Un chargeur haute performance pour batterie plomb-gel

Voici un circuit qui permet de recharger les accumulateurs de 6 ou 12 volts à électrolyte solide (plomb-gel ou lead-acid en anglais).


Il est parfaitement adapté aux batteries installées sur les motos, mais également et surtout à celles utilisées dans l’appareillage électronique comme les batteries-tampon dans les systèmes d’alarme par exemple.
Il ne présente aucune limite particulière sur le plan de la capacité et signale même le déroulement des différentes phases à l’aide de trois diodes LED. Simple et compact, il est entièrement géré par un circuit intégré de la marque Unitrode.



Nous ne vous apprendrons rien en vous disant que, quel que soit le type d’accumulateur électrique (NiCd, NiMH, au plomb ou au plomb-gel), une fois libérée l’énergie emmagasinée, il doit, évidemment, être rechargé.
Cette opération peut être effectuée en appliquant simplement une tension continue entre les deux bornes de l’accumulateur, tout en interposant une résistance nécessaire pour limiter le courant de charge. Cette méthode très simple, pour ne pas dire simpliste, présente toutefois quelques inconvénients : la batterie n’est jamais chargée à 100 % et le temps de charge est très long.
C’est pour ces raisons qu’un chargeur bien conçu doit présenter certaines caractéristiques spécifiques et qu’il doit être en mesure, avant tout, d’effectuer une charge à l’aide d’un courant constant, de signaler la charge optimale et de pouvoir fournir une tension de maintien lorsque la batterie est chargée.

De quoi s’agit-il ?

Le montage que nous vous proposons dans cet article est un chargeur spécialement conçu pour les accumulateurs au plomb-gel. Ses prestations sont excellentes grâce à l’utilisation d’un circuit intégré spécial de chez Unitrode.
Il suffit d’alimenter le montage à l’aide du secondaire d’un transformateur de 7,5 ou 15 volts (en fonction de la tension de la batterie, qui est de 6 ou de 12 volts) et tout se fera automatiquement, sans qu’il soit nécessaire de contrôler les courants de charge, de maintien, etc.
C’est par l’intermédiaire d’une entrée spécifique ainsi que d’une résistance de chute, que le composant “voit” le courant débité. Par l’intermédiaire d’une autre entrée, il “surveille” l’élévation de la tension entre les bornes de la batterie. Il peut ainsi “savoir” quand il doit suspendre la charge.
Le circuit intégré utilisé est un UC3906, c’est-à-dire un microcontrôleur dip à 2 x 8 broches, placé à l’intérieur d’un boîtier plastique dont vous trouverez le brochage en figure 1 et le schéma synoptique en figure 2. Sur ce dernier, vous pouvez observer une unité de contrôle, quelques comparateurs servant à relever les seuils de tension et de courant, un limiteur (qui intervient lorsque la consommation en sortie devient par trop excessive…), une commande à transistors, ainsi qu’un régulateur fournissant la tension de référence utilisée par les comparateurs.
On peut ainsi résumer le fonctionnement du UC3906 dans notre application: dès qu’il est alimenté, il fournit un faible courant à la batterie afin d’éviter des surcharges (ce qui est tout à fait possible dans le cas du court-circuit d’un élément…) puis il attend que celui-ci atteigne un certain niveau avant de commencer la véritable charge, à l’aide d’une valeur de courant qu’il est facile de choisir, grâce à un commutateur permettant d’insérer des résistances opportunes dans le circuit de limitation.
Dès lors, la charge s’effectue jusqu’à ce que le circuit intégré relève une diminution de la valeur du courant débitée.
La batterie est alors considérée comme étant chargée et le dispositif débite le courant de maintien.

Le circuit intégré UC3906

Figure 1 : Brochage du UC3906.

