Работа зарядного устройства

Принцип работы беспроводного устройства для зарядки гаджетов

Стандарт беспроводного питания называется Qi. По-русски слово произносится как «Ци». Такое имя стандарт носит в честь термина восточной философии. Он разработан Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии WPC. Эта организация объединяет мировых производителей электроники и ставит перед собой важную задачу — стандартизировать процесс зарядки гаджетов индукционным методом.

В ближайшем будущем все девайсы можно будет заряжать без подключения к сети. Это невероятно удобно. Каждый из нас хотя бы раз сталкивался с ситуацией, когда разряжается смартфон. Приходится в срочном порядке искать выход. В скором времени модули беспроводной зарядки появятся во всех общественных местах, а также дома у каждого юзера. В домашних условиях можно просто расположить модуль в удобном месте, и он никогда не потеряется, в отличие от проводной «зарядки». Достаточно просто поместить на него гаджет и немного подождать, пока пополнится ёмкость аккумулятора.

Принцип работы беспроводной «зарядки» основан на свойствах индукционной катушки передавать электрический ток. В школьном курсе физики нас учили, что при подключении индукционной катушки к источнику питания в ней, перпендикулярно виткам катушки, возникает магнитное поле. Таким образом, если расположить две катушки в радиусе действия магнитного поля и при этом подключить одну из них к источнику питания, то во второй катушке появится напряжение. При этом важно учитывать тот факт, что две индукционные катушки ни в коем случае не должны соприкасаться между собой. Такой простой принцип положен в работу беспроводных зарядных устройств, поддерживающих технологию Qi.

Схема принципа действия беспроводных зарядных устройств

Существует две разновидности стандарта Qi. Первая предполагает зарядку при низкой мощности — 5 ватт, а вторая — при высокой мощности — 120 ватт. Qi высокой мощности сейчас не выпускается производителями в силу объективных факторов. С помощью Qi на 120 ватт можно выполнить зарядку ноутбука. Qi на 5 ватт используют для пополнения ёмкости аккумулятора планшетных компьютеров и телефонов. Следует отметить, что для планшета и смартфона необходима различная сила тока. Беспроводное зарядное устройство для телефона создаёт силу тока в 1 ампер, а для планшетного компьютера — 2 ампера. При выборе аксессуара обязательно обращайте внимание на такие характеристики.

Типы зарядных устройств

Существует три основных типа морских зарядных устройств, которые используются на катерах и яхтах – феррорезонансные, тиристорные и импульсные. Феррорезонансные были самыми распространенными на протяжении последних десятилетий, по-прежнему широко используется, однако с каждым годом их производят все меньше. Импульсные модели ведут свою родословную от источников питания компьютерной техники и в настоящее время являются самыми распространенными

Феррорезонансные модели

Основа феррорезонансных моделей – трансформатор, намотанный так, чтобы понизить известное входное напряжение, например, 230 Вольт до заданного выходного, например, 13, 8 вольт. После этого переменный ток выпрямляют диодами и используют для зарядки аккумуляторов.

Феррорезонансные зарядные устройства простоты и надежны. Но цена и надежность — это одно, а качество и скорость зарядки — другое.

Простота конструкции феррорезонансных моделей является и их главным недостатком. У устройств этого типа нет регулирующих цепей, поэтому единственный способ избежать перезарядки аккумулятора — это намотать трансформатор так, чтобы его выходное напряжение не превышало 14,0 вольт (для 12-вольтовой электрической системы). Как только напряжение аккумулятора повысится до этого уровня, выходной ток зарядного устройства снизится до нескольких миллиампер.

Схема феррорезонансного зарядного устройства
Базовая схема феррорезонансного зарядного устройства. Трансформатор понижает входное напряжение переменного тока, а выпрямительные диоды преобразуют его в постоянное.

Поскольку при росте напряжения аккумулятора, ток во вторичной обмотке трансформатора снижается, то уже при 50% уровне заряда, выходная мощность многих феррорезонансных устройств уменьшается до половины от номинальной. К тому моменту, когда аккумулятор зарядится до 75%, зарядный ток даже мощного устройства снижается до нескольких ампер.

Если катер или яхта используются только по выходным, а затем на неделю остаются подключенными к береговой электрической сети, длительное время зарядки не является критичным. Но если время зарядки ограничено, аккумуляторы не успеют зарядится полностью.

Несмотря на низкую производительность, зарядный ток многих феррорезонансных устройств остается значительным, даже после того как аккумулятор полностью зарядится. Поэтому если батарея постоянно подключена к работающему зарядному устройству, то через некоторое время электролит в ней может закипеть.

Феррорезонансные устройства никогда не следует использовать с гелевыми и AGM аккумуляторами.

Поскольку выходное напряжение и ток в феррорезонансных моделях определяются входным напряжением и частотой, колебания параметров на входе вызывают неконтролируемые скачки напряжения на выходе, которые в свою очередь ведут к недозарядке или перезаряду аккумулятора. Для нормальной работы феррорезонансного устройства частота переменного тока должна выдерживаться с точностью до ± 2 циклов.

