Аналоговые зарядные устройства для аккумуляторов применяются в основном для зарядки небольших, в том числе и автомобильных аккумуляторов. Довольно надёжная и простая схема зарядного устройства, позволяет получать как фиксированное, так и регулируемое напряжение. Схема аналогового стабилизатора напряжения позволяет также расширить возможности зарядного устройства, а также получить достаточно высокую стабильность выходного напряжения при изменяющейся нагрузке.

Аналоговые зарядные устройства для аккумуляторов применяются в основном для зарядки небольших, в том числе и автомобильных аккумуляторов. Довольно надёжная и простая схема зарядного устройства, позволяет получать как фиксированное, так и регулируемое напряжение. Схема аналогового стабилизатора напряжения позволяет также расширить возможности зарядного устройства, за счёт введения функций защиты устройства от перегрузки и короткого замыкания, а также получить достаточно высокую стабильность выходного напряжения при изменяющейся нагрузке.

Эти достоинства аналоговых зарядных устройств позволяет использовать их для простых небольших устройств альтернативной энергетики малой мощности, например, как зарядка аккумулятора от солнечных батарей или от небольших ветродвигателей. Однако, аналоговые зарядные устройства имеют серьёзные недостатки. Это, прежде всего, большие потери, а значит и низкий КПД, а также серьёзные ограничения по выдаваемой мощности. С ростом мощности аналогового зарядного устройства, быстро увеличивается его стоимость и потери. При больших мощностях для того, чтобы уменьшить потери и повысить КПД, применяют более сложные импульсные зарядные устройства.

Чтобы понять основные принципы работы зарядного устройства и от чего зависят потери энергии, подробнее разберём схему простого аналогового стабилизатора напряжения изображенного на рисунке.

Схема аналогового стабилизатора напряжения

Схема стабилизатора выполнена на одном силовом транзисторе VT, который и является регулирующим элементом, поддерживающим на выходе постоянное напряжение при изменении напряжения на входе и тока на выходе схемы. Стабильное напряжение на выходе обеспечивается тем, что транзистор приоткрывается или прикрывает протекание тока от коллектора (К) к эмиттеру (Э) в зависимости от величины управляющего тока через базу транзистора (Б). Следовательно, аналоговый стабилизатор может поддерживать заданное напряжение только в том случае, если напряжение на входе больше напряжения на выходе на величину падения напряжения на управляющем транзисторе. В большинстве случаев, для поддержания нужного напряжения, эта разница напряжений должна быть от 2 В и больше. Например, чтобы обеспечить подзарядку аккумулятора, выставили напряжение на выходе аналогового стабилизатора 13,5 В. В этом случае, для поддержания такого напряжения, источник энергии, например, ветродвигатель или солнечная батарея должны выдавать напряжение от 15,5 В и выше.

Стабилизированное напряжение на выходе зарядного устройства получаем с помощью источника стабилизированного напряжения, выполненного в данной схеме с помощью стабилитрона VD, режим работы для которого задаёт резистор R1. При изменении напряжения на входе схемы аналогового стабилизатора, напряжение на стабилитроне VD остаются практически постоянным и называется опорное напряжение. От величины этого напряжения зависит максимальное напряжение, которое может выдавать схема стабилизатора. При изменении входного напряжения меняется напряжение на резисторе R1, а значит и ток базы управляющего транзистора VT. Схема стабилизатора построена таким образом, что при увеличении входного напряжения, транзистор прикрывается, а при снижении входного напряжения больше открывается. В этой схеме резистор R2 служит для того, чтобы к падению напряжения на постоянном резисторе можно было добавить часть напряжения стабилитрона. Дополнительным необязательным переменным резистором можно менять напряжение смещения на базу транзистора, а значит регулировкой уменьшать стабилизированное выходное напряжение зарядного устройства.

Теперь подробнее про потери аналогового стабилизатора. Напряжение от альтернативного источника энергии, ветродвигателя или солнечной батареи, меняется в широких пределах. Если даже напряжение от источника вдвое или больше превышает необходимое нам для зарядки аккумулятора напряжение, то на выходе всё равно получаем свои стабильные 13,5 В. В этом случае больше половины энергии, составят потери в зарядном устройстве. Посмотрим, из чего состоят эти потери и почему не изготавливают аналоговые зарядные устройства большой мощности. Предположим, что при напряжении на выходе зарядного устройства 13,5 В., аккумулятор потребляет ток 2А и при этом напряжение на входе вдвое больше и составляет 27В. Лишние 13,5 В в виде тепла рассеиваются на управляющем транзисторе VT. При токе 2А тепловые потери составят 27 Вт, что довольно много даже для мощного транзистора. Реальные потери будут ещё больше за счёт того, что через транзистор будет дополнительно проходить ток базы. Небольшой дополнительный ток будет проходить и через другие элементы схемы, что ещё больше увеличивает потребляемый от источника энергии ток. Значит, на выходе зарядного устройства будем иметь меньшее напряжение и меньший ток. Перемножив ток и напряжение можно посчитать выходную мощность источника энергии и энергию получаемую аккумулятором от зарядного устройства.

Подобные схемы используют для зарядки аккумуляторов небольшой мощности, в том числе и автомобильных. Для уменьшения потерь на управляющем транзисторе, в зарядных устройствах, питаемых от сети, разницу между входным и выходным напряжением стабилизатора делают меньше. Тогда и потери на нагрев зарядного устройства будут небольшими.

Кроме зарядных устройств, аналоговые стабилизаторы напряжения используются для питания небольших по мощности схем электроники, радиоаппаратуры, автоматики и т.д. Для уменьшения пульсации на входе и выходе аналогового стабилизатора ставят электролитические конденсаторы большой ёмкости. Применяют схемы с двойной стабилизацией, с температурной компенсацией, схемы с составными и полевыми транзисторами, с защитой от короткого замыкания и от перегрузки и другие меры, которые улучшают качественные характеристики аналоговых стабилизаторов.

Однако, для применения в зарядных устройствах большой и средней мощности аналоговые стабилизаторы не желательны. Поясню это на примере. Предположим, что ветродвигатель при скорости ветра 3м/с, начинает вырабатывать напряжение, которое будучи поданным на схему зарядного устройства, обеспечивает начало зарядки аккумулятора. Поскольку напряжение на входе аналогового зарядного устройства всегда больше, чем на выходе, то это напряжение должно составлять не меньше 15 В, при зарядке аккумулятора на 12 В. Для арядки аккумуляторов от ветродвигателя, как правило, применяется буферный режим, при котором напряжение на выходе зарядного устройства совсем немного превышает напряжение заряженного аккумулятора и не должно изменяться при увеличении входного напряжения на зарядном устройстве. При увеличении силы ветра, например, в три раза, энергия ветра увеличивает не пропорционально изменению скорости ветра, а в кубической зависимости. Соответственно увеличивается и напряжение на входе зарядного устройства. Вся энергия, которую не может потреблять аккумулятор, превращается в тепло, которое должно рассеиваться на управляющем транзисторе. А это большая часть вырабатываемой ветродвигателем энергии. Пускать на нагрев транзистора сотни Ватт энергии технически сложно и экономически невыгодно. Поэтому в установках альтернативной энергетики большой и средней мощности схема зарядного устройства построена на использовании импульсного стабилизатора напряжения, поскольку принцип работы импульсных стабилизаторов позволяет работать с большими мощностями при малых собственных потерях.