Principi e manutenzione dei caricabatterie per veicoli elettrici

I comuni caricabatterie per veicoli elettrici possono essere ampiamente classificati in due tipi in base alla struttura del circuito. Il primo tipo impiega un alimentatore switching a transistor singolo pilotato dall'UC3842 per controllare un transistor ad effetto di campo, utilizzando un doppio amplificatore operazionale LM358 per implementare un metodo di carica a tre stadi. L'alimentazione CA a 220 V viene filtrata e le interferenze soppresse tramite il filtro bidirezionale T0, rettificata da D1 in CC pulsante, quindi filtrata attraverso C11 per produrre un'uscita CC stabile di circa 300 V. U1 è un circuito integrato di modulazione di larghezza di impulso TL3842. Il pin 5 funge da terminale negativo dell'alimentatore, il pin 7 da terminale positivo e il pin 6 emette impulsi che pilotano direttamente il transistor ad effetto di campo Q1 (K1358). Il pin 3 controlla la limitazione di corrente massima; la regolazione della resistenza di R25 (2,5 ohm) modifica la corrente massima del caricabatterie. Il pin 2 fornisce il feedback della tensione, consentendo la regolazione della tensione di uscita del caricabatterie. Il pin 4 si collega al resistore di oscillazione esterno R1 e al condensatore di oscillazione C1. T1 è il trasformatore di impulsi ad alta frequenza, che svolge tre funzioni: in primo luogo, riduce gli impulsi ad alta tensione in impulsi a bassa tensione; in secondo luogo, isola l'alta tensione per evitare scosse elettriche; In terzo luogo, fornisce energia operativa all'UC3842. D4 è il diodo raddrizzatore ad alta frequenza (16 A 60 V), C10 è il condensatore del filtro a bassa tensione, D5 è il diodo zener da 12 V e U3 (TL431) è la sorgente di tensione di riferimento di precisione. Insieme a U2 (fotoaccoppiatore 4N35) consente la regolazione automatica della tensione di uscita del caricabatterie. La regolazione di W2 (resistenza di regolazione) consente la regolazione fine della tensione del caricabatterie. D10 è il LED indicatore di alimentazione. D6 è il LED indicatore di carica. R27 è il resistore di rilevamento della corrente (0,1 Ω, 5 W). La modifica del valore di resistenza di W1 regola la corrente di soglia di transizione della carica flottante del caricabatterie (200–300 mA).

All'accensione, su C11 sono presenti circa 300 V. Un ramo di questa tensione viene applicato a Q1 tramite T1. Il secondo ramo raggiunge il pin 7 di U1 tramite R5, C8 e C3, forzando l'attivazione di U1. Il pin 6 di U1 emette impulsi ad onda quadra, attivando Q1. La corrente scorre attraverso R25 verso terra. Contemporaneamente, l'avvolgimento secondario di T1 genera una tensione indotta che, tramite D3 e R12, fornisce un'alimentazione affidabile a U1. La tensione proveniente dall'avvolgimento primario di T1 viene raddrizzata e filtrata attraverso D4 e C10 per produrre una tensione stabile. Un ramo di questa tensione, tramite D7 (che impedisce il flusso di corrente inversa dalla batteria al caricabatterie), carica la batteria. Il secondo ramo fornisce 12 V all'LM358 (doppio amplificatore operazionale, pin 1 come massa di alimentazione, pin 8 come positivo di alimentazione) e ai suoi circuiti periferici tramite R14, D5 e C9. D9 fornisce la tensione di riferimento per l'LM358, che viene divisa per R26 e R4 per raggiungere i pin 2 e 5 dell'LM358. Durante la ricarica normale, sul terminale superiore di R27 appare una tensione di circa 0,15–0,18 V. Questa tensione viene applicata al pin 3 dell'LM358 tramite R17, provocando l'uscita di un'alta tensione dal pin 1. Un ramo di questa tensione passa attraverso R18, costringendo Q2 a condurre e illuminando D6 (LED rosso). mentre un altro ramo si inserisce nei pin 6 e 7 dell'LM358, emettendo una bassa tensione che costringe Q3 a spegnersi. D10 (LED verde) si spegne e il caricabatterie entra nella fase di carica a corrente costante. Quando la tensione della batteria sale a circa 44,2 V, il caricabatterie passa alla fase di carica a tensione costante, mantenendo una tensione di uscita intorno a 44,2 V mentre la corrente di carica diminuisce gradualmente. Quando la corrente di carica si riduce a 200 mA–300 mA, la tensione su R27 diminuisce. La tensione sul pin 3 dell'LM358 scende al di sotto di quella sul pin 2, facendo sì che il pin 1 emetta una bassa tensione. Q2 si spegne e D6 si spegne. Contemporaneamente, il pin 7 emette alta tensione. Questa tensione attiva Q3 attraverso un percorso, facendo illuminare D10. Un altro percorso viaggia attraverso D8 e W1 verso il circuito di retroazione, provocando una diminuzione della tensione. Il caricabatterie entra quindi nella fase di carica di mantenimento. La ricarica si conclude dopo 1–2 ore.

