Nieco teorii

1. Ogólne zasady ładowania akumulatorów

Ładowanie akumulatorów polega na dostarczeniu do akumulatora odpowiedniej ilości ładunku elektrycznego w postaci wyprostowanego prądu elektrycznego (“prądu stałego”). Odbywa się to za pomocą procesu nazywanego ładowaniem akumulatora. Poglądowo proces ten przedstawiono na rys. 1.

Pokazano dwie sinusoidy – jedną J ład. ilustrującą przebieg prądu ładowania i drugą U tętn. obrazującą aktualne napięcie na zaciskach akumulatora oraz prostą U akumulatora.

Prąd do akumulatora płynie wówczas, kiedy napięcie chwilowe sinusoidy napięcia wyjściowego transformatora przekracza aktualne napięcie U akumulatora panujące na zaciskach ładowanego akumulatora. Gdybyśmy podłączyli oscyloskop do zacisków rezystora włączonego w szereg w obwód ładowania zobaczymy przebieg opisany sinusoidą J ład. Amplituda tej sinusoidy, czyli maksymalny prąd ładowania zależy od stopnia rozładowania akumulatora oraz mocy i napięcia transformatora prostownika.

Pole powierzchni między U akum. a sinusoidą J ład. obrazuje wartość prądu ładowania. W procesie ładowania prosta U akum., czyli napięcie na zaciskach akumulatora przesuwa się ku górze (“rośnie”) zmniejszając to pole, czyli zmniejsza się automatycznie prąd ładowania akumulatora.

Kiedy podłączymy oscyloskop do zacisków akumulatora ujrzymy przebieg opisany obwiednią U tętn. (tętnień). Są to wahania aktualnej wartości napięcia na zaciskach akumulatora. Amplituda przebiegu napięcia U tętn. powinna być jak najniższa a teoretycznie nie powinno być jej wcale. Im jest ona wyższa, tym akumulator jest gorszej jakości lub bardziej wyeksploatowany – ma większą tzw. oporność wewnętrzną, a tym samym gorsze zdolności rozruchowe – zbyt dużo energii pochłania na własne potrzeby i zbyt mało oddaje do przyłączonego odbiornika (niektóre testery akumulatorów wykorzystują w swoich pomiarach to zjawisko).

Do ładowania akumulatorów służą urządzenia zwane prostownikami (lub niekiedy ładowarkami). Pod względem zastosowanych elementów elektrycznych służących do zamiany prądu zmiennego na prąd wyprostowany, dzielą się one na prostowniki diodowe – w których elementem prostującym są diody półprzewodnikowe, oraz prostowniki tyrystorowe – w których elementem prostującym są diody sterowane, znane bardziej jako tyrystory.

2. Prostowniki standardowe. (NIE SĄ JUŻ PRODUKOWANE PRZEZ SEMI!!!)

Poniżej podano dla celów poznawczych zasadę działania prostowników, które były produkowane do roku 2010. Schemat i zasada działania była zgłoszona w Urzędzie Patentowym RP W konstrukcji prostowników standardowych, w których nie ma możliwości regulacji prądu ładowania (prąd ładowania maleje wraz ze wzrostem napięcia akumulatora), firma SEMI stosuje dwudiodowy układ prostujący zwany w literaturze przedmiotu pełnookresowym prostownikiem ze wspólnym środkiem. Jego schemat pokazano na rys.2.

Układ stosowany w prostownikach SEMI różni się od układu standardowego użyciem tzw. bezpieczników polimerowych połączonych szeregowo z diodami prostowniczymi. Bezpieczniki polimerowe stanowią nowość technologiczną w elektronice. Są specyficzną odmianą elementów zwanych termistorami PTC, czyli rezystorów, których rezystancja zależy proporcjonalnie od temperatury otoczenia i ich własnej temperatury pracy. W bezpiecznikach polimerowych zależność ta jest szczególnie silna. Ich rezystancja zmienia się skokowo od ułamków oma do kiloomów po przekroczeniu tzw. prądu zadziałania. Po przerwaniu prądu przepływającego przez bezpiecznik rezystancja powraca do wartości ułamków oma. Te właściwości bezpieczników polimerowych wykorzystano w konstrukcji prostowników standardowych SEMI.

W układzie prostowniczym SEMI stosuje się bezpieczniki o różnych wartościach prądu zadziałania. Jeśli połowa prądu ładowania prostownika (wymuszanego przez ładowany akumulator) przekracza prąd zadziałania “słabszego” (o mniejszym prądzie zadziałania) bezpiecznika polimerowego, wówczas bezpiecznik ten zwiększa swoją rezystancję i praktycznie wyłącza układ, w którym pracuje. Dzięki temu rozwiązaniu prostownik ładuje mniejszym prądem, co nie pozwala na przegrzanie transformatora i akumulatora (akumulator jest chroniony przed zbyt dużym prądem ładowania).

W przypadku pokazanym na rys.2 bezpiecznik T2 działa i wyłącza ładowanie poprzez diodę D2. Jeśli aktualny prąd ładowania jest w dalszym ciągu zbyt duży, czyli większy od prądu zadziałania bezpiecznika T1, wówczas T1 zwiększa swoją rezystancję i automatycznie blokuje działanie całego prostownika. W tym przypadku ładowanie jest niemożliwe. Można spróbować rozpoczynać ładowanie kilkakrotnie (po ostygnięciu prostownika), daje to rezultat tylko wtedy, gdy akumulator jest bardzo głęboko rozładowany, ale nieuszkodzony (zwarcie wewnętrzne).

Właściwość całkowitego wyłączenia działania układu prostowniczego zabezpiecza ponadto prostownik przed uszkodzeniami spowodowanymi błędami użytkownika, takimi jak zamiana biegunów przy podłączaniu prostownika do akumulatora lub zwarciem krokodylków, nawet długotrwałym!!! Rozwiązanie to było chronione zgłoszeniem patentowym w Urz. Pat. RP.

Opisane powyżej właściwości bezpieczników polimerowych a w szczególności fakt, że rezystancja bezpiecznika po przekroczeniu prądu zadziałania ma skończoną wartość pozwala na wykorzystanie jeszcze jednej ich cechy. Prostowniki SEMI świetnie ładują akumulatory bardzo rozładowane. W standardowych prostownikach ładowanie takich akumulatorów odbywa się maksymalnym prądem prostownika (do zadziałania bezpieczników) a jest to bardzo szkodliwe dla trwałości ładowanego akumulatora. W prostownikach SEMI ładowanie odbywa się minimalnym prądem ok. 0.1 A. Zastosowanie bezpieczników polimerowych uprościło konstrukcję prostownika i przebieg montażu, a tym samym obniżyło koszty jego wytworzenia i końcową cenę dla potencjalnego nabywcy, zwiększając jednocześnie niezawodność jego działania.

3. Prostowniki mikroprocesorowe

Prostowniki mikroprocesorowe SEMI wykonane są podobnie jak prostowniki diodowe, czyli w oparciu o dwudiodowy układ prostujący zwany w literaturze przedmiotu pełnookresowym prostownikiem ze wspólnym środkiem. W tym przypadku elementami prostującymi są tyrystory. Ze względu na fakt, że tyrystory są elementami sterowalnymi zastosowano sterownik mikroprocesorowy do automatycznego sterowania procesem ładowania akumulatora. Sterownik ten jest oryginalną konstrukcją SEMI włącznie z algorytmem ładowania i jest chroniony zgłoszeniem patentowym w Urz. Pat. RP. Opis charakteryzujący sposób działania prostownika z mikroprocesorem zawarto w zakładce “Opis Mikroprocesora”.