Схема. Зарядно-разрядное устройство для малогабаритных аккумуляторов
С помощью устройства можно проводить тестирование (измерение емкости) и зарядку как отдельных аккумуляторов, так и аккумуляторных батарей, содержащих от двух до семи Ni-Cd и Ni-MH элементов. Зарядка осуществляется стабильным током в течение заранее установленного времени.
Основные технические характеристики
Интервал зарядного и разрядного токов, мА…………..15…615
Шаг установки тока, мА …………………………………..10/15
Напряжение отключения при разрядке, В ……………..1…7
Шаг установки напряжения отключения, В…………….1
Максимальное время разрядки и зарядки, ч (мин) …..23 (59)
Напряжение питания, В ……………………………………12
Максимальный потребляемый ток, мА……………………650
Схема зарядно-разрядного устройства изображена на рис. 1. На микросхемах DD1—DD3, DD5 и семиэлементном светодиодном индикаторе HG1 собран таймер-измеритель временных интервалов по известной схеме электронных часов с динамической индикацией. На индикаторе отображаются продолжительность зарядки или разрядки. Для включения соответствующих разрядов применены инверторы DD3.2, DD3.3, DD3.5 и DD3.6. Третий из пяти разрядов индикатора HG1 не используется. Инвертор DD3.4, элементы VD14, R42 служат для гашения нуля в разряде «десятки часов». Сигналом с выхода HS микросхемы DD2 (сигнал «будильника») осуществляются выключение режима зарядки и остановка счета времени зарядки, устанавливаемого с помощью кнопок SB 10— SB12. Для исключения ложного выключения и остановки счета от этого сигнала в режиме разрядки нижний по схеме вывод конденсатора С5 через диод VD9 и выход инвертора DD3.1 соединяется с общим проводом, блокируя тем самым указанный сигнал.
Для сохранения информации о продолжительности разрядки или зарядки при пропадании напряжения питания 12 В и продолжения отсчета после его появления применена резервная батарея GB1. Наличие сигнальных соединений между микросхемами не позволяет подать питание с нее только на микросхему DD2, счетчики которой хранят информацию о продолжительности процесса, поэтому напряжение батареи через диод VD12 поступает на все микросхемы таймера-измерителя. Для уменьшения тока, потребляемого от резервной батареи, служит узел, собранный на резисторах R30, R31, R34 и транзисторе VT6. При снижении напряжения питания с 12 до 6 В или его пропадании транзистор VT6 закрывается и высокий логический уровень с его коллектора поступает на вход К дешифратора DD5, «выключая» индикатор HG1. Этот же уровень через диод VD1 поступает на задающий кварцевый генератор 32768Гц в микросхеме DD1, его работа приостанавливается и отсчет временного интервала прекращается до появления напряжения питания 12 В. Конденсатор С6 обеспечивает питание микросхем таймера-измерителя в течение нескольких минут, пока напряжение не снизится до 3 В, и через диод VD12 подключится резервная батарея. Диод VD13 препятствует подаче напряжения с батареи на остальные узлы устройства. Эти схемные решения позволили снизить ток потребления в отсутствие напряжения питания 12 В до значений, определяемых сопротивлением резистора R2 и токами утечек микросхем и конденсаторов.
Источники тока на полевых транзисторах VT1, VT2 и VT3, VT4 с высоким выходным сопротивлением совместно с резисторами R3—R5 и R6—R11 образуют источники образцового напряжения (ИОН). На выходе первого ИОН кнопками SB1—SB3 устанавливают требуемое конечное напряжение разрядки аккумуляторов или аккумуляторных батарей от 1 до 7 В с шагом 1 В исходя из расчета 1 В на один элемент. На выходе второго ИОН кнопками SB4— SB9 устанавливают напряжение от 15 до 615 мВ, численно равное току зарядки или разрядки в миллиамперах с шагом установки 10 или 15 мА. Поскольку применены кнопки (SB1—SB9) с возвратом повторным нажатием, то для разрядки, например, аккумуляторной батареи из трех элементов током 240 мА необходимо «утопить» кнопки SB1 «1», SB2 «2», SB4 «15 мА», SB5 «25 мА», SB6 «50мА» и SВ8 «150мА».