КПД феррорезонансного устройства составляет 75-80%, коэффициент мощности в некоторых промышленных моделях доходит до 0,9.

На протяжении десятилетий феррорезонансные зарядные устройства были одним из основных источников преждевременного выхода аккумуляторов из строя. Если такое устройство по-прежнему эксплуатируется, лучше заменить его на современную модель.

Тиристорные устройства

Базовая схема тиристорного зарядного устройства
Базовая схема тиристорного зарядного устройства

В зарядных устройствах этого типа тиристорный регулятор периодически подключает выход силового трансформатора к нагрузке, а цепь регулирования фазы контролирует продолжительность положительного полупериода переменного напряжения и время в течении которого тиристор проводит ток. Чем больше времени тиристор находится во включенном состоянии, тем большая мощность передается нагрузке. Тиристорная цепь в данном случае действует как один из видов широтно-импульсной модуляции.

Программа, загруженная в память микропроцессора в контуре управления, позволяет получать различные значения напряжения и силы тока на выходе устройства. Для контроля за процессом зарядки в схему встраивают таймеры и индикаторы состояния. Устройство перенастраивается на новые значения зарядного тока после загрузки в память микропроцессора измененной программы.

КПД однофазного устройства составляет приблизительно 75%, а коэффициент мощности — 0,7. Из-за работы тиристоров в переключающем режиме, в выходной цепи зарядного устройства могут возникать электромагнитные помехи.

Высокочастотные устройства

Входное переменное напряжение частотой 50/60 Гц, в импульсных устройствах сначала выпрямляется, а затем подается на высокочастотный конвертер, который вновь превращает его в переменное, но уже с частотой 50-100 кГц и выше. Специальный трансформатор понижает напряжение до уровня пригодного для зарядки аккумуляторов, а выходной выпрямитель вновь преобразует напряжение в постоянное.

Мощность устройства контролирует схема широтно-импульсной модуляции. Выходное напряжение поступает на устройство управления, которое сравнивает его с заданным и, изменяя ширину управляющего ключевыми транзисторами импульса, регулирует выходное напряжение и ограничивает ток зарядного устройства. Переключающий режим работы транзисторов обеспечивает значительную эффективность — КПД высокочастотных зарядных достигает 90 и более процентов

Зарядное устройство Sterling Power PCU1240 PCU20
Технические характеристики
Максимальный зарядный ток40 А
Номинальное выходное напряжение12 В
Входное напряжение переменного тока80-270 В, 40-70Гц
Коэффициент мощности0,976
КПД90,4%
Уровень пульсаций14 мВ
Рекомендуемая мощность генератора700 Вт
Зарядка аккумуляторов
Типы аккумуляторовОбслуживаемые и необслуживаемые с жидким электролитом, GEL, AGM, LiFePo4, кальциевый
Собственный зарядный профильДа
Количество программ зарядки11
Режим десульфатацииДа
Ограничение мощности75, 50, 25%
Количество выходов3
Режим источника питанияДа
Управление
Информация на передней панелиВольтметр, амперметр, выходная мощность, статус зарядки, тип аккумулятора, температуры
Дистанционное управлениеПроводной пульт
Датчик температурыДа
Габариты
Размеры, мм260 х 215 х 90
Вес, кг2,0

За счет использования высокочастотных трансформаторов и дросселей вес и габариты импульсных устройств оказываются во много раз меньше, чем у тиристорных или феррорезонансных моделей.  Например, высокочастотный трансформатор мощностью 3 KVA весит менее 1 килограмма и имеет объем около 0,5 дм3. Традиционный трансформатор той же мощности — 23 кг при объеме 15 кубических дециметров.

Высокочастотные устройства превосходят обычные модели не только по размеру и весу. В отличии от феррорезонансных, они нечувствительны к изменению входной частоты и напряжения. Импульсное зарядное одинаково стабильно работает при плавающей частоте плохо управляемого генератора переменного тока или при переходе от американской к европейской электрической сети. Продвинутые модели допускают входную частоту от 45 до 70 Гц и входное напряжение 90 — 270 вольт. Цепь активной коррекции коэффициента мощности в лучших моделях повышает значение PF до 0,98.

Коэффициент мощности зарядного устройства должен быть как можно ближе к 1. Он служит мерой эффективности устройства, особенно при работе с небольшим генератором. Коэффициент мощности 0,7 означает, что для заданного выхода генератора зарядная мощность не превысит 70%. При коэффициенте мощности близком к 1,0 реальная зарядная мощность в равна номинальной.

Выходное напряжение высокочастотных устройств ближе к постоянному, чем у феррорезонансных, которые часто имеют на выходе наложенную пульсацию, разрушительную для гелевых и AGM аккумуляторов. Пульсации выходного напряжения у некоторых высокочастотных моделей не превышают 15 мВ. Однако из-за того, что при быстром переключении высоких токов возникают радиочастотные помехи, дешёвые импульсные устройства сильно «шумят». Это часто ведет к нестабильной работе электронного оборудования, включенного в сеть постоянного тока.

