Зарядное устройство часть 1

 

После монтажа внештатных потребителей появилась конкретная нехватка электроэнергии. Зимняя ночевка забирает треть емкости АКБ; 15-20 мин. работы лебедки сажают аккумулятор до нижнего порога а при включении кондиционера и люстры о зарядке можно уже не мечтать. Что-бы знать сколько и куда уходит, и почему не хватает, изготовлено устройство для постоянного контроля всех силовых токов авто, и самое главное – тока зарядки аккумулятора во время движения.

 

- Измерение токов  -

 

Самый простой способ измерения тока это шунт. В разрыв измеряемой цепи включается шунт с измерительной головкой, и по падению напряжения мы определяем значение проходящего тока. Шунт выбирается из расчета максимального тока, в нашем случае это около 200 ампер. С измерением зарядного тока аккумулятора в ходу получилось сложнее…

Токи внештатных, режим АКБ сменился на циклический (постоянный заряд-разряд)

Токи внештатных, режим АКБ сменился на циклический (постоянный заряд-разряд)

Шунт родом из СССР такому можно верить. 100 ампер 75 мв. Класс точности 0,5

Шунт родом из СССР такому можно верить. 100 ампер 75 мв. Класс точности 0,5

Измерительная головка 75 мв и 100 ампер на всю шкалу.  Класс точности – 2,5

Измерительная головка 75 мв и 100 ампер на всю шкалу. Класс точности – 2,5

Для контроля зарядного тока АКБ шунт включается в разрыв провода идущего на плюсовую клемму и головка с «нулем» посередине. На резинопароходе так и сделал: в разрыв плюса включен амперметр с шунтом на 30А. Токи потребления небольшие и зарядку в 3-5 ампер прекрасно видно. На Патриоте это номер не проходит – головка нужна 200А-0-200А и увидеть на ней единицы ампер зарядки сложно. Можно использовать китайские цифровые, но и тут засада – нужно отключать минус АКБ от массы, а там стартер с лебедкой и токи совсем другие – 500А и более.

Амперметр +/- 30 ампер. Вполне пригоден для измерения небольших токов.

Амперметр +/- 30 ампер. Вполне пригоден для измерения небольших токов.

На корабле токи небольшие и зарядку в 3-5 ампера хорошо видно

На корабле токи небольшие и зарядку в 3-5 ампера хорошо видно

В движении разглядеть на такой шкале зарядку в 3-5 ампера сложно

В движении разглядеть на такой шкале зарядку в 3-5 ампера сложно

Можно поставить 2 шунта. Первый в разрыв генератора и контролировать вырабатываемый им ток, второй на входе в монтажный блок авто для контроля общего потребления. Разность их показаний и будет зарядкой аккумулятора. Так и сделано: установлены два шунта и две головки, что дало возможность контролировать все силовые токи автомобиля: отдельно ток генератора, отдельно потребителей, и как разность между ними – зарядный ток АКБ.

Проба... переключением головки узнаем зарядный ток. Гена выдает 88 ампер

Проба… переключением головки узнаем зарядный ток. Гена выдает 88 ампер

Схема измерения токов на двух шунтах. Разность показаний – ток зарядки АКБ

Схема измерения токов на двух шунтах. Разность показаний – ток зарядки АКБ

Ток потребителей 20 ампер, ток генератора 28 ампер. Ток зарядки АКБ – 8 ампер.

Ток потребителей 20 ампер, ток генератора 28 ампер. Ток зарядки АКБ – 8 ампер.

Схема на двух шунтах прижилась и работает по сей день а для контроля именно зарядного тока изготовлен датчик тока на эффекте Холла с пределами 0-10 ампер и выводом информации на ту же головку через переключатель 3П2Н.

 

- Датчик тока на эффекте Холла -

 

Принцип понятен из первого рисунка – измерение разности магнитных полей создаваемых 2-мя проводниками, идущими на плюсовую клемму: от генератора на АКБ и с АКБ на все потребители. В измерительной части использован линейный датчик Холла SS496A помещенный в зазор ферритового кольца сквозь которое пропущены два провода по 16 мм/кв.

Принцип измерения зарядного тока АКБ в разности магнитного полей...

Принцип измерения зарядного тока АКБ в разности магнитного полей…

Для уменьшения внешнего влияния датчик установлен в зазоре магнитопровода

Для уменьшения внешнего влияния датчик установлен в зазоре магнитопровода

Характеристики линейного датчика Холла SS496A

Характеристики линейного датчика Холла SS496A

 

- Расчет датчика тока -

 

Зарядный ток АКБ будет в пределах 0-10 ампер, но есть два режима которые датчик должен «выдержать». Первый это лебёдка, которая сидит на плюсовой клемме и весь ток генератора при её работе будет считаться зарядкой (это 100-120 ампер в плюс). И второй режим – обрыв ремня генератора в ходу и разряд АКБ в сеть, это 70-80 ампер в минус. На эти максимальные значения (+120 и -80 ампер) и будем считать будущий датчик тока.