Режим зарядки или разрядки устанавливают переключателем SA1, а индикация осуществляется узлом из ОУ DA1.1, который работает как компаратор напряжения, инвертора DD3.1 и светодиодов HL1 «Зар.» и HL2 «Разр.». В режиме зарядки плюсовая клемма аккумуляторной батареи через замкнутые контакты переключателя SA1 подключена к линии питания устройства +12 В. За счет разницы сопротивлений резисторов R14 и R15 напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1.1 примерно на 60 мВ меньше, чем на инвертирующем, поэтому на выходе этого ОУ образуется напряжение низкого логического уровня и при замкнутом ключе DD4.3 будет гореть светодиод HL1 зеленого цвета свечения. В режиме разрядки напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1.1 всегда больше, чем на инвертирующем, поэтому на его выходе будет напряжение высокого уровня, а на выходе инвертора DD3.1 — низкого и загорится светодиод HL2 красного цвета свечения.
На ОУ DA1.4 и полевом транзисторе VT5 собран стабилизатор тока зарядки или разрядки. Неинвертирующий вход ОУ DA1.4 соединен с выходом ИОН на транзисторах VT3, VT4. Ток через эти транзисторы, как уже сказано выше, устанавливают кнопками SB4—SB9. Диод VD10 служит для исключения разрядки подключенного аккумулятора (или батареи) в режиме зарядки при пропадании напряжения питания устройства.
На ОУ DA1.3 выполнен узел контроля подключения аккумуляторов к устройству. Контроль производится путем сравнения напряжения на стоке транзистора VT5 относительно напряжения на его истоке. Плохой контакт в цепи подключения аккумулятора или его отсутствие приводит к уменьшению напряжения сток—исток. Подобная ситуация может возникнуть не только в результате плохого контакта в цепи, но и при наличии неисправного, «усохшего» аккумулятора с недопустимо высоким внутренним сопротивлением, неспособного отдать или пропустить установленный ток. При уменьшении напряжения сток—исток до 0,1…0,15 В на выходе ОУ DA1.3 формируется напряжение высокого уровня, которое через диод VD6 поступает на вход R счетчика минут микросхемы DD1 — отсчет времени приостанавливается. Одновременно это напряжение через резистор R23 поступает на управляющий вход ключа DD4.4, где через диод VD11 модулируется импульсами с выхода S2 микросхемы DD1 с периодом следования 0,5 с. В результате светодиод HL3 «Нет тока» красного цвета свечения вспыхивает с частотой 2 Гц, сигнализируя о неисправности. После ее устранения вспышки светодиода HL3 прекращаются.
Автоматическое отключение режима разрядки происходит по сигналу с выхода ОУ DA1.2, который работает как компаратор. За счет положительной обратной связи через резистор R20 реализован гистерезис при его переключении.
Неинвертирующий вход ОУ DA1.2 через резистивный делитель напряжения R16R20 подключен к выходу первого ИОН на транзисторах VT1, VT2, а инвертирующий — через делитель R17R22 к плюсовой клемме аккумуляторной батареи. По достижении на батарее напряжения, установленного кнопками SB1—SB3, на выходе ОУ DA1.2 установится напряжение высокого уровня, которое через диод VD5 поступит на вход R счетчика минут микросхемы DD1. Отсчет времени разрядки при этом прекратится, а ее продолжительность (Тразр) отразится на индикаторе HG1. Зная ток разрядки (Iразр), можно определить емкость батареи (аккумулятора) в ампер-часах (А·ч): СА = ТразрIразp. Нажатием на кнопку SB 13 осуществляют принудительный возврат компаратора в исходное состояние.
По любому из сигналов остановки отсчета временного интервала — окончания зарядки, разрядки, отсутствия тока через аккумулятор — замыкается ключ DD4.1, транзисторы VT3, VT4 закрываются, ток через транзистор VT5 и аккумулятор (аккумуляторы) становится равным нулю, ключ DD4.3 размыкается и горящий светодиод HL1 (или HL2) гаснет.
Работают с устройством так. Сначала переключателем SA1 устанавливают режим работы, а кнопками SB1 — SB9 — число элементов в батарее (только для цикла разрядки) и требуемый ток. Подключают аккумуляторную батарею (аккумулятор) и подают питающее напряжение. Остается обнулить показания индикатора, для чего нажимают на кнопку SB13 «С» (сброс), затем на кнопку SB11 «Ч» до обнуления показаний часов. В режиме зарядки дополнительно в «будильнике» — при нажатой кнопке SB12 «Т» (таймер) — нажатием на кнопку SB 11 устанавливают требуемую ее продолжительность в часах, а при необходимости и в минутах — кнопкой SB 10 «М».
