Автоматическое разрядно-зарядное устройство (АРЗУ) Ni-Cd батареи. Схема, описание

Бесплатная техническая библиотека

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Бесплатная библиотека / Схемы радиоэлектронных и электротехнических устройств

Автоматическое разрядно-зарядное устройство (АРЗУ) Ni-Cd батареи. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатная техническая библиотека

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

Комментарии к статье

Большое количество аппаратуры с автономными источниками питания, находящейся в эксплуатации у потребителя, требует от последнего затрат на батарейные источники питания. Гораздо выгоднее эксплуатировать Ni-Cd аккумуляторы, которые при правильном их использовании способны выдержать до 1000 циклов разряд-заряд. Однако к аккумуляторному блоку питания (АБП) необходимо дополнительно иметь и зарядное устройство, и тестер для быстрого определения годности элементов питания.

За последнее десятилетие в популярной радиотехнической литературе появилось немалое количество описаний автоматических зарядных устройств. Используя минимальные материальные и временные ресурсы, радиолюбитель разрабатывает и изготовляет полуавтоматические зарядные устройства. Они не соответствуют полному технологическому циклу по обслуживанию АБП или его отдельных элементов (далее изделие), утвержденному ГОСТом [1], не обеспечивают их полный заряд, а также надежную и долговременную эксплуатацию, особенно в тех случаях, когда заряд заканчивается по величине напряжения на выводах изделия. А как известно, систематический недозаряд приводит к уменьшению активности электродов и уменьшению емкости изделия. Указанный ГОСТ требует вначале разрядить изделие нормативным разрядным током до величины, при которой на элементе АБП будет напряжение 1 В, а затем заряжать током, равным десятой части его емкости в течение определенного времени. Указанные режимы позволяют заряжать АБП без риска накопления избыточного заряда, без риска недозаряда, без риска перегрева или взрыва.

Наиболее близко по выполняемым функциям предлагаемому устройство, описанное в [2], но в отличие от него оно выполнено на доступной элементарной базе, не требует настройки времязадающей цепи с помощью частотомера.

Автор предлагает устройство для элемента Д-0,55С и батареи из 10 шт. указанных элементов с номинальным напряжением 12 В, тем самым исключаются многопозиционные переключатели, уменьшаются габариты и стоимость АРЗУ. Для работы с любыми другими Ni-Cd изделиями описанное АРЗУ можно использовать, заменив несколько резисторов, определяющих разрядно-зарядные токи и измерительный делитель напряжения, установленный на входе узла сравнений напряжений.

АРЗУ обеспечивает следующие режимы:

разряд АБП до напряжения 10 В и элемента до 1 В;
автоматическое переключение из режима "разряд" в режим "заряд";
заряд изделия по времени;
автоматическое отключение изделия по окончании времени заряда;
индикацию всех режимов;
тестирование изделий в условиях нормированного разрядного тока по уровню заряда.

Основные параметры АРЗУ типа Д-0,55С:

Количество элементов.......10
Uном АБП.......12 В
Iзар.......50±5 мА
Iраз.......100±20 мА
tзар.......15±0,1 ч
Uраз.......10±0,2 В
Количество циклов разряд-заряд, не менее.......500...1000
Напряжение питающей сети.......220±15 В

По техническим условиям на аккумулятор заряд идет при температуре 20...30°С.

Принципиальная схема АРЗУ показана на рис.1.

(нажмите для увеличения)

АРЗУ состоит из силовой части зарядноразрядной цепи, выполненной на дискретных элементах, и схемы управления на микросхемах. Силовая часть (помимо трансформатора Т1 с диодным мостом VD1...VD4 и конденсатора фильтра С1) включает транзисторный ключ VT4 с разрядными резисторами R12, R15 и генератор тока на транзисторе VT3. Транзисторы VT1 и VT2 управляют соответственно работой разрядной и зарядной цепей. Резистор R12 определяет ток разряда АБП, а в случае подключения элемента ток разряда определяет резистор R15 при включенном переключателе SA2.1. Заряд изделия возможен при открытом ключе VT2, разряд - при закрытом ключе VT1. Диод VD8 запрещает утечку заряда с изделия после окончания процесса заряда, хотя небольшая утечка тока (~ 1 мА) идет через резисторы R19, R20.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора, выпрямленное диодным мостом и сглаженное конденсатором фильтра С1, поступает через разделительный диод VD10 на параметрический стабилизатор напряжения (резистор R26, стабилитрон VD14, транзистор VT7). С эмиттера последнего снимают напряжение (8,5 В) для питания микросхем. На выход этого стабилизатора подключены через резистор R27 два транзистора с комплементарной симметрией, образующие источник эталонного напряжения 1,25 В, необходимый для работы схемы сравнения напряжений. Требуемая величина этого напряжения задается на вход схемы сравнений потенциометром R23. Разряд АБП происходит через транзистор VT4, работающий в режиме ключа, и разрядный резистор R12 до напряжения 10 В, которое после делителя напряжения АБП на 10 (т.е. до 1 В) резисторами R19, R20 поступает на инверсный вход компаратора DA1.2. На прямой вход DA1.2 поступает от эталонного источника напряжение 1 В. На шине питания стабилизатора напряжения через диодную схему ИЛИ (диоды VD9 и VD10) логически суммируются напряжения от двух источников: выпрямленное и сглаженное напряжение вторичной обмотки трансформатора и напряжение АБП, благодаря чему при пропадании напряжения сети в течение цикла заряда АБП, заряд последнего прекращается, но время разряда, прошедшее до момента исчезновения напряжения сети, остается в памяти счетчиков таймера и памяти триггеров управления, так как их питание идет от заряжаемого АБП через диод VD9. При появлении напряжения сети заряд автоматически продолжается без нажатия кнопки ПУСК с учетом ранее наработанного времени заряда.

