Схема. Автоматическое зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторных батарей

      Известно [1], что Ni-Cd аккумулятор считают заряженным, когда при подключенном зарядном устройстве (ЗУ) напряжение на нем равно 1,5 В. После отключения ЗУ напряжение быстро уменьшается примерно до 1,45…1,47 В. Перезарядка недопустима, поскольку это приводит к снижению срока службы аккумулятора.
      Нормальная зарядка аккумулятора возможна, если он разряжен до напряжения в пределах 1…1,1 В. При разрядке до напряжения ниже указанного уровня сокращается срок службы аккумулятора, а при более высоком значении проявляется эффект памяти. Таким образом, перед зарядкой необходимо убедиться в том, что аккумулятор разряжен до указанного выше напряжения. Примерное время зарядки вычисляют по формуле t=1,4C/110, где t — время зарядки, ч; С — емкость аккумулятора, мА ч, 110 — номинальный зарядный ток: 110=С/10, мА; 1,4 — поправочный коэффициент, учитывающий потери, поскольку во время зарядки часть энергии необратимо превращается в тепло. Следует помнить, что практически все современные Ni-Cd аккумуляторы созданы по более совершенной технологии, поэтому поправочный коэффициент для них — в пределах примерно от 1,1 до 1,2.

      Итак, как же сделать, чтобы по истечении зарядного цикла аккумулятор не перезарядился и автоматически отключился от ЗУ. Можно, например, рассчитать время, необходимое для зарядки аккумулятора, установить зарядный ток и подключить реле времени. Однако у такого решения есть негативные стороны. Как было указано выше, поправочный коэффициент для конкретного аккумулятора может немного отличаться, что приведет к неправильному расчету времени и, как следствие, к его недозарядке или перезарядке. Если аккумулятор не был полностью разряжен, ЗУ, реализующее такой метод, с большой вероятностью перезарядит его. Если же в процессе зарядки напряжение в питающей сети исчезнет, а потом опять появится, реле времени сбросит свои показания и начнет цикл заново, что опять приведет к гарантированной перезарядке. В конечном итоге срок службы аккумулятора заметно уменьшится.

      Рассмотрим другой вариант. Если ориентироваться на конечное значение напряжения на аккумуляторе 1,5 В, то можно контролировать не время, а напряжение на нем и в соответствии с этим отключать от зарядного устройства. Однако, как правило, одинаковых аккумуляторов не бывает и при зарядке батареи часть ее элементов окажется недозаряженными.
      Если снять зарядную характеристику батареи, можно обнаружить интересную особенность: при перезарядке напряжение на выводах аккумулятора уменьшается. Остается только проконтролировать факт уменьшения напряжения и дать команду на отключение ЗУ.

      Остановимся на этом подробнее. Разобьем процесс зарядки на три этапа. Первый этап — напряжение на аккумуляторной батарее (АБ) повышается до уровня 1,5 В на элемент. Длительность этого этапа составляет примерно 80…90 % от общего времени.
      Второй этап — напряжение на АБ становится больше 1,5 В на элемент. На этом этапе происходит самый загадочный процесс — некоторые аккумуляторы заряжаются, а некоторые испытывают небольшую перезарядку. Предсказать, каким будет напряжение на батарее в этот момент, практически невозможно. Все зависит от идентичности параметров аккумуляторов. Замечено, что чем больше различаются параметры, тем выше поднимается напряжение. В конце этого процесса аккумуляторы в АБ будут практически одинаково заряжены. Длительность этого этапа составляет примерно 10…20 % от общего времени.
      Третий этап — напряжение на АБ уменьшается и становится меньше 1,5 В на элемент. Зарядка окончена.

      Но что делать, если напряжение на третьем этапе не станет меньше 1,5 В на элемент. Такая ситуация весьма редко возникает при зарядке Ni-Cd, однако типична для Ni-MH аккумуляторов. Есть очень простой выход. Обычно второй этап для всех современных аккумуляторов длится не более двух часов (точнее 1…2 ч). Поэтому достаточно использовать таймер, отключающий ЗУ через два часа после начала второго этапа.
      Рассмотрим зарядку АБ от радиостанции Motorola GP1200, состоящей из шести аккумуляторов емкостью 1300 мА·ч. Ее номинальное напряжение, как и большинства батарей для радиостанций этой фирмы, равно 7,5 В. Следует учитывать и наличие встроенного в АБ защитного диода, включенного в зарядную цепь. Обычно падение напряжения на этом диоде составляет около 0,28 В. Рассчитаем параметры ЗУ для зарядки этой АБ.

