Безопасное зарядное устройство

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

 Комментарии к статье

В предлагаемой конструкции акцент сделан на безопасность зарядки. Устройство проверяет правильность подключения аккумулятора, автоматически отключает его по окончании зарядки, прекращает зарядку при нагревании аккумулятора выше заданной температуры.

Известно, что даже алгоритм быстрой зарядки (током 1...2С, где С - емкость аккумулятора) предполагает длительность процесса зарядки 1...5 ч [1]. Трудно представить, что все это время за процессом будет вестись наблюдение. И это притом, что именно быстрая зарядка является наиболее опасной. Даже при небольшом несоблюдении режима возможен разрыв корпуса аккумулятора со всеми вытекающими последствиями. Существенно более безопасна стандартная зарядка током 0,1С, но она длится чересчур долго (до 14...16ч).

Описываемое устройство обеспечивает ускоренную зарядку (4...7 ч) одного Ni-Cd или Ni-MH аккумулятора емкостью от 250 до 1000 мАч. Широкий интервал тока зарядки отнюдь не способствует безопасности работы устройства из-за возможных ошибок пользователя при установке тока зарядки, поэтому предусмотрены различные способы защиты аккумулятора и самого зарядного блока. В результате получилось устройство, которое может показаться излишне сложным. Однако эта сложность окупится продленным сроком службы аккумулятора и спокойствием за противопожарную обстановку в квартире.

Возможность зарядки лишь одного аккумулятора обусловлена желанием обеспечить полную и, опять же, безопасную зарядку. Из технических характеристик устройства следует отметить "мягкий" режим ускоренной зарядки, автоматическое отключение аккумулятора после окончания зарядки, защиту от неверной полярности его подключения и от перегрева, индикацию режимов, звуковое оповещение об аварийном режиме и, наконец, довольно низкое напряжение питания (от 3,5 В), что в некоторых случаях может оказаться весьма желательным.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 1.

(нажмите для увеличения)

Его основная часть - стабилизатор тока - состоит из трех узлов: задающего стабилизатора напряжения и двух идентичных по схеме регуляторов тока. Основной регулятор (DA6.1, VT3) обеспечивает ток зарядки, равный 0,1С, и работает на протяжении всего цикла. Второй регулятор (DA6.2, VT4) - его можно назвать форсированным - выдает ток, равный 0,ЗС, и включается, когда напряжение на аккумуляторе больше 0,6 В, но не достигло 1,4 В. В это время работают оба регулятора и, будучи включенными параллельно, питают аккумулятор суммарным током 0,4С.

Ограничения на работу форсированного регулятора тока обусловлены следующим. Если аккумулятор сильно разряжен (напряжение на нем Uакк< 0,6 В), заряжать его большим током небезопасно, поэтому зарядка производится током 0,1С с участием только основного регулятора тока. Когда же напряжение Uакк достигает 1,4 В, форсированный регулятор отключается, так как это напряжение близко к предельному, и дальнейшую зарядку целесообразно производить стандартным током 0,1С. По достижении Uакк= 1,48 В отключается и основной регулятор - зарядка прекращается. При этом светодиод HL3 ("Зарядка") гаснет, a HL1 ("Зарядка окончена") загорается. Диоды VD1, VD2 предотвращают разрядку аккумулятора после прекращения зарядки.

Оба регулятора являются источниками тока, управляемыми напряжением. Управляющее напряжение (относительно плюсового провода питания) формируется задающим стабилизатором напряжения DA3 и регулируется переменным резистором R23 (им устанавливают необходимый ток зарядки в зависимости от емкости аккумулятора).

