Prostownik transformatorowy czy ładowarka mikroprocesorowa?

Prostownik transformatorowy i automatyczna ładowarka mikroprocesorowa mogą służyć do tego samego celu, ale sposób, w jaki realizują proces ładowania, jest zupełnie inny.

W tym teście sprawdziłem, jak oba urządzenia zachowują się podczas ładowania tego samego akumulatora kwasowo-ołowiowego. Obserwowałem nie tylko napięcie i prąd ładowania, ale również temperaturę akumulatora, ilość dostarczonego ładunku, zmianę jego masy oraz gęstość elektrolitu.

Dodatkowo sprawdziłem przebiegi napięcia i prądu za pomocą oscyloskopu oraz wpływ napięcia sieciowego na parametry ładowania prostownika transformatorowego.

Nie jest to porównanie dwóch konkretnych urządzeń mające wskazać zwycięzcę. Wyniki zależą od konstrukcji konkretnego prostownika i konkretnej ładowarki. Ten test ma przede wszystkim pokazać, jak różne mogą być sposoby realizacji tego samego procesu ładowania.

Warunki testu

Do testu wykorzystałem akumulator kwasowo-ołowiowy Ca/Ca o deklarowanej pojemności 75 Ah.

Przed rozpoczęciem testu akumulator miał:

Następnie akumulator został rozładowany prądem 7,5 A przez dwie godziny. Z akumulatora pobrałem w ten sposób około 15 Ah.

Nie traktuję jednak tej wartości jako rzeczywistego stopnia naładowania akumulatora. Pobranie 15 Ah nie oznacza automatycznie, że akumulator został rozładowany dokładnie o 20% swojej pojemności. W tym teście najważniejsze było stworzenie możliwie powtarzalnych warunków i porównanie sposobu, w jaki oba urządzenia przeprowadzą późniejsze ładowanie.

Ładowanie prostownikiem transformatorowym

Na początku do akumulatora podłączyłem prostownik transformatorowy.

Prąd początkowo wynosił około 7 A i wraz ze wzrostem napięcia stopniowo malał. W ciągu kolejnych godzin napięcie cały czas rosło, a prąd systematycznie spadał. Po około 12 godzinach prąd wynosił już tylko około 0,7 A, natomiast napięcie osiągnęło około 16,3 V.

W tym czasie prostownik dostarczył do akumulatora około 21,2 Ah, czyli o około 6,2 Ah więcej, niż wcześniej z niego pobrałem.

Sama ilość dostarczonych amperogodzin nie oznacza jednak, że akumulator został przeładowany. Część dostarczonego ładunku jest związana między innymi z procesami zachodzącymi podczas ładowania, takimi jak gazowanie elektrolitu i reakcje uboczne.

Sprawdziłem również, co stało się z samym akumulatorem. Temperatura wzrosła z około 22,8 do 26,1°C i pod koniec ładowania nadal powoli rosła. Masa akumulatora zmniejszyła się o 9 gramów.

Gęstość elektrolitu po zakończeniu ładowania wynosiła nieco ponad 1,28, a więc nieznacznie wzrosła w stosunku do wartości, którą miałem przed rozpoczęciem testu.

Prostownik doprowadził więc akumulator do prawidłowej gęstości elektrolitu, ale zrobił to przy stosunkowo wysokim napięciu i przez cały czas pozostawał włączony, bez automatycznej kontroli procesu ładowania.

Ładowanie ładowarką mikroprocesorową

Po zakończeniu pierwszego testu akumulator ponownie rozładowałem prądem 7,5 A przez dwie godziny, a następnie podłączyłem automatyczną ładowarkę mikroprocesorową.

Tym razem przebieg ładowania wyglądał zupełnie inaczej.

Ładowarka od początku utrzymywała prąd na poziomie nieco ponad 8 A. Wraz ze wzrostem napięcia prąd stopniowo zaczął spadać, aż po osiągnięciu 14,7 V i spadku prądu ładowania do około 1,2 A ładowarka przeszła w tryb podtrzymania napięcia na poziomie 13,8 V.

Po 12 godzinach ładowarka dostarczyła do akumulatora około 16,5 Ah, czyli tylko około 1,5 Ah więcej, niż wcześniej z niego pobrałem. Gdyby ładowarka całkowicie zakończyła ładowanie bez fazy podtrzymania, ilość dostarczonego ładunku byłaby mniejsza od ilości, którą wcześniej pobrałem z akumulatora. W samej fazie podtrzymania ładowarka dostarczyła do akumulatora nieco ponad 1,6 Ah.