      Номинальный зарядный ток 110=С/10=130 мА. Напряжение срабатывания компаратора 6·1,5=9 В. Прибавляем к этому значению падение напряжения на защитном диоде: 9+0,28=9,28 В.
      Поправочный коэффициент для АБ фирмы Motorola примерно равен 1,2. Максимальное время зарядки аккумулятора составляет
t=1,2С/110=1,2·1300/130=12ч.
Схема Автоматическое зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторных батарей 1
      Схема зарядного устройства показана на рис. 1. Устройство состоит из трех основных узлов: А1 — выпрямитель с удвоением напряжения и стабилизатор зарядного тока; А2 — компаратор, управляющий токозадающим триггером, и таймер зарядки; A3 — триггер, определяющий ток зарядки аккумулятора.

Основные достоинства предлагаемого автоматического ЗУ:
— легко повторяемо;
— собрано из доступных и недорогих элементов (стоимость микросхемы TL082—12руб.);
— обеспечивает практически идеальную зарядку, гарантирующую долгую работу батареи;
— имеет режим компенсации саморазрядки АБ;
— снабжено полной защитой, не может перезарядить уже полностью заряженную батарею;
— после нескольких зарядных циклов параметры аккумуляторов в батарее становятся близкими друг к другу;
— если на зарядку установлена не полностью разряженная батарея, ЗУ автоматически определит, сколько нужно дозаряжать АБ (часто пользоваться такой возможностью не рекомендую, поскольку начинает проявляться «эффект памяти» и, как следствие, емкость батареи уменьшится);
— просто в эксплуатации, достаточно включить ЗУ и иногда менять заряжаемые аккумуляторы.

      Если АБ (GB1) подключена к ЗУ, на выходе стабилизатора DA1 появляется стабильное напряжение 5 В. В результате включается светодиод HL3, сигнализирующий о подключении батареи к устройству. Этим же напряжением питают токозадающий триггер, собранный на транзисторах VT2—VT4. Из-за наличия конденсатора С6 напряжение на базе транзистора VT3 нарастает медленнее, чем на базе транзистора VT4. Транзистор VT4 открывается, резистор R14 подключается к стабилизатору тока DA1 и определяет зарядный ток на первом этапе. Следовательно, включается светодиод HL2, сигнализируя о начале зарядки.

      Когда напряжение на АБ достигнет значения 9,28 В, сработает компаратор DA2.1, что приведет к открыванию транзистора VT2. В результате напряжение на базе транзистора VT4 резко уменьшится и триггер переключится в другое устойчивое состояние: транзистор VT4 закрыт, а транзисторы VT2 и VT3 открыты. Это приводит к тому, что ток зарядки теперь определяется сопротивлением параллельно включенных резисторов R10 и R11. Нетрудно посчитать, что ток остался прежним. Естественно, в результате погаснет светодиод HL2 и загорится HL1, сигнализируя о втором этапе. Второй этап завершится падением напряжения на аккумуляторе, в результате которого компаратор DA2.1 опять переключится, погаснет светодиод HL1 и закроется транзистор VT2. Теперь зарядный ток определяется только сопротивлением резистора R11. Зарядка окончена.

      Как показывает практика, в результате многократных и практически идеальных зарядных циклов параметры аккумуляторов в АБ выравниваются и напряжение в конце второго этапа стремится к 1,5 В на элемент, иногда не превышая это значение. В этом случае компаратор, скорее всего, не сработает. Здесь в работу вступает таймер зарядки, собранный на ОУ DA2.2. Конденсатор С5 задает время (примерно два часа), через которое переключится таймер. По истечении этого времени транзистор VT2 закроется и, как было указано выше, ток зарядки, численно равный примерно 1/30 емкости АБ, будет определяться сопротивлением резистора R11. Такой небольшой ток лишь компенсирует саморазрядку батареи. Теоретически в этом режиме АБ может находиться бесконечно долго.

      Подстроечным резистором R3 устанавливают порог срабатывания компаратора DA2.1. Фактически компаратор питается от несимметричного двухполярного напряжения, порог его срабатывания — переход напряжения на инвертирующем входе через ноль. Компаратор рассчитан так, что нижний порог срабатывания примерно на 60 мВ меньше верхнего [2]. Это сделано, чтобы исключить «дребезг» в момент переключения транзистора VT2.
      Питают ЗУ от трансформатора, переменное напряжение на вторичной обмотке которого равно 12 В. На диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1, С2 собран выпрямитель с удвоением напряжения — на его выходе напряжение около 30 В, которого вполне достаточно для зарядки АБ из десяти аккумуляторов.
      Если необходимо заряжать АБ другой емкости и (или) с другим напряжением, параметры ЗУ легко пересчитать. Для этого понадобятся три параметра: емкость, число аккумуляторов в АБ и наличие (или отсутствие) защитного диода.