Схема управления разрядно-зарядной цепью включает компаратор DA1.2, триггерный формирователь счетных импульсов из напряжения сети - транзистор VT5, микросхему DA1.1 с резисторами R17, R18 в цепи положительной обратной связи и две схемы памяти - одна на DD1.1 и DD1.2, вторая на DD1.3 и DD1.4.

На вход формирователя счетных импульсов подают с обмотки трансформатора синусоидальное напряжение сети, а с его входа снимают нормированные временные импульсы с крутыми фронтами и спадами с периодом 20 мс. По спадам срабатывает таймер, задающий время заряда изделия. Таймер выполнен на двух параллельно включенных двоичных счетчиках - микросхемах на DD2 и DD3. Подсчитав определенное количество входных импульсов с периодом 20 мс за 15 ч, эти микросхемы выдают на трех выходах (VD11...VD13) единичные логические уровни. Схема совпадений на этих диодах срабатывает и в свою очередь выдает через диод VD6 лог."1" на вход "сброс" схемы памяти. Это сигнал окончания заряда изделия. Транзистор VT6, управляемый с выхода счетчика, где сигнал появляется с периодом 0,64 с, задает небольшой ток подсветки на светодиод HL3 "заряд". В процессе зарядки изделия при работающих счетчиках на нем видны неяркие вспышки, тем самым наряду с контролем тока заряда можно визуально контролировать работу таймера или выявлять его неисправность.

Назначение триггеров памяти следующее. Первый триггер на DD1.1, DD1.2 (триггер окончания разряда изделия) с момента его запуска кнопкой ПУСК будет хранить информацию о разряде изделия, после того как на выходе компаратора появится сигнал лог."1". Второй триггер DD1.3, DD1.4 (триггер окончания заряда изделия) с момента его запуска кнопкой ПУСК будет хранить информацию об окончании заряда изделия, после того как на выходе таймера появится сигнал лог."1".

В целом работа АРЗУ происходит следующим образом. Устанавливают в устройство батарею или элемент. Если устанавливают батарею, то необходимо проследить, чтобы переключатель SA2 был в исходном положении (вниз). Если устанавливают элемент, то необходимо включить SA2 вверх. Затем включают переключатель СЕТЬ. Контроль наличия сетевого напряжения - по индикатору HL1. При этом состояния триггеров управления неопределены и не исключена ситуация, когда напряжения с их выходов будут держать закрытым транзистор VT1 и открытым транзистор VT2. Это значит, что одновременно будут открыты разрядно-зарядные транзисторы VT4 и VT3. Однако кратковременно такой режим допустим, к аварии он не ведет - уменьшается разрядный ток изделия на величину зарядного тока.

После включения переключателя СЕТЬ сразу же нажимают кнопку ПУСК - устанавливают исходные состояния триггеров. Их состояния станут такими, что транзисторы VT1 и VT2 будут закрытыми, и на выходе 10 одного из триггеров - сигнал лог."1". Поданный на вход СБРОС счетчиков он блокирует их работу счетчики во время разряда изделия останутся сброшенными в нуль. Транзистор VT5 будет открытым, и счетный импульс формироваться не будет. Закрытые транзисторы VT1 и VT2 обеспечат открытие разрядного ключа VT4 и разряд изделия через резисторы R12 или R15. Когда напряжение разряжаемого нормированным нагрузочным током изделия сравняется с опорным напряжением 1 В, на выходе схемы сравнения сигнал лог."0" сменится на сигнал лог."1". Этот единичный сигнал изменит состояния выходов триггеров управления так, что триггер DD1.1, DD1.2 откроет транзистор VT1, а триггер DD1.3, DD1.4 откроет транзистор VT2. С этого момента запустится генератор зарядного тока на транзисторе VT3 и закроется разрядный ключ VT4. Начнется заряд изделия. Одновременно на выходе 10 второго триггера сигнал лог."1" сменится на сигнал лог."0", счетчики таймера и формирователь счетного импульса снимаются с блокировки, начнется отсчет времени заряда. Когда по прошествии 15-часового промежутка времени состояния выходов счетчика DD3 примут значение лог."1", второй триггер через диод VD6 будет возвращен в исходное положение, которое он имел после нажатия кнопки ПУСК: завершился разрядно-зарядный цикл. Это состояние схемы устойчиво, при этом все микросхемы и транзисторы не переключаются и потребляют минимальный ток. Об окончании разрядно-зарядного цикла судят по гашению светодиода ЗАРЯД. Теперь следует выключить переключатель СЕТЬ и снять изделие с устройства.