I guasti comuni nei caricabatterie rientrano in tre categorie principali: 1: Guasti di alta tensione 2: Guasti di bassa tensione 3: Guasti che interessano sia l'alta che la bassa tensione. Il sintomo principale di un guasto ad alta tensione è la mancata accensione della spia. Gli indicatori caratteristici includono: - Fusibile bruciato - Rottura del diodo raddrizzatore D1 - Rigonfiamento o scoppio del condensatore C11 - Rottura del transistor Q1 - Circuito aperto nel resistore R25 Cortocircuito tra il pin 7 di U1 e terra. Circuito aperto in R5, con conseguente assenza di tensione di avvio per U1. La sostituzione di questi componenti dovrebbe risolvere il problema. Se il pin 7 di U1 mostra più di 11 V e il pin 8 mostra 5 V, U1 è essenzialmente funzionante. I test mirati dovrebbero essere diretti a verificare la presenza di giunti di saldatura a freddo sui pin di Q1 e T1. Se Q1 dovesse rompersi ripetutamente senza surriscaldarsi, ciò indica generalmente il guasto di D2 o C4. Se Q1 si rompe durante il surriscaldamento, ciò generalmente significa perdita o cortocircuito nella sezione a bassa tensione, corrente eccessiva o forma d'onda dell'impulso anomala sul pin 6 dell'UC3842. Ciò provoca un aumento significativo delle perdite di commutazione e della generazione di calore nel primo trimestre, con conseguente surriscaldamento e esaurimento. Altre manifestazioni di guasti ad alta tensione includono lo sfarfallio della spia, una tensione di uscita bassa e instabile. Questi sono generalmente causati da una scarsa saldatura sui pin di T1, da circuiti aperti in D3 o R12 o dalla mancanza di potenza operativa al TL3842 e ai suoi circuiti periferici. Un raro guasto ad alta tensione si manifesta come una tensione di uscita eccessivamente elevata, superiore a 120 V. Ciò è solitamente causato da un guasto di U2, da un circuito aperto in R13 o da un guasto di U3, che abbassa la tensione sul pin 2 di U1 e fa sì che il pin 6 emetta impulsi eccessivamente ampi. È necessario evitare un funzionamento prolungato in queste condizioni poiché danneggerebbe gravemente i circuiti a bassa tensione.

La maggior parte dei guasti a bassa tensione derivano dalla connessione di polarità inversa tra il caricabatterie e i terminali della batteria, causando la bruciatura dell'R27 e la rottura dell'LM358. I sintomi includono un indicatore rosso acceso fisso, un indicatore verde spento, una tensione di uscita bassa o una tensione di uscita prossima a 0 V. La sostituzione dei suddetti componenti risolverà il problema. Inoltre, potrebbe verificarsi una deriva della tensione di uscita dovuta all'oscillazione di W2. Se la tensione di uscita è eccessivamente elevata, la batteria potrebbe sovraccaricarsi, provocando una grave disidratazione, surriscaldamento e, infine, una fuga termica che provoca un'esplosione. Al contrario, una tensione di uscita eccessivamente bassa comporterà una sottocarica.

Quando si verificano guasti sia nei circuiti ad alta che a bassa tensione, condurre un'ispezione completa di tutti i diodi, transistor, fotoaccoppiatori (4N35), transistor ad effetto di campo, condensatori elettrolitici, circuiti integrati e resistori R25, R5, R12, R27, in particolare D4 (diodo a recupero rapido 16 A 60 V) e C10 (63 V 470 μF), prima dell'accensione. Evitare di applicare ciecamente l'alimentazione, poiché ciò potrebbe espandere ulteriormente la portata del guasto. Alcuni caricabatterie incorporano una protezione da inversione di polarità e da cortocircuito nello stadio di uscita. Ciò aggiunge essenzialmente un relè al circuito di uscita; durante condizioni di polarità inversa o di cortocircuito, il relè non funziona, impedendo l'uscita di tensione dal caricabatterie.

