باید محاسبات باتری و شارژر را دقیق انجام دهید، یعنی ظرفیت باتری، جریان مجاز شارژ و ولتاژ پایان شارژ را متناسب با نوع باتری تعیین کنید. همین اصول در طراحی شارژر باتری خودرو، شارژر باتری موتورسیکلت و حتی شارژر باتری صنعتی نیز صدق می کند، با این تفاوت که هر کدام مقیاس، توان و سطح حفاظت متفاوتی نیاز دارند. باتری های کوچک موتور سیکلت به جریان محدود و کنترل دقیق نیاز دارند، در حالی که شارژر باتری صنعتی باید توان بالا، کار مداوم و مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی را تأمین کند.
برای کسانی که به دنبال راه حل سریع تر و بدون نیاز به ساخت مدار هستند، بررسی قیمت جامپ استارتر هم می تواند گزینه خوبی باشد، به خصوص برای استارت اضطراری خودرو در شرایطی که باتری کاملا خالی شده است.
در نهایت، چه بخواهید یک مدار ساده بسازید و چه به دنبال محصولی آماده و استاندارد باشید، رعایت اصول ایمنی و انتخاب قطعات مناسب اهمیت زیادی دارد. کارشناسان فنی راد الکتریک با ارائه محصولات و راهنمایی های تخصصی در زمینه انواع شارژر باتری با برند های گلداستار (Goldstar) کره و گرین دات (green Dot) هند، کنار شما هستند تا بهترین انتخاب را متناسب با نیازتان داشته باشید.