В устройстве применены резисторы С2-33, МЛТ, причем R3—R11 следует предварительно подобрать с допуском не более 1 %, а резисторы R2, R4, R6, R10 можно составить из двух, соединенных параллельно или последовательно. Для делителей R14R15, R16R20 и R17R22 резисторы отобрать попарно с тем же относительным отклонением в каждой паре или применить С2-29в с таким же допуском. Конденсатор С6 — К52, К53, С7 — импортные, остальные — керамические KM, K10-17. Микросхему К561ЛН2 можно заменить на CD4049B, К176ИДЗ — на К176ИД2, а КР1561КТЗ — на К561КТЗ или CD4066B. Микросхема LM324M, содержащая четыре ОУ, заменима на LM124N, LM224N, LM2902N или на аналогичные, но содержащие меньшее число ОУ в одном корпусе. Взамен полевых транзисторов КП103Е можно применить КП103Е1,транзисторов КП103К — КП103Л, КП103К1, КП103Л1. Основной критерий при замене полевого транзистора IRL530N — сопротивление открытого канала, оно должно быть не более 0,1 Ом при напряжении затвор—исток около 10 В, тип корпуса — ТО-126, ТО-220, DPAK, D2PAK.
Транзистор КТ3102А заменим на любой из серий КТ315, КТ312, КТ3102 с коэффициентом передачи тока не менее 100. Взамен диодов Д9Б можно применить германиевые диоды серий Д9, ГД507, ГД508 или маломощные выпрямительные с барьером Шотки, диоды КД521А заменимы на КД522, КД102, КД103 с любыми буквенными индексами. Критерий при замене диода Шотки 1N5817 — максимальный прямой ток не менее 1 А, обратный ток — не более 0,1 мА при напряжении 5 В. Светодиоды — любые маломощные соответствующего цвета свечения. Пятиразрядный индикатор АЛС328Б можно заменить четырьмя одноразрядными, например АЛС314В. Кнопки SB1—SB9 с возвратом при повторном нажатии — В4004, SPA-118A, SPA-118В или П2К, кнопки SB 10—SB 13 — ТС-0108 (TS-A4PS-130), переключатель SA1 — клавишный RLS-202-A1. Батарея GB1 — два «часовых» гальванических элемента по 1,5 В или один литиевый, например, CR1616, CR2032.
Большинство деталей размещены на двух универсальных макетных платах с отверстиями и медными площадками для пайки (рис. 2, рис. 3). Соединения выполнены луженым проводом диаметром 0,3 мм с изоляцией отрезками фторопластовой трубки. Платы установлены в пластмассовый корпус размерами 130x75x33 мм и встроенным отсеком для установки четырех аккумуляторов типоразмера АА. На лицевой панели закреплены переключатель, кнопки, светодиоды и цифровой индикатор. На верхней стенке закреплен теплоотвод шириной 33 и длиной 75 мм, на котором установлен полевой транзистор VT5, для него в стенке сделано окно (рис. 4). При монтаже следует обратить внимание на соединение резистора R11 с общим проводом, его следует выполнить отдельным проводом, идущим непосредственно к выводу резистора R27. Также отдельным проводом соединяют с резистором R27 вывод 2 ОУ DA1.4. Внешний вид устройства показан на рис. 5.
Налаживание устройства сводится к подборке резисторов R1 и R13 (без подключенного аккумулятора). Временно разрывают соединение резистора R1 и истока VT3 с ключом DD4.1. При нажатых кнопках SB 1—SB9 подборкой резистора R1 на стоке транзистора VT4 устанавливают напряжение, равное 615 мВ, а подборкой резистора R13 — напряжение 7 В на стоке VT2. Устройство готово к работе. Однако из-за наличия напряжения смещения нуля в ОУ ток через аккумуляторы может не соответствовать задаваемым значениям на величину 2…3 мА. Если этот эффект будет заметен на малых токах в 15 и 25 мА, при желании можно произвести дополнительное налаживание. Имеющийся аккумулятор ставят на зарядку током 15 мА. Между выводом стока транзистора VT4 и точкой соединения инвертирующего входа (вывод 2) ОУ DA1.4 с резистором R27 включают милливольтметр на пределе 20…200 мВ. Если напряжение на стоке VT4 окажется меньше (показания милливольтметра минусовые), то последовательно с инвертирующим входом ОУ DA1.4, а если больше, то последовательно с неинвертирующим входом (вывод 3) устанавливают подстроечный резистор 470 кОм. Изменяя его сопротивление, добиваются нулевых показаний милливольтметра, после чего взамен подстроечного резистора устанавливают постоянный соответствующего сопротивления.
С. ГЛИБИН, г. Москва
«Радио» №6 2009г.