Temperatura akumulatora wzrosła z około 23 do 25,9°C, a później zaczęła spadać, ponieważ ładowarka ograniczyła prąd i przeszła w tryb podtrzymania.

Masa akumulatora zmniejszyła się tym razem tylko o 5 gramów.

Bezpośrednio po zakończeniu ładowania gęstość elektrolitu wynosiła około 1,27, ale po 48 godzinach odpoczynku ponownie wzrosła do 1,28.

Porównanie ilości dostarczonego ładunku i temperatury

Mamy już wyniki obu procesów, więc możemy je teraz bezpośrednio porównać.

Na pierwszy rzut oka różnica w ilości dostarczonych amperogodzin jest dość duża. Prostownik dostarczył do akumulatora około 21,2 Ah, natomiast ładowarka mikroprocesorowa około 16,5 Ah.

Ładowarka początkowo szybciej uzupełniała ładunek, ponieważ prąd ładowania był praktycznie stały od początku aż do osiągnięcia napięcia 14,7 V. Po przejściu w tryb podtrzymania tempo wzrostu ilości dostarczonego ładunku diametralnie jednak spadło, podczas gdy prostownik w tym czasie nadal systematycznie uzupełniał ładunek.

Sama różnica w ilości dostarczonych amperogodzin nie oznacza jednak, że prostownik naładował akumulator bardziej. Jak już wspomniałem, liczba dostarczonych amperogodzin nie jest bezpośrednim pomiarem stopnia naładowania akumulatora.

Ciekawiej wygląda natomiast temperatura. W przypadku prostownika temperatura wzrosła z około 22,8 do 26,1°C i pod koniec testu nadal powoli rosła.

W przypadku ładowarki mikroprocesorowej wzrosła z około 23 do 25,9°C, ale po przejściu w tryb podtrzymania zaczęła spadać.

To dobrze pokazuje różnicę w sposobie pracy obu urządzeń. Prostownik przez cały czas pozostawał aktywny i nadal dostarczał prąd, natomiast ładowarka mikroprocesorowa po osiągnięciu napięcia końcowego ograniczyła prąd i przeszła w tryb podtrzymania.

Parametr	Prostownik	Ładowarka
Dostarczony ładunek	21,2 Ah	16,5 Ah
Temperatura początkowa	22,8°C	23,0°C
Temperatura maksymalna	26,1°C	25,9°C
Zmiana temperatury	+3,3°C	+2,9°C
Ubytek masy	9 g	5 g
Gęstość po ładowaniu	~1,28	~1,27
Gęstość po 48 h	—	1,28

Co pokazuje oscyloskop?

Tutaj chciałem sprawdzić nie tylko napięcie i prąd ładowania, ale przede wszystkim jak te wielkości wyglądają w czasie.

W przypadku prostownika transformatorowego bez podłączonego akumulatora przebieg napięcia jest typowy dla prostownika dwupołówkowego. Po podłączeniu akumulatora napięcie zostaje mocno wygładzone, ale prąd nadal ma charakter impulsowy i pojawia się w krótkich impulsach z częstotliwością około 100 Hz.

Przy mniejszym prądzie ładowania zmierzone tętnienia napięcia na akumulatorze miały około 39 mVpp. Kiedy zwiększyłem prąd ładowania do około 7,6 A, napięciowe tętnienia wzrosły do około 552 mVpp. Jednocześnie prąd miał wyraźnie impulsowy przebieg.

To pokazuje, że akumulator bardzo skutecznie filtruje napięcie prostownika, ale nie eliminuje całkowicie impulsowego charakteru prądu.

W przypadku ładowarki mikroprocesorowej sytuacja wyglądała zupełnie inaczej. Prąd był znacznie bardziej stabilny — przy około 8 A jego zmiany były niewielkie.

Na przebiegu napięcia pojawiały się natomiast krótkie, wysokoczęstotliwościowe szpilki. Dlatego samej wartości Vpp nie można tutaj bezpośrednio porównywać z 100-hercowymi tętnieniami prostownika — są to różne zjawiska.

Dla porównania sprawdziłem również inną, markową ładowarkę. Przy podobnym akumulatorze jej przebieg był wyraźnie inny, z mniejszymi zakłóceniami na wyjściu.