Le principal composant du chargeur de batterie est un circuit intégré produit par Unitrode référencé UC3906. Celui-ci contient cinq comparateurs, un générateur de tension de référence, une unité de contrôle à FLIP-FLOP, un étage pilote pour un transistor externe et un contrôleur de tension d’alimentation.
Un premier comparateur est relié aux broches 2 et 3. Il permet de relever le courant qui se dirige vers la batterie, c’est-à-dire à mesurer la consommation du premier niveau de courant de charge (charge lente). L’entrée non-inverseuse est connectée à la broche 3, tandis que l’entrée inverseuse est polarisée avec 25 millivolts positifs. Dans cette circonstance, la sortie reste au niveau logique 0 jusqu’à ce que la broche 2 devienne plus négative d’au moins 25 millivolts par rapport à la broche 3. Lorsque cette condition est atteinte, la sortie commute du 0 au 1 logique et le transistor de sortie devient conducteur.
L’autre comparateur sert à la protection, c’est un limiteur de courant.
Son entrée non-inverseuse est polarisée à l’aide de la tension d’entrée, tandis que son entrée inverseuse est reliée à la broche 4 où elle reçoit une polarisation positive de 250 millivolts. Lorsque ce comparateur enregistre une tension inférieure d’au moins 250 mV par rapport à la broche 5 (sous l’effet du courant qui traverse la résistance fixant le niveau de charge), le circuit de protection contre la surcharge intervient alors.
En fait, la sortie du comparateur se place au niveau logique haut et bloque le dispositif, en interdisant le fonctionnement du transistor externe (T1, dans le cas qui nous occupe).
La protection est réversible, c’est-à-dire qu’en l’absence de surcharge, le dispositif se débloque lui-même.
Nous vous faisons remarquer que la broche 1, sortie du “Current Sense”, peut être utilisée pour commander une diode LED qui indique la lecture de la consommation normale de la batterie.
La broche 7 permet d’insérer une diode LED qui indique la présence de la bonne tension d’alimentation, tandis que, sur la broche 9, on peut relier une troisième diode LED qui indique la surcharge.
Il y a également trois comparateurs chargés de relever les tensions de la batterie.
Celui qui est connecté à la broche 13 est polarisé par une tension produite par la valeur de la tension de référence. Il indique le moment où la valeur permettant de passer à la charge rapide est atteinte (seuil minimal qui peut être atteint seulement si l’accumulateur est intègre).
Celui qui est connecté à la broche 12 reconnaît le moment où la différence de tension en sortie arrive à la pointe au-delà de laquelle la charge doit se poursuivre de façon lente.
Le dernier comparateur, c’est-à-dire celui qui a la broche non-inverseuse directement polarisée par la valeur de tension de référence, sert, essentiellement, à bloquer le dispositif si la tension de la batterie est trop haute, au-delà du maximum prévu.
Evidemment, pour utiliser correctement ces comparateurs, il faut calculer de façon opportune les résistances R11, R12 et R13, avec lesquelles on peut établir le seuil minimal de tension pour lancer la charge rapide ainsi que la valeur de pleine charge.
En général, le minimum est établi autour de 3,5 volts et le maximum, autour de 10 volts.

Figure 2 : Schéma synoptique du UC3906.

Figure 3 : Caractéristiques électriques du circuit intégré UC3906.
Conditions de test : TA = TJ de 0 °C à +70 °C et VIN = 10 V.

