Схема. Автоматическое зарядное устройство на 4 канала с функцией разрядки.

Большое влияние на срок службы Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов оказывают режимы их эксплуатации. Неправильная эксплуатация приводит к значительному сокращению срока службы, иногда уже после нескольких десятков циклов «зарядка—разрядка». Так, использование простейших зарядных устройств без узлов контроля зарядки может привести к систематической перезарядке аккумуляторов. Например, контроль по времени зарядки нельзя считать достоверным, потому что, как правило, портативные питаемые устройства, такие как цифровые фотокамеры, разряжают аккумуляторы не полностью, поэтому вычислить необходимое время зарядки затруднительно.

Использование устройств ускоренной зарядки батареи аккумуляторов с отключением по спаду напряжения после достижения максимума (так называемый метод «-∆V») может отрицательно сказываться на её сроке службы, так как моменты максимумов напряжения разных аккумуляторов не совпадают по времени. Поскольку аккумуляторы имеют разброс ёмкости, одни из них оказываются недозаряженными, а другие перезаряжаются. Поэтому разработка зарядного устройства, позволяющего точно определить момент окончания зарядки каждого аккумулятора, является актуальной.

Ni-MH аккумуляторы, как и Ni-Cd, обладают «эффектом памяти», хотя и меньшим. Для предотвращения его возникновения необходимо через каждые 5…10 циклов проводить полную разрядку аккумулятора до напряжения 0,9 В [1]. Подробнее об «эффекте памяти» и его устранении можно прочитать в статье [2] и на сайте [3].

Метод «-∆V» получил большое распространение. Для Ni-MH аккумуляторов этот спад напряжения очень мал — 2,5…12мВ [1]. За рубежом выпускают различные микросхемы, реализующие этот метод. Об одной из таких микросхем и устройстве на её основе рассказано в [4]. Однако в таких устройствах, как правило, заряжаются несколько аккумуляторов, включённых последовательно. Близкий к нему метод «∆V=0″— отключение при отсутствии роста напряжения. Он пригоден для аккумуляторов, имеющих «аномальную» зарядную кривую без спада напряжения в конце зарядки. Однако и этот метод может привести к перезарядке аккумулятора, поскольку необходимо некоторое время, чтобы убедиться, что напряжение больше не растёт. В предлагаемом устройстве это время зависит от зарядного тока и варьируется от 9 мин при токе 0,6 С до 45 мин при токе 0,1 С (С — ёмкость аккумулятора). Такая перезарядка для аккумулятора безопасна.

Существует так называемый «inflexion метод» окончания быстрой зарядки [5]. Суть его в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум его производной по времени. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядки, когда аккумулятор ещё не успел сильно разогреться. После такой зарядки аккумулятор может отдать заряд до 90…95 % от своей ёмкости [3]. Для более полной зарядки после завершения быстрой фазы можно перейти на «капельную» дозарядку безопасным током (0,05…0,1 С).

В статье [6] описана схема зарядного устройства для четырех Ni-Cd аккумуляторов. В отличие от него, предлагаемое устройство имеет более высокий КПД за счёт применения импульсных ШИ стабилизаторов тока. Это позволило реализовать режимы быстрой зарядки аккумуляторов большей ёмкости (до 2700 мА·ч) без сильного нагрева элементов стабилизаторов. Другое отличие — применение более совершенных алгоритмов определения окончания зарядки.

Для определения окончания зарядки используется сразу несколько критериев, основным из которых является обнаружение момента спада производной напряжения на аккумуляторе. Вспомогательные критерии: спад напряжения с порогом -5 мВ от максимума и отсутствие роста напряжения на аккумуляторе в течение определённого времени. Аварийные критерии: ограничение времени зарядки и превышение определённой температуры.