Возможна ситуация, когда сильно заряженное изделие с напряжением на элементе менее 1 В будет установлено в устройство. Тогда на выходе схемы сравнения сразу после установки изделия в устройство и включения переключателя СЕТЬ появится сигнал лог."1" и после нажатия кнопки ПУСК состояния триггеров будут определяться сигналом с выхода схемы сравнения, который установит оба триггера в состояние, при котором невозможен разряд (разряд произошел раньше у пользователя) и начнется 15-часовой заряд изделия, что соответствует нормальному укороченному технологическому циклу. Конец заряда, как обычно, закончится установкой второго триггера в исходное положение и гашением светодиода ЗАРЯД.

Светодиод HL4 и кнопка SB2 установлены для тестирования зарядного состояния изделия. Поскольку стандартом такие состояния изделия не установлены, их можно условно разделить на три группы. Изделия третьей группы, напряжение которых при нормированном нагрузочном токе менее 2 В (10 В для АБП), "плохие", разряженные, отличаются тем, что сразу после запуска АРЗУ они становятся на заряд (укороченный цикл). Изделия второй группы, напряжение которых больше 1 В (10 В), но меньше 1,15 В (11,5 В), "хорошие", они готовы еще работать, т.е. разряжаться и только после этого переходят на заряд. Здесь цикл "разряд-заряд" выдерживается полностью. Изделия первой группы "очень хорошие", их напряжение больше 1,15 В (11,5 В), они не требуют зарядки. После тестирования их можно отключить от устройства.

При установленном в АРЗУ изделии и включенном переключателе СЕТЬ после нажатия кнопки ПУСК и нагружения изделия нормированным разрядным током, следует нажать кнопку ТЕСТ. После этого изменяется опорное напряжение на прямом входе схемы сравнений напряжений с 1 до 1,15 В, и на выход схемы сравнений через нормально открытые контакты кнопки ТЕСТ подключается светодиод HL4 ЗАРЯД 80...100%. Если напряжение на изделии при нагружении его нормированным током больше опорного, на выходе схемы сравнения будет сигнал лог."0", и светодиод HL4 будет светиться. Такое изделие не следует разряжать-заряжать. Его можно отключить от АРЗУ. Если изделие не снимается с устройства, то после отпускания кнопки ТЕСТ следует повторно нажать кнопку ПУСК и оставить изделие на разряднозарядный цикл.

В конструкции применены держатель предохранителя ДВП4-1 и вставка плавкая ВП1-1 0,16 А, переключатели типа тумблер SA1 (СЕТЬ) и S2 (ВВЕРХ/ВНИЗ) - МТ3, кнопка SB1 (ПУСК) - КМ1-1, кнопка SB2 (ТЕСТ) - КМ2-1. Вместо указанных переключателей и кнопок можно использовать переключатели и кнопки П2К. При этом конструкция устройства меняется. Для подсоединения изделия к конструкции использованы малогабаритные сдвоенные гнезда МГК1-1 и штепсель МШ-1. Можно применять одиночные гнезда, например, ГИ1,2, и штепсели ШЦ1,2. Трансформатор - любой малогабаритный мощностью 3...5 Вт с напряжением на вторичной обмотке 22...23 В и током 65...100 мА. Можно применить трансформатор от электронных часов "Старт", выполненный на магнитопроводе ШЛМ 10х20 или трансформатор от блока питания БП2-3 калькулятора, перемотав вторичную обмотку на требуемое напряжение. Автор использовал трансформатор ТС-4-1 аФО.470003ТУ, добавив ко вторичной обмотке 100 витков провода ПЭВ-2 0,23. Сечение магнитопровода 10х15 мм2.

Все резисторы типа МЛТ. Подстроечные резисторы - СП3-38а. Конденсатор С1 - К50-35 40В 220 мкФ; С2 - КМ-6б-Н90 0,1 мкФ; С3 - К73-17в 63В 0,22 мкФ. Неполярные конденсаторы типов КЛС, КМ, КД. Вместо диодов КД522Б, указанных на схеме, можно использовать КД522А, КД521А,В,Г или КД103А,Б. Стабилитрон КС191Ж можно заменить на КС210Ж или двумя последовательно включенными стабилитронами КС147В,Г с минимальным током стабилизации 1 мА. Транзисторы КТ3102БМ с буквенными обозначениями В,Д,Е (b>200) или заменить их на КТ342А,Б. Транзистор КТ3107БМ с буквами Г,Е (b>120...220) или заменить на КТ352Б. Транзистор КТ817 можно использовать с буквами А...Г или заменить на КТ815А,Б,В и вместо КТ816 с буквами А,Б,В выбрать КТ814А,Б,В.

Все детали устройства, кроме установочных электроэлементов, органов управления и подключения проверяемого изделия, смонтированы на трех печатных платах из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Платы можно изготовить без "химии" - нарезать резаком. Элементы индикации (светодиоды и их резисторы) установлены на плате П1 (рис.2).