Anche altri caricabatterie sono dotati di protezione da inversione di polarità e da cortocircuito, sebbene il loro principio differisca dal design sopra menzionato. Il loro circuito a bassa tensione trae la tensione di avvio dalla batteria in carica e incorpora un diodo (protezione dall'inversione di polarità). Una volta attivata correttamente l'alimentazione, il caricabatterie fornisce la potenza operativa a bassa tensione. Il chip di controllo in tali caricabatterie è tipicamente basato sul TL494, che pilota due transistor 13007 ad alta tensione. In combinazione con l'LM324 (quattro amplificatori operazionali), si ottiene una carica a tre stadi.

La tensione CA 220 V viene raddrizzata tramite D1-D4 e filtrata da C5 per produrre circa 300 V CC. Questa tensione carica C4, formando la corrente di avviamento attraverso l'avvolgimento ad alta tensione di TF1, l'avvolgimento primario di TF2 e V2. L'avvolgimento di retroazione di TF2 genera una tensione indotta, facendo sì che V1 e V2 conducano alternativamente. Di conseguenza nell'avvolgimento di alimentazione a bassa tensione di TF1 viene generata una tensione. Questa tensione viene raddrizzata tramite D9 e D10, filtrata da C8 e fornisce alimentazione a componenti come TL494, LM324, V3 e V4. In questa fase, la tensione di uscita rimane relativamente bassa. All'attivazione, il TL494 emette alternativamente impulsi dai pin 8 e 11, pilotando V3 e V4. Questi impulsi, attraverso l'avvolgimento di retroazione TF2, eccitano V1 e V2. Ciò fa passare V1 e V2 dal funzionamento auto-oscillante al funzionamento controllato. La tensione dell'avvolgimento di uscita di TF2 aumenta. Questa tensione viene restituita al pin 1 del TL494 (feedback di tensione) tramite divisione di tensione tra R29, R26 e R27, stabilizzando la tensione di uscita a 41,2 V. R30 funge da resistore di rilevamento della corrente, generando una caduta di tensione durante la carica. Questa tensione viene restituita tramite R11 e R12 al pin 15 del TL494 (feedback di corrente), mantenendo la corrente di carica a circa 1,8 A. Inoltre, la corrente di carica crea una caduta di tensione su D20, che viene condotta attraverso R42 al pin 3 dell'LM324. Ciò fa sì che il pin 2 emetta un'alta tensione, illuminando l'indicatore di carica, mentre il pin 7 emetta una bassa tensione, spegnendo l'indicatore di carica fluttuante. Il caricabatterie entra nella fase di carica a corrente costante. Inoltre, la bassa tensione sul pin 7 abbassa la tensione anodica di D19. Ciò riduce la tensione sul pin 1 del TL494, facendo sì che la tensione di uscita massima del caricabatterie raggiunga 44,8 V. Quando la tensione della batteria sale a 44,8 V inizia la fase a tensione costante.

Quando la corrente di carica scende a 0,3 A–0,4 A, la tensione sul pin 3 dell'LM324 diminuisce. Il pin 1 emette una bassa tensione, spegnendo l'indicatore di carica. Contemporaneamente, il pin 7 emette alta tensione, illuminando l'indicatore di carica fluttuante. Inoltre, l'alta tensione sul pin 7 aumenta la tensione anodica di D19. Ciò aumenta la tensione sul pin 1 del TL494, facendo diminuire la tensione di uscita del caricabatterie a 41,2 V. Il caricabatterie entra in modalità di carica flottante.

Esempio:

Caricabatterie. Dopo aver collegato l'alimentazione, il caricabatterie non mostra alcuna risposta. Tuttavia, il condensatore di accumulo mantiene la carica. Se non viene scaricato tempestivamente qui, può provocare una scossa sorprendente, causando un notevole disagio.

Innanzitutto accertati se il 13007 funziona. Misurare la tensione del punto medio tra i due transistor; se indica 150 V, il problema risiede tra il condensatore da 68 μF/400 V e il circuito del trasformatore principale. Se non sono 150V, una delle due resistenze di avvio da 240K è difettosa. Quest’ultimo scenario è più comune. Per i circuiti 3842, il resistore di avvio diventa tipicamente un'impedenza infinita; andrebbero controllate anche le due resistenze da 2,2 ohm.