L’étude du schéma

Pour mieux comprendre ce qui se passe, il faut analyser le circuit et donc le rôle du circuit intégré UC3906, phase par phase.
Commençons par regarder le schéma électrique de la figure 4. On remarque immédiatement que le microcontrôleur est configuré selon les instructions du constructeur, et qu’il travaille donc selon le principe du double seuil.
Une fois le primaire du transformateur alimenté, le secondaire fournit sa tension au pont de redressement PT1, qui restitue alors des impulsions sinusoïdales, toutes positives, mises à niveau et converties en une différence de tension continue par le condensateur électrolytique C1.
Le circuit intégré UC3906 prélève donc l’alimentation dont il a besoin sur la broche 5, tandis que la broche 3 sert à alimenter le comparateur de surveillance du courant (Current Sense).
Ce dernier fait partie de l’un des blocs principaux du composant. Il sert à mesurer le passage du courant dans la batterie. Son seuil de commutation est fixé de manière interne à 25 millivolts, alors qu’il est normalement au repos (open-collector). Lorsque le courant mesuré sur une résistance spécifique dépasse une valeur qui rend la broche 2 négative de plus de 25 millivolts par rapport à la broche 5, la sortie CS se place à un niveau logique bas.
L’autre comparateur important est le limiteur de courant (Current Limit) relié à la broche 4. Il a une polarisation interne de 250 mV. Le comparateur se déclenche en désactivant l’unité qui commande le dispositif de sortie, ainsi que le dispositif lui-même, en interrompant le débit du courant à la batterie lorsque la broche 4 devient plus négative (d’au moins 250 mV…) que la broche 5.
L’intervention reste provisoire étant donné qu’en l’absence de court-circuit ou de consommation excessive, le dispositif recommence à piloter le transistor externe.
Ce transistor est T1, un PNP de puissance ayant la base polarisée par la broche 16. Il est indispensable pour fournir le courant servant à la charge de la batterie (limitée à 1 ampère).
Ceci étant dit, nous en avons terminé avec la partie qui opère les contrôles sur le courant et nous pouvons donc poursuivre avec l’analyse des circuits qui relèvent la tension de la batterie.
L’un est connecté aux broches 11 et 12, tandis que l’autre est connecté à la broche 13. Le premier utilise un comparateur dont l’entrée non-inverseuse est reliée au positif de sortie du générateur de référence interne (+2,3 volts), tandis que l’entrée inverseuse est reliée à la broche 12.
La sortie du comparateur est normalement au niveau logique haut, tandis que lorsque la tension relevée dépasse 2,3 volts, elle commute du niveau logique 1 au niveau logique zéro (bas).
Les résistances R10, R11 et R12 doivent être dimensionnées de façon à établir des valeurs de seuil déterminées, c’est-à-dire les tensions pour lesquelles on souhaite que les comparateurs interviennent.
Pour simplifier les choses, on peut dire que par, l’intermédiaire de l’entrée ENA (broche 12), le microcontrôleur relève la pointe de tension, c’est-à-dire le moment où l’on peut considérer que la batterie est complètement chargée.
L’autre entrée, c’est-à-dire celle reliée à la broche 13, relève la tension de l’accumulateur déchargé et décide quand le circuit intégré doit passer de la charge initiale (à faible courant), à la charge normale (à courant fort).
A ce propos, cette même broche est commune au comparateur de Voltage Amp et au Sense: le premier présente, sur sa sortie, le niveau logique haut jusqu’au moment où la différence de tension entre les bornes devient plus basse que le seuil établi, c’est-à-dire le moment où la tension contribue au déroulement de la charge normale. Dès que l’accumulateur se stabilise sur une tension égale à celle considérée comme étant la tension maximale admise (charge complète), la sortie passe au niveau logique zéro et bloque le dispositif du PNP T1.
Le second comparateur est destiné à relever la valeur minimale qui sert à déclencher le débit du courant normal : au début, le chargeur fournit un faible courant pour préparer les éléments et éviter que le court-circuit de l’un d’eux ne provoque une consommation excessive.
Puis, au fur et à mesure que la charge s’effectue lentement, la différence de tension entre les bornes augmente jusqu’à ce que la broche 13 devienne plus positive que la connexion interne correspondante (0,95 x tension de référence, lorsque la sortie du comparateur est au niveau logique haut, ou 0,9 x tension de référence, lorsqu’elle est au niveau logique zéro : il se produit donc une hystérésis qui permet de garantir la précision de la commutation).
Ainsi, le Sense Comparator place la sortie au niveau logique bas, en faisant en sorte que l’unité de commande active le débit du courant normal.

Figure 4 : Schéma électrique du chargeur d’accus plomb-gel hautes performances.

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Figure 5 : Schéma d’implantation des composants du chargeur et brochages de la LED, du transistor et du pont.

Figure 6 : Photo du prototype du chargeur.

Figure 7 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du chargeur.