Najważniejszy wniosek z tego pomiaru jest więc prosty: sam fakt, że ładowarka jest mikroprocesorowa, nie mówi jeszcze wszystkiego o jakości jej przebiegu wyjściowego. O tym decyduje konkretna konstrukcja, sposób sterowania i filtracja.

Wpływ napięcia sieciowego

Prostownik transformatorowy nie posiada stabilizacji napięcia wyjściowego, dlatego jego parametry pracy zależą również od napięcia w sieci.

Sprawdziłem to na w pełni naładowanym i ustabilizowanym akumulatorze, zmieniając napięcie zasilające prostownik od 207 do 253 V.

Wyniki pokazują wyraźną zależność. Przy 207 V napięcia sieciowego prąd ładowania wynosił zaledwie 0,29 A, natomiast przy 253 V wzrósł do 2,46 A. Napięcie na akumulatorze zmieniło się w tym samym czasie z 14,83 do 16,86 V.

Szczególnie dobrze widać to na wykresie. Zmiana napięcia sieciowego o 46 V spowodowała ponad ośmiokrotny wzrost prądu ładowania.

To pokazuje jedną z podstawowych cech tego typu prostownika — jego zachowanie w dużym stopniu zależy od napięcia zasilającego. Przy niskim napięciu sieciowym proces ładowania może być znacznie słabszy, natomiast przy wysokim napięciu zarówno napięcie na akumulatorze, jak i prąd mogą wyraźnie wzrosnąć.

Warto przy tym pamiętać, że są to pomiary konkretnego prostownika i konkretnego akumulatora, a nie uniwersalna charakterystyka wszystkich prostowników transformatorowych.

Czy można ładować akumulator w samochodzie?

Teoretycznie prostownik można podłączyć do akumulatora zamontowanego w samochodzie. Problem pojawia się jednak wtedy, gdy spojrzymy na parametry, z jakimi pracuje testowany prostownik.

Przy napięciu sieciowym 230 V napięcie na zaciskach akumulatora dochodziło do około 16,2 V, a podczas ładowania występował również impulsowy przebieg prądu i napięcia.

Nie wykonywałem tutaj osobnego testu z podłączoną instalacją samochodu, dlatego nie będę twierdził, że takie napięcie w każdym samochodzie spowoduje uszkodzenie elektroniki. Współczesne samochody różnią się między sobą konstrukcją instalacji i sposobem zabezpieczenia poszczególnych modułów.

Dla mnie wniosek jest jednak prosty: nie zdecydowałbym się na regularne ładowanie takim prostownikiem przy podłączonej instalacji samochodu.

Szczególnie że w przypadku całkowicie rozładowanego lub uszkodzonego akumulatora sytuacja może wyglądać jeszcze inaczej. Jeżeli akumulator przestanie skutecznie obciążać prostownik, napięcie może znacznie łatwiej pojawić się bezpośrednio w instalacji samochodu.

Dlatego jeżeli chcemy ładować akumulator bez jego odłączania, warto użyć urządzenia, które kontroluje napięcie ładowania i jest przeznaczone do takiego sposobu pracy.

Czy prostownik nadaje się do ładowania AGM?

Akumulator AGM również można ładować prostownikiem transformatorowym, ale trzeba znacznie bardziej kontrolować przebieg całego procesu.

W moim przypadku przy napięciu sieciowym 230 V prostownik osiągnął około 16,3 V i nie miał wyraźnego momentu zakończenia ładowania. Jak pokazał wcześniejszy test, nawet przy tak wysokim napięciu nadal płynął prąd, a temperatura akumulatora wciąż rosła.

W przypadku akumulatora AGM, czyli konstrukcji VRLA z elektrolitem unieruchomionym w separatorach, długotrwałe ładowanie przy zbyt wysokim napięciu może prowadzić do gazowania i otwarcia zaworów bezpieczeństwa. Utraconego w ten sposób elektrolitu nie można później bez ingerencji w akumulator uzupełnić.

Oczywiście w określonych sytuacjach takie ładowanie może mieć zastosowanie, ale wymaga świadomego kontrolowania procesu.

Dlatego nie traktowałbym tego prostownika jako urządzenia do regularnego ładowania AGM. Do takiego zastosowania zdecydowanie bardziej odpowiednia jest ładowarka, która kontroluje napięcie i potrafi ograniczyć lub zakończyć proces ładowania.