Основные технические характеристики
Напряжение питания, В
номинальное …………………………………………………………7,5
максимальное ……………………………………………………….12
Максимальная потребляемая мощность, Вт …………………………….13
Номинальная ёмкость заряжаемого аккумулятора, мА-ч …………….800…2700
Зарядный ток …………………………………………………………………..0,1…0,6 С
Виды зарядного тока …………………………………………………………постоянный, прерывистый
Разрядный ток, А ……………………………………………………………..0,78
Максимально возможная перезарядка аккумулятора …………………0,3 С
Максимально допустимая температура аккумулятора, °С ……………45
КПД   при   зарядном   токе 1,62 А, %…………………………………….77

Зарядное устройство обеспечивает разрядку до 0,9 В с автоматическим переключением на зарядку выбранным током и автоматическим отключением, подсчёт в реальном времени отданного и принятого заряда, возможность выбора вида зарядного тока, отображение информации о состоянии каждого аккумулятора на индикаторе, задание режимов работы через меню.

Схема автоматического зарядного устройства показана на рис. 1. Основа устройства — 8-разрядный микроконтроллер DD1 ATmega32. Управление устройством осуществляют кнопками SB1—SB4, а его состояние отображает буквенно-цифровой ЖКИ HG1. Через разъём ХР1 осуществляют программирование микроконтроллера.
На микросхеме DA1 и конденсаторах С2—С5 собран стабилизатор напряжения питания +5 В. Дроссель L1 предотвращает проникновение помех от стабилизаторов тока в узлы управления. Аналоговая часть устройства запитана через помехоподавляющий фильтр L2C4—С8. На элементах DA2, R10, С9, С10 собран источник образцового напряжения +2,5 В для АЦП микроконтроллера DD1.

Устройство имеет четыре независимых канала зарядки-разрядки А1—А4, каждый из которых содержит импульсный понижающий преобразователь, узел разрядки с нагрузочным резистором, а также датчик температуры. Все каналы идентичны друг другу. Рассмотрим канал А1. Понижающий преобразователь работает на частоте 31,25 кГц и управляется ШИ сигналом, генерируемым микроконтроллером в режиме Fast PWM. Преобразователь собран на транзисторе 1VT4, диоде Шотки 1VD1, дросселе 1L1 и конденсаторах 1С1, 1СЗ, 1С4. Резистор 1R13 — нагрузка преобразователя в режиме холостого хода. Конденсатор 1С4 подавляет высокочастотные пульсации выходного, а 1С1 — входного напряжения, облегчая режим работы оксидных конденсаторов 1СЗ и С2 соответственно. Узел на элементах 1VT1 — 1VT3, 1R1 —1R4 обеспечивает крутые фронт и спад импульсов напряжения на затворе ключевого транзистора 1VT4. Резистор 1R4 ограничивает ток зарядки и разрядки ёмкости затвора 1VT4, защищая транзисторы VT2, VT3 от перегрузки по току. Методика расчёта понижающих преобразователей подробно описана в [7]. Рассчитать преобразователи на другой зарядный ток можно с помощью онлайн-калькулятора «Buck Converter» на сайте [8].

В контур стабилизации тока и ограничения напряжения включён микроконтроллер. Для этого на его АЦП подаётся сигнал с датчика тока — резистора 1R12, через усилитель на ОУ DA4.1 с коэффициентом усиления 16, который задан резисторами 1R14 и 1R15. Конденсаторы 1С5 и 1С6 подавляют импульсные помехи. Применение усилителя позволяет использовать датчик тока с малым сопротивлением, сохраняя высокий КПД импульсного преобразователя. Напряжение с аккумулятора 1G1 подаётся на АЦП микроконтроллера через фильтрующую цепь 1R9,1С2. Стабилитрон 1VD2 защищает вход АЦП от повышенного напряжения при отсутствии аккумулятора.

Узел разрядки выполнен на элементах 1VT5, 1R8, 1R10, 1R11. Резистор 1R10 предотвращает открывание транзистора 1VT5 во время инициализации и программирования микроконтроллера DD1, когда его порты находятся в высокоимпедансном состоянии. Резистор 1R8 ограничивает зарядный ток ёмкости затвора транзистора 1VT5, защищая порт микроконтроллера от перегрузки.
Узел защиты аккумулятора от перегрева содержит делитель напряжения (резистор 1R5 и термистор 1RK1), ОУ DA3.1 и обеспечивающую гистерезис цепь положительной обратной связи 1R6,1R7. При указанных на схеме номиналах элементов отключение аккумулятора происходит при его нагреве до +45 °С, а включение — при охлаждении до +37 °С.

При включении питания индикатор HG1 отображает символы ‾, так как устройство ожидает установки аккумуляторов. После установки аккумулятор проходит тестирование: на одну секунду подключается к нагрузке, а в конце разрядного импульса измеряется напряжение. Если оно меньше 0,8 В, аккумулятор ставится на предварительную зарядку током 0,1 С, которая продолжается не менее 10 мин и не более 30 мин, или пока напряжение на аккумуляторе не превысит 1,1 В, в это время индикатор отображает символ П. В противном случае зарядка прекращается, аккумулятор считается неисправным, что отображается символом Х. Если предварительная зарядка завершена корректно, устройство переводит канал в режим быстрой зарядки и отображает символ З.

В этом режиме ток увеличивается от 0,1 С до заданного значения со скоростью 5 мА/с. Если выбран режим зарядки прерывистым током, аккумулятор заряжается импульсами тока длительностью 1 с, между которыми следуют разрядные импульсы длительностью 5 мс. Подробнее об особенностях этого режима можно прочитать на сайте [3] в разделе «Нестационарные режимы заряда». В частности, прерывистый ток способствует выравниванию концентрации активных веществ в аккумуляторе. В своей практике работы с аккумуляторами автор использует именно этот режим зарядки.

Первые 10 мин после начала быстрой зарядки алгоритмы определения окончания зарядки заблокированы. Это сделано для предотвращения ложных отключений в начале зарядки из-за флуктуации напряжения на аккумуляторе. По истечении этого времени устройство отображает символ З и начинает измерять раз в минуту напряжение на аккумуляторе. Включаются алгоритмы определения окончания зарядки по методам «-∆V» и «∆V=0», a также начинает формироваться массив значений напряжения за последние 9 мин работы.

Для уменьшения помех и повышения точности перед измерением напряжения микроконтроллер выключает все ШИ стабилизаторы. Измерение напряжений производится в режиме АЦП «Noise Canceler» (подавление шумов) с последующей фильтрацией. Делается 64 выборки в течение 20 мс (период сетевого напряжения), после чего производится их усреднение, в результате микроконтроллер получает достоверные данные о значениях напряжения на аккумуляторах. По завершении накопления массива значений напряжения программа ищет момент достижения максимума производной напряжения. При этом с каждым измерением предыдущие значения в массиве сдвигаются на один элемент, а в освободившийся элемент помещается новое значение. Когда программа нашла искомый момент, аккумулятор ставится на «капельную» дозарядку током 0,1 С в течение часа, что отображается как ⌂.

В процессе зарядки постоянно контролируется температура аккумулятора. При превышении порога 45 ºС процесс прерывается и на индикаторе отображается tº. Другой критерий завершения зарядки — когда через аккумулятор пропущен заряд, соответствующий 1,3 его номинальной ёмкости, после чего выдаётся сообщение об ошибке в виде символа ®.
Если в меню включена предварительная разрядка, она разрешена при напряжении больше 1 В. К аккумулятору подключается нагрузка — резистор 1R11. Индикатор отображает символ P. После снижения напряжения до 0.9 В нагрузка отключается на 10 мин, индикатор отображает символ X. За это время напряжение на аккумуляторе обычно немного возрастает. Далее снова подключается нагрузка, и после повторной разрядки до 0,9 В аккумулятор выдерживается ещё 15 мин перед зарядкой, что необходимо для завершения химических процессов в аккумуляторе, в результате которых исчезает «эффект памяти».

Информация, отображаемая индикатором в основном режиме, показана на рис. 2, в режиме меню — на рис. 3. В основном режиме кнопка SB1 управляет каналом А1. После кратковременного нажатия на неё индикатор выводит информацию об аккумуляторе 1G1. Слева сверху — номер канала, снизу — примерный уровень заряда, справа сверху — заряд, отданный аккумулятором при разрядке, справа снизу — пропущенный заряд через аккумулятор при зарядке. Символ текущего процесса (зарядка или разрядка) мигает, что отображено на рисунке красными чёрточками. Аналогично кнопка SB2 управляет каналом А2, SB3 — A3, SB4 — А4. Отсутствующее значение ёмкости отображается как «—-«. Ёмкость до 99 мА·ч отображается в мА·ч, свыше этого значения — в А·ч. Для возврата к основному режиму необходимо повторно нажать на кнопку соответствующего канала, параметры которого отображаются.

Вход в меню выполняется нажатием и удержанием кнопки SB1 более секунды. В меню можно последовательно установить номинальную ёмкость аккумулятора, зарядный ток (от 0,1 С до 0,6 С), включить или отключить предварительную разрядку, выбрать постоянный или прерывистый зарядный ток. Выбор значения осуществляется кнопками SB2 и SB3, а переход к следующему пункту меню с сохранением выбранного значения — кнопкой SB4. Выход из любого пункта меню без сохранения последней настройки осуществляется нажатием на кнопку SB 1.
Устройство собрано на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 4). Расположение деталей показано на рис. 5. Через некоторые отверстия платы пропущены отрезки лужёного провода, припаянные к фольге с обеих сторон. Контактные площадки вокруг этих отверстий изображены на рис. 5 чёрным цветом. На плате установлены три перемычки: J1, J3 типоразмера 0805 и J2 типоразмера 1206. Вывод 38 микроконтроллера DD1 соединён с линией +5 В отрезком провода МГТФ, который припаян к предусмотренным для этого контактным площадкам возле корпуса микроконтроллера. На плате предусмотрены пазы для установки разъёма питания DS-210. При отсутствии разъёма напряжение питания подают на контактные площадки, как показано на рис. 5. Внешний вид платы с деталями показан на рис. 6 со стороны установки аккумуляторов, на рис. 7 — с обратной стороны.

Плата рассчитана на установку резисторов и керамических конденсаторов для поверхностного монтажа типоразмера 0805, стабилитронов в корпусе SOD-323, операционных усилителей в корпусе SO-14 и микроконтроллера в корпусе TQFP-44. Резистор R7 — — С2-23, резисторы 1R11—4R11 — импортные аналоги С2-23 с термостойким покрытием. Резисторы R8, R9, 1R5—1R7, 1R11, 1R12, 1R14, 1R15 и аналогичные в других каналах желательно использовать с допуском 1 %. От номиналов этих резисторов зависят точность измерения зарядного и разрядного тока и порог срабатывания защиты от перегрева. Каждый резистор 1R12—4R12 (датчик тока) составлен из двух параллельно соединённых резисторов по 0,1 Ома. Подстроечный резистор R6 3314G-1 фирмы Bourns. Конденсаторы С4 и С9 — танталовые для поверхностного монтажа. Остальные оксидные конденсаторы — импортные аналоги К50-35. Желательно использовать конденсаторы с низким ЭПС.

Транзисторы IRF9333 можно заменить на IRF9321. Можно также использовать другие переключательные р-канальные МОП-транзисторы с максимально допустимым током стока не менее 9 А и максимальным напряжением исток—сток не менее 20 В, с пороговым напряжением не более 3 В и сопротивлением открытого канала не больше 0,05 Ом. При этом может потребоваться корректировка рисунка печатной платы. Транзисторы ВС847В можно заменить любыми маломощными кремниевыми структуры n-p-п в корпусе SOT-23. Транзисторы ВС807 и ВС817 заменимы на любые комплементарные транзисторы с импульсным током коллектора не менее 600 мА. Транзисторы IRLML2502 можно заменить другими переключательными n-канальными МОП-транзисторами с током стока не менее 4 А, с пороговым напряжением не более 3 В и сопротивлением открытого канала не больше 0,1 Ом. Вместо диодов VS-30BQ040TR подойдут другие диоды Шотки с максимально допустимым прямым током не менее 3 А и обратным напряжением не менее 20 В. Для уменьшения тепловыделения желательно использовать диоды с минимальным прямым напряжением.