Формулы для расчета параметров датчика тока и насыщения магнитопровода

Формулы для расчета параметров датчика тока и насыщения магнитопровода

В кольце 28х16х9 пропилил паз для датчика SS496A шириной 2,2 мм.

В кольце 28х16х9 пропилил паз для датчика SS496A шириной 2,2 мм.

"Вольт-гауссная" характеристика датчика с нашими максимальными значениями

«Вольт-гауссная» характеристика датчика с нашими максимальными значениями

Датчик Холла SS496A с рабочим диапазоном +/- 840 Гаусс. имеет чувствительность 2,5 мВ/Гс и при отклонении индукции в зазоре кольца на один Гаусс меняет выходное напряжение на 2,5 мв в ту или иную сторону. Кольцо 28х16х9 с пазом 2,2 мм. Считаем максимально возможный ток для нашего датчика исходя из «синей формулы» (рис.1)

B = 1000 * µ0 * µe * I * N / le (в миллитесла)
Отсюда макс ток с учетом нашего кольца и датчика:
I = B * le / N * µe * µ0 * 1000 (в амперах)
µ0 — абсолютная магнитная проницаемость вакуума 1.257*10-3
µe — относительная проницаемость кольца = отношение средней линии к ширине пропила. 69 мм / 2,2 мм = 31
I — ток в амперах
N — количество витков = 1
le — длина средней магнитной линии кольца = 69 мм.
Переводим наши максимальные 840 Гаусс в миллитесла (= 84 мТл) и подставляем…
I = 84 * 69 / 1 * 31* 1.257*10-3 * 1000 = 144 ампера.
Из «красной формулы» проверяем магнитопровод на насыщение, иначе можем потерять линейность преобразования.
Iмакс = 0.001 * Bмакс * le / ( µ0 * µe * N ) [A]
Поставляем и получаем, что кольцо войдет в насыщение током 530 ампер, что то-же устраивает.
Iмакс = 0.001 * 300 * 69 / 1.257*10-3 * 31 * 1 = 530 ампер.
Получилось, что при прохождении тока сквозь кольцо от -144А до +144А датчик будет находиться в линейной зоне, что достаточно. Осталось преобразовать сигнал с датчика в привычные «Амперы» на шкале измерительной головки.

 

- Преобразуем сигнал датчика -

 

Преобразователь сигнала собран по компенсационной схеме с низкоомным выходом, что позволило использовать в качестве индикатора уже имеющуюся головку 0-100А снабдив её переключателем на 3 положения – ток генератора 0-100А, ток потребителей 0-100А и ток зарядки АКБ с пределами 0-10А. Датчик закреплён в зазоре эпоксидным клеем, компенсационная обмотка равномерно распределена по периметру кольца и имеет 100 витков провода 0,28 мм.

Схема преобразователя

Схема преобразователя

Кольцо с датчиком и катушкой

Кольцо с датчиком и катушкой

Преобразователь сигнала датчика

Преобразователь сигнала датчика

Настройка простая: по проводнику продетому сквозь кольцо пропускаем калиброванные 10 ампер и при помощи двух подстроечных резисторов поочерёдно устанавливаем стрелку на конечное и нулевое значение шкалы. Вдобавок ток зарядки можно контролировать как разность токов шунтов. Дрейф нуля «зима-лето» не превышает 0,2-0,3 ампера.

Измерительная головка 75 mv, датчик и преобразователь сигнала

Измерительная головка 75 mv, датчик и преобразователь сигнала

Предельные значения датчика +/- 144 ампера, измеряемые 0-10 ампер

Предельные значения датчика +/- 144 ампера, измеряемые 0-10 ампер

Схема измерения токов генератора, потребителей и зарядки АКБ.

Схема измерения токов генератора, потребителей и зарядки АКБ.

Для защиты головки на входе установлен стабилитрон TL431, ограничивающий измеряемые токи на уровне 11-12 ампер. В итоге получился амперметр с допустимым током от -144 до +144 ампера, и отображаемым 0-10 ампер на всю шкалу.

Индикатор контроля токов

Индикатор контроля токов

Датчик тока на эффекте Холла

Датчик тока на эффекте Холла

Датчик тока на эффекте Холла

Датчик тока на эффекте Холла

Шунты и датчик тока смонтированы в моторном отсеке, панель с индикаторной головкой и переключателем – в салоне непосредственно у водителя. Позже туда добавился регулятор напряжения генератора и цифровой вольтметр.

Шунты, уменьшитель и реле блокировки

Шунты, уменьшитель и реле блокировки

Силовой часть

Силовой часть

Устройство для контроля токов.

Устройство для контроля токов.

В итоге получилось устройство для контроля всех силовых токов автомобиля – тока генератора 0-100 ампер, тока потребителей 0-100 ампер и зарядного тока АКБ на той-же шкале с пределами 0-10 ампер. Теперь для полноценной зарядки аккумулятора необходим источник тока с регулируемым напряжением 12-17 вольт. Об этом во второй части…

 

часть 1 часть 2 часть 3