Prostowniki - jak to działa.

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 gorszy - 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. 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 - i prostowniki tyrystorowe - w których elementem prostującym są diody sterowane, znane bardziej jako tyrystory.

2. Prostowniki standardowe

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 za 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 w tedy gdy akumulator jest bardzo głęboko rozładowany ale nie uszkodzony (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 jest 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.

Prostowniki ze sterownikiem mikroprocesorowym stanowią najnowszą i najnowocześniejszą linię prostowników przeznaczonych dla użytkowników o najwyższych wymaganiach. Prostowniki z tej grupy służą do szybkiego i bezpiecznego ładowania akumulatorów ołowiowych, zarówno standardowych, jak i bezobsługowych, (wapniowe - Ca; silver - Ag; AGM; VRLA). Dzięki zastosowaniu sterownika mikroprocesorowego wraz z oryginalnym programem ładowania akumulatora uzyskano szereg właściwości eksploatacyjnych dotychczas zupełnie nieosiągalnych w prostownikach standardowych, m. in.:

Uwaga: parametry podano dla akumulatorów 12 V, dla akumulatorów 24 V - należy je pomnożyć przez 2.

1.- możliwość bezpiecznego ładowania akumulatora bez konieczności jego odłączania od instalacji elektrycznej samochodu, dzięki następującym rozwiązaniom:

- po wykryciu akumulatora prostownik włącza ładowanie z opóźnieniem 3 sekund,

- stabilizacji napięcia ładowania na wartości albo 15.8 albo 14.5 V - wybierane przełącznikiem,

- odłączenie prostownika może nastąpić przy zgaszonej diodzie "Ładowanie" lub tradycyjnie poprzez odłączenie prostownika od sieci 230 V, w obu przypadkach nie występują przepięcia, najbardziej groźne zjawisko dla instalacji elektrycznej samochodu,

2. możliwość ładowania wszystkich typów akumulatorów, rodzaj akumulatora wybiera się przełącznikiem "Ca/Gel" (dotyczy prostowników z serii MTM)

- poz. Ca - akumulatory wapniowe Ca, otwarte ( z koreczkami ), standardowe,

- poz. Gel - akumulatory żelowe Gel, AGM, VRLA, zamknięte ( bez koreczków ), bezobsługowe, tryb pracy buforowej.

Ten sam przełącznik służy jednocześnie do przełączania trybu pracy ładowanie szybkie ( "Cyclic" ) i ładowanie podtrzymujące ( "Standby" ).

3. - stabilizację napięcia ładowania:

poz. Ca - 15.8 V, tylko ta wartość zabezpiecza akumulatory przed zjawiskiem zasiarczenia cel,

poz. Gel - 14.5 V, zabezpiecza akumulatory żelowe przed utratą pojemności ( zamianą elektrolitu w wodę ),

ponadto cecha ta pozwala na ładowanie akumulatorów o mniejszej pojemności prostownikiem przeznaczonym nominalnie dla akumulatorów o większej pojemności, poprzez automatyczne ograniczenie aktualnej wartości prądu ładowania z chwilą wykrycia faktu osiągnięcia napięcia stabilizacji, oraz uniezależnia parametry ładowania od zmian wartości napięcia sieci energetycznej 230 V,

4.- stabilizację prądu ładowania: sterownik ogranicza prąd ładowania do wartości ustawionej fabrycznie, zgodnie z deklarowanymi parametrami prostownika, co pozwala na bezpieczne ładowanie akumulatorów o pojemności większej od optymalnej dla danego typu prostownika, przy czym należy liczyć się jedynie z wydłużeniem czasu ładowania,

5. - jednokrotną fazę gazowania akumulatora w celu wymieszania się elektrolitu, co powoduje znaczne przedłużenie żywotności akumulatora poprzez wyeliminowanie zjawiska parowania wody destylowanej ( w poz. Gel. - gazowanie wyeliminowano całkowicie ), przy czym fakt wykonania fazy gazowania jest pamiętany ( do chwili odłączenia krokodylków ) i przy pracy buforowej nie jest powtarzany,

6. - soft-start prądu ładowania, czyli stopniowe narastanie prądu ładowania, co przy bardzo rozładowanych akumulatorach zabezpiecza przed wypadaniem warstwy czynnej pasty ołowiowej z kratek,

7. - automatyczne odsiarczanie akumulatora, zastosowany sposób ładowania - ładowanie pulsacyjne - powoduje automatyczne odsiarczanie płytek ogniw, zwłaszcza w zakresie niskich ( od 3 do 10.5 V ) napięć akumulatora,

8.- automatyczne odłączanie ładowania po wykryciu rzeczywistego stanu końca ładowania, czyli wówczas, kiedy napięcie na akumulatorze w ostatniej sekundzie przerwy w ładowaniu wynosi co najmniej 13.8 V,

9.- ponowne włączenie ładowania, po wykryciu spadku napięcia na ładowanym akumulatorze do wartości 13.6 V,

10.- automatyczną regulację prądu ładowania podczas stabilizacji napięcia akumulatora, sterownik zmniejsza prąd ładowania tak, aby nie przekroczyć stabilizowanej wartości napięcia, 15.8 V ( "Ca") albo 14.5 V ( "Gel"),

11.- zabezpieczenie termiczne 3-progowe 2 - punktowe: tyrystory i transformator sieciowy,

12.- wymuszone chłodzenie prostownika poprzez zastosowanie wentylatora, co pozwala na zwiększenie maksymalnej wartości prądu ładowania a tym samym skrócenie czasu ładowania akumulatora, (nie dotyczy prostownika MTM 12-8)

13.- odporność na zwarcia krokodylków i zamianę polaryzacji - prostownik "nie iskrzy" przy zwieraniu krokodylków,

14.- realizację pracy buforowej - nie trzeba odłączać prostownika od akumulatora bezpośrednio po zakończeniu ładowania ( prostownik podłączony do akumulatora stale mierzy napięcie na jego zaciskach i automatycznie wyłącza a po stwierdzeniu spadku napięcia ponownie włącza proces ładowania ),

15.- prostotę obsługi oraz czytelną sygnalizację stanu pracy prostownika - misją firmy SEMI ELEKTRONIK jest maksymalne zautomatyzowanie procesu ładowania akumulatorów. Uważamy, na podstawie wieloletnich doświadczeń, zarówno własnych i naszych klientów, jak i sprzedawców i producentów akumulatorów, że ingerencja użytkownika w proces ładowania akumulatorów jest, w większości przypadków, szkodliwa dla trwałości nowoczesnych akumulatorów, zwłaszcza wapniowych i żelowych. Z tego względu z zasady nie produkujemy prostowników wyposażonych w jakiekolwiek potencjometry i przełączniki.

Opracował mgr inż. Andrzej Pietrzak
"SEMI Elektronik". Wrocław, 14.11.2008