Czy wystarczy dołożyć moduł odłączający?

Można oczywiście powiedzieć: skoro problemem jest zbyt wysokie napięcie, wystarczy dołożyć prosty moduł, który odłączy prostownik po osiągnięciu określonego napięcia.

Taki moduł może być dodatkowym zabezpieczeniem, ale nie zastępuje automatycznej ładowarki.

W moim przypadku przy napięciu akumulatora około 14,7 V prostownik nadal dostarczał około 3,3 A. Jeżeli więc ustawię moduł tak, aby odłączał zasilanie właśnie przy 14,7 V, przerwę ładowanie w momencie, kiedy akumulator nadal przyjmuje całkiem znaczący prąd.

Do tego dochodzi impulsowy charakter pracy prostownika. Bez odpowiedniej histerezy i opóźnienia napięciowe zmiany mogą powodować wielokrotne przełączanie przekaźnika.

Taki moduł może więc ograniczyć ryzyko pozostawienia prostownika podłączonego przez wiele godzin, ale odłącza przy określonym napięciu, a nie wtedy, kiedy akumulator rzeczywiście zakończył proces ładowania.

Co się stanie, jeśli zapomnimy odłączyć prostownik?

W tym przypadku dodatkowego testu właściwie nie trzeba wykonywać. Wystarczy spojrzeć na przebieg wcześniejszego ładowania.

Po osiągnięciu pełnego naładowania gęstość elektrolitu wróciła do prawidłowej wartości, a mimo to prostownik nadal dostarczał prąd. Temperatura akumulatora pod koniec testu również nadal powoli rosła.

Jeżeli więc pozostawimy taki prostownik podłączony na kolejne godziny, akumulator nie będzie już w istotny sposób zwiększał swojego stanu naładowania. Coraz większa część dostarczanej energii będzie tracona między innymi w postaci ciepła i gazowania, co będzie prowadziło do dalszego ubytku wody z elektrolitu.

W skrajnych warunkach wzrost temperatury może dodatkowo zmienić charakterystykę akumulatora i zwiększyć prąd ładowania, co może jeszcze bardziej podnosić temperaturę.

Dlatego prostownika bez automatycznej kontroli nie zostawiałbym podłączonego na wiele godzin bez nadzoru.

Podsumowanie

Prostownik transformatorowy i ładowarka mikroprocesorowa realizują ten sam podstawowy cel, ale robią to w zupełnie inny sposób.

Prostownik transformatorowy jest prostą konstrukcją. Nie kontroluje aktywnie procesu ładowania, a jego parametry mocno zależą od napięcia w sieci. Przy 230 V w moim przypadku napięcie na akumulatorze przekraczało 16 V, a przy wyższym napięciu sieciowym prąd ładowania potrafił wzrosnąć ponad ośmiokrotnie.

Z drugiej strony prostownik jest bardzo prostym urządzeniem i właśnie dzięki temu pozwala użytkownikowi samodzielnie kontrolować cały proces. Przy odpowiedniej wiedzy można go wykorzystać również w sytuacjach, w których automatyczna ładowarka może sobie nie poradzić.

Ładowarka mikroprocesorowa znacznie lepiej kontroluje proces ładowania. W moim teście ograniczyła napięcie do 14,7 V, a następnie przeszła w tryb podtrzymania. Dzięki temu po zakończeniu zasadniczego ładowania prąd został mocno ograniczony.

Ale tutaj również bardzo dużo zależy od konkretnej konstrukcji. Pokazał to pomiar oscyloskopem, gdzie dwie ładowarki automatyczne pracujące z podobnym akumulatorem generowały zupełnie różne przebiegi napięcia.

Nie ma więc jednej odpowiedzi na pytanie, które urządzenie jest lepsze. Wszystko zależy od tego, czego oczekujemy, jaki akumulator chcemy ładować i przede wszystkim jak dobrze znamy urządzenie, którego używamy.

Prostownik wymaga od użytkownika większej kontroli, ale daje też większą swobodę. Ładowarka automatyczna przejmuje kontrolę nad procesem, ale to od jej konstrukcji zależy, jak dobrze tę kontrolę realizuje.

I właśnie dlatego zamiast pytać, czy lepszy jest prostownik transformatorowy czy ładowarka, warto najpierw sprawdzić, jak naprawdę zachowuje się konkretne urządzenie.