Liste des composants

R1 = 1 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 0,27 Ω
R6 = 1 Ω
R7 = 1 Ω
R8 = 2,2 Ω
R9 = 330 Ω
R10 = 6,8 kΩ
R11 = 560 Ω
R12 = 1,5 kΩ
R13 = 10 kΩ
R14 = 1 Ω
C1 = 2200 μF 35 V éléctrolytique
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 nF multicouche
DZ1 = Zener 5,1 V
LD1 = LED verte
LD2 = LED rouge
LD3 = LED jaune
LD4 = LED verte
U1 = Intégré UC3906
T1 = Transistor PNP TIP127
PT1 = Pont redresseur 20 V 5 A
S1 = Commutateur 1 C 4 P

Divers :
1 Support 2 x 8 broches
8 Bornier 2 pôles
1 Radiateur mod. T88/40
1 Prise banane à vis rouge
1 Prise banane à vis verte
1 Bouton pour axe Ø 6 mm
1 Transfo P 230 V S 7,5 V - 10 VA
ou
1 Transfo P 230 V S 15 V - 20 VA
ou
1 Transfo P 230 V S 7,5 V et 15 V - 20 VA
1 Porte fusible de châssis
1 Fusible 230 V - 100 mA
1 Interrupteur secteur double
1 Inverseur 15 V - 2 A (si transfo 2 tensions)
1 Circuit imprimé réf. S331.

Figure 8 : Photo du circuit monté et du radiateur de T1.

L’analyse du fonctionnement

A présent que nous savons comment fonctionnent les différents étages, nous pouvons analyser le fonctionnement de notre chargeur de batterie, en partant du moment où il est alimenté. Tant que rien n’est raccordé sur les bornes de sortie, le composant reste au repos et ne consomme que quelques milliampères.
En connectant un accumulateur déchargé entre les bornes + et –, le processus commence.
En premier lieu, une vérification est effectuée afin de contrôler qu’il n’y ait pas de courts-circuits parmi les éléments, pendant que le transistor T1 débite le courant initial, le plus bas, étant donné que le dispositif interne est polarisé en fonction du niveau porté par le comparateur C/S (Current Sense). En pratique, la consommation de la batterie ne dépasse pas 1/10 de la tension maximale admise et dépend essentiellement de la valeur de la résistance insérée entre les broches 3 et 5, ainsi qu’entre les broches 2 et 4.
Ce même comparateur relève les 25 millivolts de chute entre les broches et le Current Limit relève les 250 millivolts qui tombent dans le cas où il y aurait une demande de courant excessive à la sortie du circuit.
Au début, l’unité est commandée en fonction de l’état de la sortie du C/S et éteint le dispositif intégré et donc T1, lorsque le seuil de courant imposé en fonction de la résistance choisie est dépassé (nous verrons d’ici peu quelles sont les valeurs obtenues pour les différentes positions possibles du commutateur S1…).
Remarquez que pendant cette phase, la diode LED LD4 reste allumée en permanence.
Elle ne s’éteindra qu’à la fin de la charge, c’est-à-dire lorsque l’accumulateur se déconnectera.
Pendant ce temps, le “Sense Comp” contrôle la montée en tension de la batterie et, lorsque celle-ci dépasse le seuil minimal, fait en sorte que l’unité active le débit maximal du courant : pour cela, la lecture du comparateur de C/S reste momentanément ignorée (LD4 restant tout de même allumée) et seule celle du “Current Limit” est prise en compte, pour des raisons de sécurité évidentes. Donc, le dispositif débite la valeur établie par la résistance insérée à ce moment-là.
Grâce au commutateur S1, on peut fixer 4 seuils de courant nominal de charge, les minimales (initiales) restant égales à 1/10 (parce que les seuils des comparateurs de C/S et C/L sont respectivement 25 et 250 millivolts).
En faisant un rapide calcul, nous constatons que si on laisse seulement la résistance R8, la valeur limite avant laquelle intervient la protection contre la surcharge est d’environ 110 milliampères (11 mA de courant initial), tandis que si l’on règle le curseur de S1 vers R7, le parallèle R7/R8 se forme, et la résistance globale est alors de 0,52 ohm.
Le seuil maximal correspondant est d’environ 300 milliampères.
Si l’on règle le commutateur sur la troisième position, c’est alors le parallèle R6/R8, dont la valeur de résistance détermine la limitation du courant à environ 500 milliampères, qui se forme.
Pour finir, la dernière position du S1 impose une résistance équivalente à 0,24 ohm ainsi qu’une limite de consommation égale à 800 mA.
Vous devez clairement choisir les paramètres en fonction des caractéristiques de la batterie à recharger: par exemple, pour un élément de 1 A/h, il n’est pas conseillé d’effectuer la charge avec 800 mA (quatrième position de S1), il est préférable de rester à 300 mA.
Revenons à présent aux phases de fonctionnement et reprenons à partir du démarrage de la charge normale à courant fort : tout se poursuit normalement, à moins que des problèmes n’interviennent, tel qu’une consommation excessive due à la rupture de certains éléments. Dans un cas semblable, la surcharge est relevée et le chargeur limite la valeur débitée à celle établie avec le commutateur.
Au même moment, la diode LED de surcharge reliée à la broche 9, LD3 s’allume et nous indique l’état de surcharge, ou bien que la batterie est déjà chargée.
Si, au contraire, les choses se passent normalement, les deux diodes LED LD3 et LD4 doivent rester éteintes.
Après un court instant, la véritable phase de charge commence et nous est signalée par l’intermédiaire de la diode LED LD4 qui s’allume.
C’est à ce moment-là que la tension entre les bornes + et – atteint une valeur qui va faire commuter le comparateur relié à la broche 12, de sorte que le UC3906 conclut alors que la charge est terminée. Cette phase est signalée par l’intermédiaire de la diode LED LD3 qui s’allume : le circuit débite seulement le courant de maintien.
Avant de passer à l’aspect pratique du montage, il faut tout d’abord rappeler que le chargeur de batterie que nous vous proposons ici est conçu pour des accumulateurs de 6 ou 12 volts. Evidemment, le transformateur relié à l’entrée doit être choisi de manière appropriée.
Pour les éléments de 12 volts, la tension alternative d’entrée pourra être de 15 V, tandis que pour ceux de 6 V elle pourra être de 7,5 V. Ceci étant dit, nous pensons que vous êtes à présent en mesure de pouvoir utiliser au mieux le chargeur.

La réalisation pratique

La première étape consiste à réaliser ou à vous procurer le circuit imprimé dont le dessin, à l’échelle 1, est donné en figure 7.
Vous devrez également réunir tous les composants donnés dans la liste.
Le circuit imprimé gravé et percé est prêt à recevoir les composants. En vous référant au schéma d’implantation de la figure 5 et à la photo du prototype de la figure 6, commencez tout d’abord par mettre méthodiquement en place les résistances ainsi que le support de l’UC3906, puis les condensateurs, en faisant bien attention à la polarité des électrolytiques.
Installez ensuite le transistor de puissance PNP (un Darlington…) en veillant à ce que la partie métallique de son corps soit dirigée vers l’extérieur du circuit imprimé, afin qu’il puisse être fixé à un dissipateur ayant une résistance thermique d’environ 8 °C/W (T88/40 par exemple).
N’oubliez pas de mettre en place le pont de redressement, en suivant les indications du schéma d’implantation de la figure 5 et en veillant à son orientation.
Le montage est prévu pour être contenu dans un boîtier qui doit être de dimensions suffisantes pour recevoir le circuit imprimé, le radiateur du T1 ainsi que le transformateur d’alimentation.
Il doit être pourvu d’ouïes d’aération afin de permettre l’évacuation de la chaleur rayonnée par le dissipateur lorsque le transistor de puissance fonctionne en débitant un certain courant.
Les figures 9 et 10 vous aideront dans la compréhension de ce qui suit.
Sur la face avant, vous monterez les quatre diodes LED, en les reliant à leurs positions respectives sur les borniers à l’aide de petits morceaux de fil. A ce propos, nous vous rappelons que la cathode d’une LED est la patte la plus courte, sortant du côté du méplat.
En ce qui concerne la couleur, vous pouvez choisir celle qui vous convient.
Néanmoins, nous vous conseillons d’utiliser deux diodes vertes pour LD1 et LD2, une jaune pour LD3 (batterie chargée) et une rouge pour LD4 (état de charge).
Le commutateur à 1 circuit 4 positions doit également être placé en face avant et relié au bornier du circuit imprimé à l’aide de quatre fils. Commencez par raccorder le commun du commutateur à la borne marquée “C”, puis, poursuivez en raccordant la deuxième position à la borne “2” (R7), la troisième à “3” (R6) et la quatrième à “4” (R5). La première position (100 mA) n’est pas raccordée au bornier car la résistance R8, qui détermine le courant de charge le plus faible, est en permanence dans le circuit.
Enfin, et toujours sur la face avant, vous mettrez en place deux bornes du type qui vous convient, l’une rouge et l’autre noire. Connectez la première au “OUT +” et la seconde au “OUT –” du circuit imprimé.
Fixez le porte-fusible (avec son fusible 230 V - 100 mA) et l’interrupteur par lequel on alimente le primaire du transformateur sur l’arrière du boîtier et reliez-le à ce dernier (en faisant bien attention à l’isolation des jonctions). Le cordon, muni d’une prise de secteur, traversera la face arrière dans un passe-fil en caoutchouc et sera soudé sur l’interrupteur.
A propos du transformateur, nous vous rappelons qu’il doit être choisi en fonction de la tension de la batterie à charger : en effet, notre montage est adapté, tant pour les accumulateurs de 6 volts que pour ceux de 12 volts. Donc, dans le premier cas, le secondaire doit être de 7,5 V, tandis que dans le second cas, il doit être de 15 V.
Si vous décidez d’utiliser un transformateur à deux secondaires, pour vous réserver la possibilité de charger des batteries de 6 ou de 12 volts sans construire un second chargeur, utilisez un inverseur pouvant supporter au moins 2 ampères sous 15 volts et ne le basculez pas lorsque le secteur est appliqué au primaire. Cet inverseur pourra également être placé sur la face arrière.
Le courant doit toujours être proportionnel à celui pouvant être débité, c’est-à-dire d’au moins 1 ampère.
Pour résumer : pour charger des batteries de 6 V, il faut un transformateur avec un secondaire de 7,5 V - 10 VA, tandis que pour celles de 12 V, il faut un transformateur avec un secondaire de 15 V, 20 VA. Le primaire doit évidemment être de 230 V - 50 Hz.
Une fois toutes les connexions effectuées, l’appareil est prêt à fonctionner et vous pouvez donc l’essayer. Mettez-le sous tension, puis vérifiez que les diodes LED LD1 et LD2 s’allument et que les diodes rouge et jaune restent éteintes.
Reliez une batterie déchargée aux bornes + et – de la sortie (faites attention à la polarité !), puis vérifiez que seule la diode LED LD4 s’allume.
La diode LED LD3 doit rester éteinte, à moins qu’il y ait un court-circuit sur la sortie.

Figure 9 : Le circuit est monté dans le boîtier. Pour notre prototype, nous avons utilisé un transformateur torique (hi-tech oblige !) 15 V - 20 VA, apte à charger des batteries de 12 V. Pour des batteries de 6 V, un transformateur avec secondaire de 7,5 V - 10 VA suffit. Il n’est pas indispensable d’utiliser de tels transformateurs.

Figure 10 : Vue du chargeur terminé. Sur la face avant se trouvent les diodes LED de signalisation “Power”, “Over Charge”, “PWR Indicate” et “Current Sense” ; le bouton de sélection du courant de charge (100, 300, 500 et 800 mA) ainsi que les deux douilles pour connecter la batterie à charger.

Figure 11: Une batterie classique au plomb-gel.

Figure 12: Les phases de charge du chargeur de batterie.

Le circuit intégré UC3906 permet de charger une batterie en trois phases distinctes. La première (STATE 1) coïncide avec le début de la charge (remarquez que du point A au point B, la charge s’effectue avec un courant minimal pour permettre de relever d’éventuels courts-circuits) et se termine lorsque la tension de charge atteint le niveau V12 (point C).
La phase 2 (STATE2) est signalée lorsque la diode LED “Over Charge” s’allume. La charge se poursuit alors de façon normale jusqu’à ce que la tension demandée par la batterie descende jusqu’à “Ioct”.
La phase 3 (STATE 3) commence une fois la phase de charge terminée. Le circuit fournit un courant de maintien minimal afin d’éviter que la batterie ne se décharge.

Figure 13 : Pendant les essais, le chargeur de batterie testé a donné d’excellents résultats, tant sur le plan du temps de charge que sur le plan de la fiabilité.