      Зная емкость, вычисляют номинальный зарядный ток. Исходя из числа аккумуляторов и наличия (или отсутствия) защитного диода, рассчитывают напряжение переключения компаратора. Возможно, придется подобрать резистор R2, чтобы подстроечным резистором R3 можно было регулировать порог срабатывания. И остается рассчитать сопротивление резисторов R10, R11, R14: R14=5/110; R11=4R14; R10=R11/3. Однако значения получаются не совсем стандартные, поэтому в ЗУ применены составные, параллельно соединенные резисторы: R14 — четыре параллельно соединенных резистора R11; R10 — три параллельно соединенных резистора R11. Рекомендую применить именно составные резисторы. Иначе, если будет больший разброс в номиналах, компаратор может не переключиться.
Схема Автоматическое зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторных батарей 2
      Устройство собрано на трех печатных платах (каждый узел на отдельной плате), чертежи которых показаны на рис. 2. Стабилизатор DA1 следует разместить на ребристом или штыревом теплоотводе площадью не менее 20 см2. В устройстве необходимо применять конденсаторы только указанной на схеме емкости. Сопротивление утечки конденсатора С5 — не менее 2 МОм.
      Перед налаживанием следует удалить перемычку S1. Затем подают на разъем Х1 напряжение от сетевого трансформатора. Вместо АБ подключают ее эквивалент. Сопротивление эквивалента батареи рассчитывают по формуле Rэкв=Ucp/110, где Ucp — напряжение переключения компаратора (9,28 В). В нашем случае эквивалентом АБ от радиостанции Motorola GP1200 служит резистор сопротивлением около 75 Ом и мощностью не менее 2 Вт. После установки эквивалента должен включиться светодиод HL3. Далее на конденсатор СЗ от внешнего регулируемого блока питания подают напряжение переключения компаратора (9,28 В) с соблюдением полярности: минусовой вывод подключают к левому по схеме выводу конденсатора СЗ, а плюсовой — к правому. Подстроенным резистором R3 устанавливают порог включения светодиода HL1. Затем следует проверить, что при плавном уменьшении напряжения от внешнего регулируемого блока питания с 9,28 до 9,2 В светодиод HL1 гарантированно гаснет.

      Далее проверяют работоспособность всего ЗУ. Для этого необходимо немного уменьшить напряжение от внешнего блока питания хотя бы на 1 В. В результате светодиод HL1 погаснет, конечно, если он светился. Затем отключаем эквивалент АБ. Светодиод HL3 должен погаснуть. Опять подключаем эквивалент. Загораются светодиоды HL2 и HL3. Светодиод HL3 сигнализирует о наличии аккумулятора в устройстве, а светодиод HL2 — о начале зарядки. Далее плавно увеличивают напряжение внешнего блока питания. При напряжении 9,28 В должен выключиться светодиод HL2 и включиться светодиод HL1, сигнализирующий о начале второго этапа.
      И наконец, осталось проверить таймер зарядки. Для этого между базой и эмиттером транзистора VT2 подключают вольтметр. Он должен показать напряжение около 0,7 В. Светодиод HL1 в это время включен. Через 2 ч ±20 мин показания вольтметра должны уменьшиться. Светодиод HL1 будет продолжать гореть. Но при зарядке АБ, как только напряжение база—эмиттер транзистора VT2 уменьшится, светодиод HL1 погаснет. Налаживание завершено. Отключите внешний регулируемый блок питания, эквивалент АБ и восстановите перемычку S1. Устройство готово к работе.

ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник по герметичным источникам тока. — С.-Пб.: Химиздат, 2000.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 1983.

Ю. ОСИПЕНКО, г. Уфа
«Радио» №11 2003г.

Похожие статьи:
Зарядные устройства Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов
Импульсное автоматическое зарядное устройство для ИБП
Автоматическое зарядное устройство для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи
‘Интеллектуальное’ зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторов
Автоматическое зарядное устройство
Автоматическое зарядно-разрядное устройство Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов
Схема зарядного устройства для трех пальчиковых аккумуляторов
Автоматическое зарядное устройство на 4 канала с функцией разрядки.
Простое зарядное устройство для автомобильных аккумуляторных батарей

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *