Устройство для быстрой зарядки Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Зарядные устройства, аккумуляторы, гальванические элементы

 Комментарии к статье

Описываемое в статье устройство предназначено для ускоренной зарядки батарей Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов экспоненциально уменьшающимся током. К его достоинствам можно отнести возможность выбора времени зарядки в пределах от 45 мин до 3 ч, простоту изготовления и налаживания, отсутствие нагрева аккумуляторов в конце зарядки, возможность визуального контроля процесса зарядки, автоматическое восстановление процесса при отключении и последующем включении электропитания, удобство пользования. Устройство можно использовать в качестве стенда для снятия зарядно-разрядных характеристик аккумуляторов.

При зарядке большим неизменным током (0,5Е и более, где Е - емкость аккумулятора) аккумулятор начинает нагреваться после 75...80%-ного заряда, причем Ni-MH аккумуляторы нагреваются больше, чем Ni-Cd [1]. После полной зарядки аккумулятора температура ускоренно возрастает [1], и если этот процесс вовремя не остановить, то он завершается воспламенением или взрывом аккумулятора. Рекомендуемая температура прекращения зарядки - +45 °С [2]. Однако этот критерий годится только как аварийный: сочетание перезарядки с перегревом снижает емкость аккумулятора и, следовательно, сокращает срок его службы.

Достижение определенного напряжения на аккумуляторе также не является удовлетворительным критерием окончания процесса. Дело в том, что его значение, соответствующее полной зарядке, заранее неизвестно, так как зависит от температуры и "возраста" аккумулятора. Ошибка в несколько милливольт приводит к тому, что зарядка аккумулятора никогда не закончится или завершится слишком рано [3].

При зарядке неизменным током легко контролировать заряд - он прямо пропорционален длительности процесса. В частности, его величину можно установить равной номинальной емкости аккумулятора. Но с течением времени его емкость уменьшается и в конце срока службы составляет примерно 80 % номинала. Поэтому ограничение заряда номинальной емкостью не гарантирует отсутствия перезарядки и перегрева аккумуляторов и, следовательно, не может быть единственным критерием окончания зарядки.

Самый сложный критерий окончания процесса - момент, когда напряжение на аккумуляторе достигает максимума, а затем начинает уменьшаться. Максимальное напряжение на аккумуляторе соответствует полной зарядке, но в [2] показано, что оно является следствием нагрева аккумулятора в процессе восстановления заряда. Величина максимума очень мала, особенно у Ni-MH аккумуляторов (около 10 мВ), поэтому для его обнаружения применяют АЦП или преобразователи напряжения в частоту [2]. При зарядке батареи максимум напряжения разных ее элементов достигается в разное время, поэтому

желательно контролировать каждый из них отдельно. К тому же встречаются аккумуляторы с аномальной зарядной характеристикой, на которой этот максимум отсутствует. Иначе говоря, контроль только напряжения недостаточен, необходимо еще контролировать и температуру, и величину заряда, пропущенного через батарею.

Таким образом, при зарядке батареи большим неизменным током необходимо контролировать каждый ее элемент по нескольким критериям, что усложняет зарядное устройство. Лишь зарядка малым током (не более 0,2Е) не вызывает аварийного перегрева аккумуляторов даже при большой перезарядке. В этом случае состояние каждого элемента контролировать не нужно, зарядное устройство получается очень простым, но и недостаток его очевиден - длительное время зарядки.

Существуют зарядные устройства, в которых первоначально большой зарядный ток уменьшается с течением времени [4-6]. В этом случае также не нужно контролировать состояние каждого элемента батареи. Но в этих устройствах отсутствует контроль величины заряда, а в качестве критерия полной зарядки используется достижение определенного напряжения, что, как упомянуто выше, не является удовлетворительным.

В [7] описано зарядное устройство, в котором аккумуляторная батарея заряжается как конденсатор от источника неизменного напряжения через резистор. В этом случае зарядный ток теоретически должен уменьшаться с течением времени по экспоненте с постоянной времени, равной произведению эквивалентной емкости аккумулятора на сопротивление этого резистора. На практике же зависимость тока зарядки от времени отличается от экспоненциальной, так как эквивалентная емкость и выходное сопротивление источника изменяются в процессе зарядки. Но даже если пренебречь указанным отличием, то важнейший параметр - постоянная времени зарядки - неизвестен, вследствие чего невозможен контроль пропущенного через аккумулятор заряда. Поэтому зарядка оканчивается опять же по достижению определенного напряжения.

В предлагаемом устройстве ток зарядки в форме экспоненциально уменьшающегося импульса выбран потому, что его легко реализовать с помощью простейшей RC-цепи. Завершается он естественным образом, в результате чего отпадает необходимость в таймере, отключающем аккумуляторы по прошествии заданного времени, заряд ограничен, даже если аккумуляторы находятся в зарядном устройстве длительное время. Существенно, что ток зарядки вырабатывается генератором тока, поэтому его значение и форма не зависят ни от напряжения на аккумуляторах, ни от нелинейности их зарядных характеристик.

В процессе зарядки ток через аккумуляторы I экспоненциально уменьшается:

 I = I₀ехр(-t/T₀), (1)
где t - время; I₀ - начальный ток зарядки; Т₀ - постоянная времени зарядки.

При этом каждый аккумулятор получает заряд q, который оценивается выражением

 q = I₀Т₀[1 - ехр(-t/Т₀)] = (I₀ - I)T₀. (2)

Графики зависимостей I и q от времени t представлены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости I и q от времени t

Видно, что за время 3Т₀ заряд достигает значения 0,95I₀T₀ и далее приближается к значению I₀Т₀.

 Рекомендуется выбирать значения I₀ и Т₀ по формулам

 I₀ = nЕ, Т₀ = 1 ч/n, где n = 1, 2, 3, 4. (3)

Самое удобное значение n = 1. Начальный ток зарядки в этом случае равен электроемкости Е, время зарядки - 3 ч. (Практически можно оставить аккумуляторы в зарядном устройстве на ночь, и к утру они будут полностью заряжены). Если такое время зарядки слишком велико, значение п увеличивают. При n = 2 оно составит 1,5ч при начальном токе зарядки 2Е. Такой режим пригоден для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Увеличение п до 3 уменьшает время зарядки до 1 ч, но начальный ток зарядки возрастает до 3Е. Наконец, при n = 4 время зарядки сокращается до 45 мин, а начальный ток зарядки увеличивается до 4Е. Значения n, равные 3 и 4, допустимы для Ni-Cd аккумуляторов, так как их внутреннее сопротивление мало (менее 0,1 Ом). Что касается Ni-MH аккумуляторов, то их внутреннее сопротивление в несколько раз больше, поэтому большой ток может их разогреть в начале зарядки, что недопустимо. Значения n больше 4 применять не рекомендуется. Можно выбрать I₀ на 5% больше, чем определенный по формуле (3). Тогда точное время зарядки составит 3 ч/n, а дальнейшая 5%-ная перезарядка несущественна.

Принцип действия устройства иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2.

Конденсатор емкостью С1, предварительно заряженный до напряжения U₀, разряжается через усилитель тока А1 с входным сопротивлением Rin и коэффициентом усиления по току Кi. Ток во входной цепи усилителя Iin определяется выражением

Iin = U₀exp(-t/RinC1)/Rin. (4)

Ток в выходной цепи усилителя I = КiIin заряжает аккумуляторную батарею GB1:

 I = КiU₀ехр(-t/RinС1)/Rin = SU₀ exp(-t/RinС1), (5)
где S = Ki/Rin - крутизна усиления усилителя, если его рассматривать как преобразователь напряжения в ток. Сравнивая (2) и (5), имеем
 T₀ = RinC1, I₀ = KiU₀/Rin = SU₀. (6)

Удобно выбрать U₀ = 1 В, С1 = 1000 мкФ, тогда из (3) следует, что Rin = 3,6 МОм/n

 S = nЕ, Кi = SRin = 3600000E. (7)

Например, при Е = 1 Ач и n = 1 должны быть следующие параметры: Rin = 3,6 МОм, S = 1 А/В, Кi = 3600000 = 131 дБ.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 3. Усилитель тока собран на ОУ DA2.1 и транзисторах VT2 и VT3. Напряжение питания ОУ стабилизировано микросхемой DA1. Узел на транзисторе VT1 контролирует величину этого напряжения. Когда оно в норме, этот транзистор открыт, через обмотку реле К1 течет ток, контакты реле К1.1 замкнуты, светодиод HL1 светится, сигнализируя о нормальной работе устройства. Выключателем SA1 выбирают режим зарядки: постоянным током (когда его контакты замкнуты) или экспоненциально уменьшающимся (когда они разомкнуты). Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения. Напряжение на движке переменного резистора R3 определяет ток зарядки. В режиме "Постоянный" это напряжение через резистор R1 и замкнутые контакты реле К1.1 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Его выходной ток усиливается транзисторами VT2, VT3 и устанавливается таким, чтобы напряжения на резисторах R11 и R5 стали одинаковыми. Коэффициент усиления по току Ki = R5/R11 и при указанных на схеме номиналах примерно равен 10⁷, а крутизна преобразования напряжения в ток S = 1/R11 = 3 А/В.

Рис. 3. Принципиальная схема устройства

В режиме "Уменьшающийся" (контакты выключателя SA1 разомкнуты) конденсатор С2 емкостью 1000 мкФ разряжается через резистор R5 с постоянной времени, выбранной по формуле (3). Экспоненциально уменьшающийся ток через этот конденсатор усиливается ОУ DA2.1 и транзисторами VT2, VT3 и заряжает аккумуляторы, подключенные к разъему Х1 ("Выход"). Диод VD2 предотвращает их разрядку при отключении напряжения питания. Амперметр РА1 служит для контроля текущего значения тока зарядки. Конденсатор С5 предотвращает самовозбуждение устройства. Резисторы R4, R8-R10 - токоограничительные. Они защищают ОУ и транзистор VT2 в аварийных ситуациях, например, при обрыве резистора R11 или пробое транзистора VT3, предотвращая выход из строя остальных элементов.

При отключении питания в режиме зарядки уменьшающимся током транзистор VT1 закрывается и реле размыкает контакты К1.1, предотвращая дальнейшую разрядку конденсатора С2. Светодиод HL1 гаснет, сигнализируя об отключении питания. С восстановлением питания транзистор VT1 открывается, реле К1 замыкает контакты К 1.1 и зарядка аккумуляторов автоматически продолжается с того значения тока, при котором он был прерван. Светодиод HL1 снова загорается, сигнализируя о возобновлении зарядки. Нажатием на кнопку SB1 можно кратковременно прекратить зарядку при снятии зарядных характеристик. При этом конденсатор С4 предотвращает проникание сетевых наводок на вход ОУ.

Устройство собрано на универсальной печатной плате и размещено в корпусе размерами 310x130x180 мм. Аккумуляторы типоразмера АА размещают в желобе на верхней крышке корпуса. Контактные гнезда выполнены в виде отрезков ленты из луженой жести, которые прижимаются к аккумуляторам пружиной от стандартного отсека для элемента типоразмера АА. Через пружину ток не идет. Следует отметить, что имеющиеся в продаже пластмассовые отсеки пригодны лишь при токе, не превышающем 500 мА. Дело в том, что ток, протекающий через контактные пружины, разогревает их, при этом нагреваются и аккумуляторы. Уже при токе 1 А пружины нагреваются настолько, что расплавляют стенку пластмассового корпуса отсека, делая его дальнейшее использование невозможным.

Транзистор VT3 установлен на ребристом теплоотводе с площадью поверхности 600 см², диод VD2 - на пластинчатом теплоотводе площадью 50 см². Резистор R11 составлен из трех соединенных параллельно резисторов МЛТ-1 сопротивлением 1 Ом. Все сильноточные соединения выполнены отрезками медного провода сечением 3 мм², которые припаяны непосредственно к выводам соответствующих деталей.

ОУ К1446УД4А (DA2) можно заменить микросхемой К1446УД1А или другой из этих серий, но из двух ОУ нужно выбрать тот, у которого напряжение смещения меньше. Второй ОУ может быть использован в составе термочувствительного моста [8] для аварийного отключения аккумуляторов при их перегреве во время зарядки постоянным током (при зарядке уменьшающимся током перегрев аккумуляторов не наблюдался). В случае использования ОУ других типов следует иметь в виду, что в данной конструкции питание его однополярное, поэтому он должен быть работоспособен при нулевом напряжении на обоих входах.

Микросхема КР1157ЕН601А (DA1) заменима стабилизатором этой серии с индексом Б, а также микросхемой серии К1157ЕН602, однако у последней иная "цоколевка" [9].

Транзистор VT1 - любой из серии КП501, VT2 должен иметь статический коэффициент передачи тока базы h_21Э не менее 100. Транзистор КТ853Б (VT3) отличается тем, что его h_21Э превышает 1000. В качестве VT2, VT3 можно использовать транзисторы других типов, но общий коэффициент усиления по току должен превышать 100000.

Конденсатор С2, задающий постоянную времени зарядки Т₀, должен иметь стабильную емкость, необязательно равную указанной на схеме номинальной, так как требуемое значение Т₀ устанавливают при налаживании подбором резистора R5. Автор использовал оксидный конденсатор фирмы Jamicon с большим запасом по напряжению (в 25 раз).

Реле К1 - герконовое EDR2H1A0500 фирмы ЕСЕ с напряжением и током срабатывания соответственно 5 В и 10 мА. Возможная замена - реле отечественного производства КУЦ-1 (паспорт РА4. 362.900).

Амперметр РА1 должен быть рассчитан на максимальный ток зарядки (в авторском варианте применен прибор М4200 на ток 3 А). Предохранитель FU1 - самовосстанавливающийся MF-R300 фирмы BOURNS [10].

Налаживание устройства сводится к установке необходимого значения постоянной времени зарядки Т₀, выбранного по формуле (3). Сопротивление резистора R5 выбирают равным Rin по формуле (7), полагая, что емкость конденсатора С2 точно равна 1000 мкФ. Вместо аккумуляторов включают цифровой амперметр. Перед включением питания, как при зарядке аккумуляторов, так и при налаживании устройства, движок переменного резистора R3 переводят в нижнее (по схеме) положение и замыкают контакты выключателя SA1 (это необходимо для разрядки конденсатора С2). Затем включают питание и, перемещая движок резистора R3, устанавливают начальный ток I₀ около 1 А. Далее SA1 переводят в положение "Уменьшающийся". Через время Т₁ (примерно равное Т₀) измеряют ток I₁. Скорректированное значение сопротивления резистора R5* вычисляют по формуле R5* = R5[ln(I₀/I₁)]. В заключение устанавливают резистор R5 сопротивлением, равным этому скорректированному значению.

Аккумуляторы перед зарядкой необходимо разрядить до напряжения 1...1.1 В, чтобы исключить их перезарядку и проявление эффекта памяти [2]. Если при разрядке аккумуляторы нагрелись, то перед зарядкой их следует охладить до температуры окружающей среды (0...+30 °С [2]). Прежде чем подключать аккумуляторы к зарядному устройству, необходимо убедиться в том, что оно обесточено, движок резистора R3 находится в нижнем (по схеме) положении, a SA1 - в положении "Постоянный". Далее, соблюдая полярность, устанавливают аккумуляторы, включают питание и с помощью переменного резистора R3 устанавливают начальный ток I₀ по формуле (3). После этого переводят SA1 в положение "Уменьшающийся", и через время 3Т₀ аккумуляторы готовы к использованию.

Для питания устройства необходим источник напряжения от 8 до 24 В, можно нестабилизированного. Одновременно можно заряжать от одного до десяти элементов. Минимальное напряжение питания с учетом пульсаций должно составлять 2 В на элемент плюс 4 В (но в указанных пределах).

Устройство можно использовать в качестве стенда для снятия не только зарядных, но и разрядных характеристик аккумуляторов. В последнем случае исследуемый аккумулятор должен быть подключен к устройству в обратной полярности. Напряжение на его электродах необходимо постоянно контролировать вольтметром. Не следует допускать изменения его полярности, чтобы не вызвать аварийного разрушения аккумулятора. По этой причине не рекомендуется таким образом разряжать батарею из нескольких последовательно соединенных элементов, так как можно пропустить момент выхода из строя элемента с наименьшей емкостью.

Литература

1. Новые виды аккумуляторов ("За рубежом"). - Радио, 1998, №1, с. 48, 49.
2. battery-index.com
3. Немного о зарядке никель-кадмиевых аккумуляторов ("За рубежом"). - Радио, 1996, №7, с. 48,49.
4. Нечаев И. Ускоренная зарядка аккумуляторов. - Радио, 1995, №9, с. 52, 53.
5. Алексеев С. Зарядные устройства для Ni-Cd аккумуляторов и батарей. - Радио, 1997, №1, с. 44-46.
6. Долгов О. Зарубежное зарядное устройство и его аналог на отечественных элементах. - Радио, 1995, №8, с. 42, 43.
7. Дорофеев М. Вариант зарядного устройства. - Радио, 1993, №2, с. 12, 13.
8. Ткачев Ф. Расчет термочувствительного моста. - Радио, 1995, №8, с. 46.
9. Бирюков С. Микросхемные стабилизаторы напряжения широкого применения. - Радио, 1999, №2, с. 69-71.
10. Самовосстанавливающиеся предохранители MULTIFUSE фирмы BOURNS. - Радио, 2000, №11, c. 49-51.

Автор: М.Евсиков, г. Москва; Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Зарядные устройства, аккумуляторы, гальванические элементы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Польза белкового завтрака 14.01.2026

Правильное питание по утрам играет ключевую роль в поддержании здоровья и контроле веса. Многочисленные исследования подтверждают, что состав завтрака может влиять на аппетит в течение всего дня и качество употребляемой пищи. Австралийские ученые провели масштабный эксперимент, который показал, что употребление белковой пищи с утра помогает дольше чувствовать сытость и предотвращает переедание. В исследовании участвовали более 9 тысяч человек среднего возраста 46 лет. В период с 2011 по 2012 год специалисты анализировали рационы респондентов, оценивая долю основных макронутриентов. В среднем участники потребляли 43% углеводов, 31% жиров, 18% белков, 2% клетчатки и 4% алкоголя. Такой рацион позволил ученым проследить взаимосвязь между утренним приемом пищи и пищевым поведением в течение дня. Выяснилось, что участники, чей завтрак содержал недостаточное количество белка, ощущали повышенный аппетит в течение дня. Они ели больше, чем необходимо, и часто выбирали продукты с высоким со ...>>

Технология SmartPower HDR 14.01.2026

Ноутбуки стремительно развиваются в плане графики и мультимедийных возможностей, но яркие дисплеи с высоким динамическим диапазоном (HDR) часто становятся серьезной нагрузкой для аккумуляторов. Длительная работа с видео высокого качества или играми в HDR приводит к быстрой разрядке батареи, что ограничивает мобильность пользователей и снижает комфорт работы. Решить эту проблему призвана новая технология SmartPower HDR, разработанная совместно компаниями Samsung Display и Intel. Суть технологии заключается в динамическом управлении напряжением OLED-панелей. Чипсет ноутбука в реальном времени анализирует пиковую яркость каждого кадра и передает эти данные контроллеру дисплея, который оптимизирует подачу напряжения в зависимости от количества активных пикселей. В отличие от традиционных режимов HDR, где яркость часто фиксируется на максимальном уровне, SmartPower HDR адаптируется к конкретному контенту, что снижает энергопотребление без потери качества изображения. Технология позвол ...>>

Недосып существенно сокращает жизнь 13.01.2026

Сон является одной из самых фундаментальных потребностей человека. Он влияет на обмен веществ, работу сердца и мозга, иммунитет и общее самочувствие. Современный ритм жизни часто заставляет людей жертвовать сном ради работы, учебы или развлечений, но ученые предупреждают: регулярный недосып может иметь далеко идущие последствия для здоровья и долголетия. Исследователи из Орегонского университета здравоохранения и науки пришли к выводу, что сон менее семи часов в сутки связан с сокращением продолжительности жизни. По данным специалистов, хроническая нехватка сна не только вызывает усталость и снижение работоспособности, но и постепенно сказывается на здоровье органов и систем, увеличивая риски развития различных заболеваний. Для анализа ученые использовали обширную национальную базу данных США, сопоставляя показатели ожидаемой продолжительности жизни на уровне штатов с результатами опросов Центров контроля и профилактики заболеваний за период с 2019 по 2025 годы. Они учитывали мно ...>>

Случайная новость из Архива Эволюция уже учитывает урбанизацию 14.01.2017 Группа ученых под руководством Марины Альберти из Вашингтонского университета показали, что в урбанизированных экосистемах по сравнению с природными наблюдаются однозначные фенотипические изменения. Их статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences. Фенотипические изменения - это изменения в наблюдаемых признаках организма, таких, как его морфология, физиология и поведение. Урбанизация внесла свой вклад, в частности, в изменение размеров растений и животных. Например, у растения лагозерис священный (Crepis sancta), если оно произрастает в условиях города, семена значительно меньше и легче. Такие изменения закрепились в ходе эволюции, так как более легкие семена может переносить ветер в удачное для прорастания место - в городе, где много бетона и асфальта, таких мест гораздо меньше, чем в "естественных условиях", где семя может просто упасть вниз. В своем метаисследовании американские ученые собрали более 1600 подобных примеров и делают вывод о том, что планета вступила в эпоху антропоцена, а урбанизация уже ощутимо сказалась на ходе эволюционных изменений. "Мы уже живет на урбанизированной планете. И это влияет на то, каким будет наше будущее. Мы меняем ход эволюции на Земле, и урбанизация здесь играет важнейшую роль", - отмечают ученые.

Другие интересные новости:

▪ Умная подвеска Ford с защитой от выбоин

▪ О способности к учебе можно узнать по глазам

▪ Часы управляют телевизором

▪ Яблоки не потемнеют

▪ Трехмерная печать из глины

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Нормативная документация по охране труда. Подборка статей

▪ статья Укрытие населения в защитных сооружениях ГО. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Что регулирует движение товаров, капитала, уровень зарплат в обществе? Подробный ответ

▪ статья Агроном. Должностная инструкция

▪ статья Электронный балласт на дискретных элементах 20-ваттной компактной люминесцентной лампы фирмы OSRAM. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Распиновка для разных моделей мобильников. Часть 2. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026