Зарядные устройства с микропроцессорным управлением не просто развивают существовавшие технологии зарядки аккумуляторов, но радикально улучшают их. Благодаря им аккумуляторы заряжаются за меньшее время полнее, а срок их службы увеличивается, иногда в несколько раз. Чем больше емкость и стоимость аккумуляторов, тем выгоднее использовать качественное высокочастотное устройство зарядки. Затраты на него окупаются за счет увеличения срока службы дорогих батарей

Виды зарядных устройств

Популярность шуруповёрта вызвана тем, что он упрощает процесс закручивания или выкручивания различного крепёжного элемента. Характеризуясь мобильностью и небольшими размерами, он незаменим при сборке мебельных конструкций, разборке техники, кровельных и других строительных работах. Своей мобильностью инструмент обязан входящим в его конструкцию аккумуляторным батареям.

Достоинство применения аккумуляторов в возможности их неоднократного использования. Аккумуляторы, отдавая накопленную энергию устройству, периодически сами нуждаются в подзарядке. Для восстановления величины их ёмкости и служат зарядные устройства.

Зарядка аккумулятора шуруповёрта происходит двумя способами: встроенным или внешним зарядным прибором. Встроенное ЗУ позволяет заряжать батарею, не извлекая её из шуруповёрта. Схема восстановления ёмкости расположена непосредственно вместе с аккумулятором. В то время как выносное подразумевает их извлечение и установку в отдельное приспособление для заряда. Различают ЗУ по типу восстанавливаемых батарей. Применяемые аккумуляторы бывают:

  • никель-кадмиевые (NiCd);
  • никель-металл-гидридные (NiMH);
  • литий-ионные (LiIon).

Конечная стоимость шуруповёрта не в последнюю очередь зависит от типа используемых батарей и возможностей зарядного устройства. ЗУ выпускаются на 12 вольт, 14,4 вольта и 18 вольт. Кроме этого, ЗУ разделяются по возможностям и могут иметь:

  • индикацию;
  • быструю зарядку;
  • разный тип защиты.

Наиболее используемые ЗУ используют в работе медленный заряд, обусловленный малым током. Они не содержат в своей конструкции индикацию работы и не отключаются автоматически. Это более справедливо к встроенным приборам восстановления ёмкости. ЗУ, построенные на импульсных схемах, обеспечивают возможность ускоренного заряда. Они автоматически отключаются по достижению требуемой величины напряжения или в случае возникновения аварийной ситуации.

Типы применяемых батарей

Никель-кадмиевые аккумуляторы не испытывают проблем при заряде в ускоренном режиме. Такие батарейки обладают высокой нагрузочной способностью, невысокой ценой и спокойно переносят работы при минусовой температуре. К недостаткам относят: эффект памяти, токсичность, большую скорость саморазряда. Поэтому перед тем, как заряжать такого типа аккумулятор, его необходимо полностью разрядить. Батарея имеет высокую степень саморазряда и быстро разряжается, даже если её не используют. В настоящее время практически не выпускаются из-за своей токсичности. Из всех типов обладают наименьшей ёмкостью.

Никель-металл-гидридные по всем параметрам превосходят NiCd. У них меньше величина саморазряда, меньше выражен эффект памяти. При одинаковых размерах они имеют большую ёмкость. В их составе нет токсичного материала, кадмия. В ценовой категории этот тип занимает среднее положение, поэтому наиболее распространённый тип ёмкостных элементов в шуруповёрте именно он.

Литий-ионные характеризуются высокой ёмкостью и низким значением саморазряда. Эти аккумуляторы плохо переносят перегрев и глубокий разряд. В первом случае они способны взорваться, а во втором уже не смогут восстановить свою ёмкость. Они также способны работать при отрицательных температурах и не имеют эффекта памяти. Использование ЗУ с микроконтроллером позволило защитить батарею от перезаряда, тем самым сделав этот тип наиболее привлекателен к применению. По цене они дороже, чем первые два типа.

Кроме этого, основной характеристикой аккумуляторных батарей, является их ёмкость. Чем выше этот показатель — тем дольше работает шуруповёрт. Единица измерения ёмкости — миллиампер в час (мА/ч). Конструкция батареи заключается в последовательном соединении элементов питания и помещение их в общий корпус. Для Li-Ion напряжение на одном элементе составляет 3,3 вольта, для NiCd и NiMH — 1,2 вольта.

Ответы на 5 часто задаваемых вопросов

  1. 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.
  2. 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.
  3. Если на аккумуляторе стоят крышки, то их нужно вскрывать перед началом зарядки? — Если крышки имеются на корпусе, то их обязательно снимают.
  4. По какой причине необходимо откручивать крышечки с аккумуляторной батареи? — Это нужно, чтобы газы, образующиеся в процессе зарядки, беспрепятственно выходили из корпуса.
  5. 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.
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Юрист со стажем 9 лет - Сергей / автор статьи
АВРОРА ЮРИСТ