L1 — дроссель на магнитопроводе «гантель» от фильтра питания неисправной энергосберегающей лампы. Допустимо использовать дроссели с индуктивностью не менее 1 мГн. Дроссель L2 — типоразмера 1210. Дроссели 1L1 —1L4 намотаны на кольцевых магнитопроводах из распылённого железа марки 52 или 26 типоразмера Т60 проводом ПЭВ-2 диаметром 0,63 мм и содержат по 57 витков. Такие магнитопроводы можно извлечь из неисправных материнских плат и блоков питания компьютеров. По ссылке [9] можно скопировать бесплатную программу для расчёта дросселей на таких магнитопроводах. Также используют любые дроссели (1L1 — 1L4) с максимально допустимым током не менее 2,2 А.

Термисторы 1RK1—4RK1 — В57891-М. Их крепят к минусовым контактам 1X2— 4X2 аккумуляторных отсеков, как показано на рис. 8. Контакт изготавливают из лужёной жести. Термистор смазывают теплопроводящей пастой (например, КПТ-8), оборачивают полоской теплопроводной резины, снова смазывают этой пастой и зажимают «язычком» контакта. Плюсовые контакты 1X1—4X1 изготавливают из латуни или фосфористой бронзы. Экземпляр автора рассчитан на аккумуляторы типоразмера АА. Чтобы применить устройство для аккумуляторов других типоразмеров, можно установить в нём или снаружи аккумуляторные отсеки, рассчитанные на соответствующий типоразмер.

Программа для микроконтроллера написана на языке Си. Запись программы в микроконтроллер осуществляется с помощью программатора, совместимого с STK200/300 через 6-контактный разъём ХР1, установленный на плате. Биты конфигурации микроконтроллера должны быть установлены так, как указано в файле main.с программы. Неправильная установка этих битов может привести к неработоспособности микроконтроллера и невозможности его перепрограммирования по интерфейсу ISP.

При налаживании устройства устанавливают подстроечным резистором R6 желаемую контрастность индикатора HG1. Далее устанавливают пороги срабатывания узлов защиты аккумуляторов от перегрева, подбирая резисторы 1R5 и 1R7. При этом минусовый контакт аккумулятора нагревают, например, паяльником, а его температуру измеряют контрольным термометром с погрешностью изменений не хуже 1°. Эту операцию повторяют в каждом канале. Вид готового устройства в пластмассовом корпусе G1204B показан на рис. 9.

Прилагаемые файлы:   uzru.zip

ЛИТЕРАТУРА
1. Ридико Л. И. Немного о зарядке Ni-MH и Ni-Cd аккумуляторов. —   www.caxapa.ru/lib/charge_nimh.pdf
2. Степанов Б. Продлим «жизнь» Ni-Cd аккумуляторов. — Радио, 2006, № 5, с. 34, 35.
3. Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания. —   www.powerinfo.ru
4. «Интеллектуальное» зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторов. — Радио. 2001. № 1, с. 72.
5. ST6 — From Nickel-Cadmium To Nickel-Hydride Fast Battery Charger. —   www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00003825.pdf
6. Деменев М., Королёва И. «Интеллектуальное» зарядное устройство. — Радио, 2002, № 1,с.38.3Э,42.
7. Косенко С. Проектирование импульсного стабилизированного понижающего преобразователя. — Радио, 2005. № 9, с. 31—33.
8. Design of Switch Mode Power Supplies. —   www.schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html #Abw
9. Inductor Design Software. —   www.micrometals.com/downloads/MicroRelease_March2010.exe

А. МАЛЫШЕВ, г. Москва
«Радио» №№10-11 2012г.