دارة شحن البطاريات وتوقف الشحن التلقائي
سيتم عرض وشرح ثلاثة دارات كهربائية
تقوم كل منها بعملية شحن البطاريات القابلة للشحن ثم قطع التيار الكهربائي عن
البطارية لضمان عدم التلف والاحتراق. كل من تلك الدارات لها مزاياها الخاصة إضافةً
إلى القطع الالكترونية الأساسية التي تعتمد عليها في عملية الشحن. لذلك، سنتدرج من
دارة الشحن البسيطة والتي تعتمد على المرحل الكهربائي في عملية الوصل والفصل. يليها
دارة شحن البطاريات المعتمدة على المقارن CA3140 مع منظم الجهد LM7809.
وأخيراً، سيتم تصميم دارة شحن تلقائي باستخدام منظم الجهد المتغير
LM317T دون استخدام المرحل
الكهربائي. علماً أنه يجب مراعاة توصيل الأقطاب الخاصة للبطارية المطلوب شحنها عن
وضعها في دارة الشحن، أي يجب وصل القطب الموجب للبطارية مع القطب الموجب لمنطقة
الشحن في الدارة، وكذلك الأمر للقطب السالب، أي وصل القطب السالب للبطارية مع
القطب السالب للدارة.
دارة بسيطة لشحن البطاريات والفصل بشكل تلقائي
في الشكل التالي دارة شحن كهربائية
بسيطة لشحن البطارية بالكامل مع التوقف التلقائي عند امتلاء البطارية بالشحنات
الكهربائية، أي عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل يتوقف الشحن تلقائياً
تقوم الدارة بإيقاف تشغيل شاحن البطارية
الأوتوماتيكي بقدرة 12 فولت بشكل تلقائي أو أوتوماتيكي. هذه الدائرة بسيطة جداً وغير
مكلفة ويمكن بسهولة بنائها في أي وقت. هذه الدائرة سوف تستخدم مرحل لقطع الشحن عندما
تكون البطارية ممتلئة بالشحنات الكهربائية.
سوف يتم استخدام اثنين من المصابيح أو
الليدات؛ هما اللون الأخضر والأحمر. مؤشر الـ LED الأخضر هو مؤشر الشحن. أي عندما يتوهج
الضوء الأخضر فهذا يعني أنه يتم شحن البطارية.
أما الـ LED الأحمر فهو يشير إلى أن البطارية
ممتلئة ومشحونة بالكامل وأن عملية الشحن توقفت تلقائياً، (أي مؤشر الانقطاع).
عندما يتم شحن البطارية ذات الـ 12
فولت بالكامل، سيتم تنشيط المرحل ليعمل وسيطفئ المصباح أو الليد الأخضر، وسيبدأ المصباح الأحمر
في التوهج. بهذه الطريقة ستعمل دائرة شاحن البطاريات وتتوقف تلقائياً.
أما طريقة ضبط قيمة الجهد لشحن
البطارية تتم عن طريق التالي:
1- وصل مصدر الجهد الذي يغذي الدارة أي تشغيل دارة شحن البطارية مع فصل
البطارية كلياً عن الدارة.
2- ضبط قيمة فرق
الجهد للمحول الكهربائي الذي يغذي تلك الدارة ولتكن بحدود 14.4 فولت لأن هذه
القيمة هي القيمة المثالية لشحن بطارية التي تخرج جهداً بقيمة 12 فولت.
3- بدء المعايرة عن
طريق المقاومة المتغيرة VR1.
فعند تشغيل الدارة، وعندما يضيء الثنائي أو الضوء الأخضر،
يجب تغيير قيمة المقاومة المتغيرة بدقة وبتمهل حتى يضيء الضوء ذات اللون الأحمر، ويطفئ الضوء ذات اللون الأخضر.
4- الآن، قم بفصل
التيار عن دارة الشحن عن طريق تحرير القابس الكهربائي S1، ثم أوصل البطارية
المطلوب شحنها بالدارة.
5- قم بتشغيل
الدارة الكهربائية عن طريق إغلاق القابس S1.
6- سيعمل الضوء الأخضر أثناء الشحن، وعند امتلاء البطارية ستتوقف
الدارة عن شحن البطارية بشكل تلقائي ليعمل مؤشر امتلاء البطارية، ألا وهو الضوء الأحمر.
أما القطع الالكترونية المستخدمة في دارة
شحن البطارية التلقائي فهي:
1- مرحل بقيمة 12 فولت.
2- ثلاثة مقاومات
بمقدار 1 كيلو أوم.
3- مقاومة بمقدار 4.7 كيلو أوم.
4- مقاومة جهد
متغيرة بحدود 10 كيلو أوم.
5- ترانزستور BC548.
6- مكثف كهربائي بمقدار 10 uF ويحتمل جهداً يصل إلى 60 فولت.
7- زوج من الثنائي 1N4007.
8- ثنائيان باعثان للضوء
(أحمر، أخضر).
دارة شحن البطاريات بشكل تلقائي مستخدماً دارة منظم الجهد LM7809
سنقوم بتصميم دارة شحن البطاريات التي
تعمل على فرق جهد 12 فولت، وخاصة بطاريات الرصاص. ستكون هذه الدارة الخاصة بشحن
البطاريات بمثابة شاحن بطارية أوتوماتيكي، يقوم بإغلاق وإيقاف عملية الشحن بمجرد وصول
البطارية إلى وضع الشحن الكامل. الأمر الذي يمنع الشحن الزائد للبطارية، بحيث يمكن
ترك الشاحن والبطارية دون مراقبة أو خوف من التلف أو الاحتراق.
تقوم دارة الشحن التالية بالعمل بشكل
تلقائي؛ إذا انخفض الجهد عند طرفي البطارية عن المستوى المحدد، وليكن على سبيل المثال
13.5 فولت فما دون. الشكل التالي يوضح رسم تخطيطي لدائرة شاحن البطارية التلقائي
باستخدام LM7809
يتم الحصول على التيار الكهربائي
لعملية الشحن والذي أيضاً سيقوم بتشغيل الدارة وعناصرها الكهربائية عن طريق محول
كهربائي ذات خرج فولتي بحدود 18 فوات وتيار كهربائي بحدود 2 أمبير.
يتم تقويم الجهد المتردد أو المتناوب AC الخارجة من المحول
الكهربائي عن طريق وبواسطة مقوم الجسر الرباعي الكامل الذي يشتمل على أربع ثنائيات
D1, D2, D3, D4 ثم تنعيم الإشارة وإزالة التموج
الزائد بواسطة مكثف التنعيم Smoothing
Capacitor والمسمى في الدارة C1. لذلك، يتم استخدام فرق
الجهد المقوَم والذي بقيمة 18 فولت، لتشغيل الدارة. أما المنظم 7809 فيقوم بإخراج فرق جهد
مستمر DC طوال
الوقت بثبات بقيمة 9 فولت.
أما الدارة المتكاملة CA3140 تعمل كدارة مقارن وتقوم
بالتحكم بتشغيل أو تعطيل المرحل الكهربائي الذي في الدارة. يقوم ثنائي زينر Zener بتزويد طرف المقارن بجهد
كهربائي بقيمة 4.7
فولت. أما الطرف رقم 3 للمقارن، فيتم ضبط قيمة الجهد عنده بواسطة مقاومة الجهد
المتغيرة Potentiometer.
بطبيعة الحال، المدخل رقم 2 الخاص بالمقارن CA3140 يحصل على جهد كهربائي
القادم من ثنائي الزينر أعلى من الجهد الكهربائي عند المدخل رقم 3 للمقارن مما
يجعل قيمة الخرج الفولتي عند المدخل الخاص بذلك المقارن منخفض أي ما يقارب الصفر
فولت. الأمر الذي يجعل الترانزستور Q1 في وضع السبات، والذي بدوره يقوم بتعطيل المرحل. علماً أن
البطارية التي سيتم شحنها ستحصل على تيار الشحن من الطرف NC الخاص بالمرحل.
عندما ترتفع قيمة فرق الجهد عند أقطاب
البطارية المطلوب شحنها أثناء الشحن إلى ما يعادل 13.5 فولت، يصبح الجهد الكهربائي
عند الطرف 3 أعلى منه من الطرف 2 لدارة المقارن، مما يجعل قيمة الخرج الفولتي
للمقارن عالي عند الطرف 6 أي ما يعادل 5 فولت. لذلك، سيتم تحفيز الترانزستور ويليه
سيعمل الريلي أو المرحل ليصبح الطرف Com متصل بالطرف NO، أي لن يمر أي تيار كهربائي من خلال طرف المرحل NC ومنه ستتوقف عملية الشحن
لحين نزول مقدار الجهد عند طرفي البطارية عن المستوى المحدد.
إعداد وضبط قيمة فرق جهد الشاحن
الذي يعمل بوجود المقارن والمنظم 7809
يتم ضبط فولتية الشاحن قبل توصيل البطارية.
لذلك، قم بفتح القابس S1
ثم قم بتشغيل الدارة عن طريق وصل المحول بمصدر الكهرباء (أي وصل المحول بالتيار
الكهربائي). الآن، باستخدام بطارية مشحونة بالكامل أو استخدام مزود طاقة متغير (أي
بور سبلاي) Power Supply،
ووصلها مكان نقاط توصيل شحن البطارية. قم بفحص قيمة الجهد عند الطرف 3 الخاص بدارة
المقارن، ثم قم بتغيير قيمة المقاومة المتغيرة VR1 لحين ارتفاع قيمة الجهد
عند الطرف رقم 3 للمقارن CA3140
إلى القيمة 5 فولت. مما يؤدي إلى تحفيز المرحل وتشغيله، ومنه يعمل
الثنائي الباعث للضوء الأحمر.
بعد
ذلك، قم بشحن البطارية التي تريد، وذلك بعد وصلها وإغلاق المفتاح S1. لذلك، وأثناء عملية الشحن سيكون الجهد الفولتي
عند المدخل الخاص بدارة المقارن منخفض أي أقل من الجهد الخاص بالمدخل رق 2
للمقارن، وذلك لأن معظم التيار يتم سحبه واستهلاكه عن طريق البطارية. أثناء عملية
شحن البطارية، يبقى المرحل في الحالة OFF. أما عند امتلاء البطارية، سيصبح الجهد عند القطب رقم 2 أعلى من
القطب رقم 3 للمقارن مما يؤدي إلى تشغيل الترانزستور Q1، الذي بدوره يقوم بتشغيل المرحل مما يؤدي إلى
فصل عملية الشحن عن البطارية بشكل تلقائي.
دارة متقدمة لشحن البطاريات جميع البطاريات بشكل تلقائي باستخدام منظم الجهد المتغير LM317T
تتكون دائرة شحن البطاريات الأوتوماتيكية
بشكل أساسي والتي تقوم بشحن جميع أشكال البطاريات القابلة للشحن، بغض النظر عن قيمها
والفولت التي تخرجه من قسمين؛ الأول قسم إمداد الطاقة والقسم الثاني من الدارة هو
مخطط لدارة مقارنة الجهد للفصل والوصل تبعاً لحالة البطارية المطلوب شحنها. الشكل
التالي يوضح رسم تخطيطي لدائرة شاحن البطارية التلقائي باستخدام المنظم LM317
يتم توصيل الجهد الرئيسي للإمداد
بالطاقة الكهربائية بمقدار 230 فولت وبتردد 50 جيجا هيرتز. يتم خفض الجهد إلى ما
يقارب الـ 15 فولت عن طريق المحول الكهربائي الخافض للجهد TR1. حيث يتم توصيل الثنائي D1 والثنائي D2 لتحويل التيار المتردد
المتناوب AC إلى
التيار المباشر المستمر DC. وتسمى هذه العملية أيضا باسم تقويم التيار أو الجهد الكهربائي. أما
لإزالة التموج والشوائب الناتجة من عميلة التقويم والحصول على إشارة مستمرة نقية
قدر الامكان، يتم وضع مكثف بمقدار 470 مايكروفاراد.
لكن الجهد الناتج من طرفي المكثف
سيكون غير منتظم. أي أنه سيتأرجح ما بين القيم 13.8 والقيم 18 فولت. لذلك، يتم الآن تطبيق الجهد المقوم أو التيار المستمر
وغير المنظم هذا على منظم الجهد المتغير LM317
لتوفير جهد DC
منظم للغاية.
الجهد الناتج من منظم الجهد المتغير LM317 هو جهد متغير
يتراوح ما بين 1.2
فولت إلى 37
فولت كحد أقصى. علماً أن أقصى حد للتيار الخارج من المنظم LM317 هو 1.5 أمبير. لذلك، وللتحكم في قيمة "الجهد المنظم" الذي يخرج
من دارة المنظم LM317،
والمطلوب لشحن أي بطارية قابلة للشحن بحسب مقدار الجهد التي تعمل عليه؛ يتم عن
طريق معايرة وضبط قيمة المقاومة المتغيرة والتي تكون بحدود 10 كيلو أوم والموصولة
على الطرف Adjust (Adj)
لمنظم الجهد LM317.
الجهد الصادر والخارج من المنظم LM317 يمر من خلال الثنائي D5 والمقاومة الكهربائية R5 والتي هي بحدود 100 أوم
وبقدرة نصف واط ليزود البطارية المراد شحنها بالتيار الكهربائي. في نفس الوقت
سيتفرع التيار ليسير عبر المقاومة R3 ذات المقاومة 2.2
أوم مما يؤدي إلى تشغيل الثنائي الباعث للضوء LED ذات اللون الأخضر Green LED، والذي يشير إلى أن عملية الشحن قيد العمل، وأن البطارية مازالت
تستهلك قدراً من الطاقة الكهربائية لتخزينها. أما السبب وراء استخدام الثنائي D5، فهو لتجنب تفريغ البطارية
عند التوقف الإمداد الرئيسي للدارة الكهربائية، أي عند فصل المحول الكهربائي من
مصدر الكهرباء.
الآن، وعندما يتم شحن البطارية بالكامل،
ينحاز ثنائي زينر D6
بالكامل، والموصول بوضع الانحياز العكسي، ليعمل كموصل كهربائي ويمرر التيار
الكهربائي من خلاله. يصل التيار المار من خلال ثنائي زينر إلى قاعدة الترانزستور BD139 ذات الفئة NPN، مما يؤدي إلى مرور
التيار من المقاومة R2 إلى
الثنائي الباعث للضوء ذات اللون الأحمر والذي يشير
إلى امتلاء البطارية بالشحن بالكامل.
إذن، وفي دارة الشحن التلقائي
للبطاريات هذه، تم استخدام مؤشر الـ LED
الأخضر للإشارة إلى
شحن البطارية. كما تم استخدام مؤشر الـ LED الأحمر إلى أن عملية الشحن توقفت، وأن
البطارية ممتلئة بالشحن كاملةً.
مبدأ عمل دائرة شحن البطاريات باستخدام منظم الجهد المتغير LM317T
إذا كان الجهد الكهربي للبطارية أقل من
12 فولت، فإن التيار الصادر من المنظم LM317
يتدفق عبر المقاوم R5 والدايود
D5 إلى البطارية
المطلوب شحنها. في هذا الوقت، لن يتم تحفيز ثنائي الزينر والمربوط في وضع الانحياز
العكسي، لأن البطارية تستهلك معظم التيار الكهربائي لعملية الشحن. أي أن ثنائي
الزينر D6
هنا سيعمل كمفتاح كهربائي يقطع التيار الكهربائي عن قاعدة الترانزستور ليبقى الضوء
الأحمر معطل ولا يعمل.
بعد عملية الشحن لفترة من الزمن، وعندما
يرتفع الجهد الكهربائي للبطارية إلى 13.5 فولت، يتوقف التدفق الكهربائي باتجاه البطارية
ويحصل ثنائي زينر على الجهد الكافي للانهيار ويسمح للتيار الكهربائي بالمرور عبره،
مما يسمح لقاعدة الترانزستور بالحصول على التيار الكافي لتشغيله. الأمر الذي يغلق
المسار بين المقاومة R2
والثنائي الباعث للضوء ذات اللون الأحمر، والذي
يشير إلى امتلاء البطارية بالكامل.
وبما أن المقاومة التي تسبق الثنائي الأحمر أي R2 قيمتها أقل من المقاومة R3 التي تسبق الثنائي الأخضر،
فسيمر التيار من خلال المقاومة الأقل أي R2 ليضيء الضوء الأحمر بدلاً من
الضوء الأخضر.
لضبط اعدادات دارة شحن البطارية التي
تعمل بوجود المنظم LM317،
يجب أن يكون فرق الجهد الكهربائي الخارج من المنظم لا يتعدى المرة والنصف من جهد
البطارية، مع الأخذ بعين الاعتبار أن قيمة تيار الشحن يجب ألا يتعدى 10% من تيار
سعة البطارية mAH.
أي لشحن بطارية بمقدار 9 فولت، يجب ألا يتعدى الخرج الفولتي الخارج من المنظم LM317 المقدار 9 × 1.5 أي 13.5
فولت. وكذلك الأمر بالنسبة للبطارية ذات المقدار 12 فولت، فأقصى قيمة للجهد الذي
سيقوم بشحنها يجب ألا يتجاوز المقدار 18 فولت. كما ويجب مراعاة توصيل الأقطاب
لتفادي أي خلل أو تقصير في الدارة.
أسئلة شائعة عن دارة شحن البطاريات وقطع التيار بعد عملية الشحن بشكل تلقائي
سؤال: ماذا يحدث عندما تبقى عملية شحن البطارية مستمرة دون توقف؟
جواب: هنالك حاجة ماسة لوجود دارة داخلية لقطع
التيار بعد شحن البطارية؛ لأن استمرار عملية الشحن بعد امتلاء البطارية من شأنه أن
يرفع من درجة حرارة البطارية أو حتى انفجارها. أيضاً، ستتلف بعض من عناصر الدارة الالكترونية
بفعل التيارات الزائدة والعكسية المستمرة التي تسري في الدارة.
سؤال: ما هي
البطاريات التي تصلح لشحنها من قبل دارات الشحن السابقة؟
جواب: جميع البطاريات ذات فرق الجهد 12 فولت.
سؤال: كم من
الوقت تستمر عملية الشحن للبطاريات باستخدام الدارات السابقة؟
جواب: تعتمد عملية شحن البطاريات على كمية التيار المستهلكة من قِبل
البطارية، سعة البطارية والتي تقاس (بالأمبير ساعة) mAH. إضافة إلى كمية الطاقة
الكهربائية المخزونة في تلك البطارية. لذلك، تتراوح عملية الشحن من بضع دقائق إلى ساعات
عديدة.