Особенность примененных в регуляторах тока ОУ КР1446УД1А [2] - способность работать при низких напряжениях питания (от 2,5 В при однопо-лярном), а главное, в том, что размах входных и выходных сигналов у них практически равен сумме напряжений питания. В нашем случае DA6.1 работает с входным напряжением, равным Us - UR25, где Us - положительное напряжение питания, a UR25 - падение напряжения на измерительном резисторе R25. Последнее, по сути, является "копией" управляющего напряжения (как известно, напряжения на обоих входах ОУ, охваченного ООС, совпадают с точностью до напряжения смещения нуля). Таким образом, при зарядном токе 25 мА (для аккумулятора емкостью 250 мА·ч) UR25 = 0,2 В. Это значит, что входное напряжение можетбыть всего на 0,2 В меньше положительного напряжения питания ОУ DA6.1. Распространенные ОУ допускают работу с входными напряжениями не более (Us - 1,5...2) В.

То же можно сказать и о выходных напряжениях. В процессе зарядки DA6.1 обеспечивает выходное напряжение, равное

Us - UR25 - UБЭ VT3, где UБЭ VT3 - прямое напряжение на эмиттерном переходе VT3 (0,6...0,8 В). Для прекращения работы регулятора тока ОУ обеспечивает напряжение, равное Us, закрывая, таким образом, транзистор.

Все сказанное выше относится и к форсированному регулятору на DA6.2. Выключаются оба регулятора транзисторами VT1 и VT2 соответственно (точнее, это делает VT1, так как открывшись, он шунтирует резисторы R21, R23, с которых подается напряжение на входы обоих ОУ).

В выключенном состоянии выходной ток регулятора не равен нулю, так как не равно нулю напряжение на резисторе R25. Тому две причины. Во-первых, отлично от нуля сопротивление канала открытого полевого транзистора VT1, поэтому и напряжение

UСИ VT1 составляет несколько милливольт. Вторая причина - напряжение смещения нуля ОУ DA6.1. В результате напряжение на резисторе R25 зависит от знака напряжения смещения нуля и равно UСИ VT1 ± UCM DA6.1. В данном случае лучше использовать ОУ КР1446УД1А, у него напряжение смещения не превышает ±3 мВ, поэтому в выключенном состоянии регулятор выдает небольшой остаточный ток 1...3 мА.

Точно так же ведет себя и форсированный регулятор тока. В результате после окончания зарядки стабилизатор тока поддерживает на аккумуляторе некоторое напряжение, препятствующее его разрядке за счет саморазрядки и тока утечки через цепи устройства. Причинить аккумулятору вред столь малый ток не может. Кроме того, такая особенность обеспечивает устройству стабильность при извлечении аккумулятора и поданном входном напряжении.

Ток, задаваемый основным регулятором, равен Uрег/R25, где Uрег - падение напряжения на резисторах R21+R23 (без учета напряжения смещения нуля ОУ DA6.1, его входного тока и тока утечки закрытого канала VT1).Uрег зависит от напряжения стабилизации DA3 (2,5 В) и коэффициента деления делителя напряжения R21-R23 (как отмечалось, оно отсчитывается от "плюса" питания). Ток, задаваемый форсированным регулятором, определяется аналогично.

Обратимся теперь ко второй части устройства, состоящей из формирователя образцовых напряжений, компараторов, в качестве которых использованы ОУ микросхем DA4, DA5, и логического узла.

Как видно из схемы, напряжение с аккумулятора подается на входы компараторов DA4.1-DA4.4 не непосредственно, а через резисторы R14, R16-R18, чтобы избежать повреждения ОУ при вставленном аккумуляторе и отключенном питании зарядного устройства. Резисторы на "образцовых" входах устраняют погрешность, вызванную входными токами ОУ (но не разностью входных токов). "Образцовый" вход ОУ DA4.3 такого резистора не имеет, так как от этого компаратора высокой точности не требуется.

Компаратор DA4.1 определяет момент отключения форсированного регулятора тока (при достижении напряжения на аккумуляторе 1,4 В), DA4.2 - момент окончания зарядки и выдает сигнал на отключение основного регулятора тока. Резистор R24, создающий положительную обратную связь, формирует небольшой (около 40 мВ) гистерезис, позволяющий избежать неустойчивого состояния компаратора после прекращения зарядки.

Компаратор DA4.3 выдает сигнал на включение форсированного регулятора тока, когда напряжение на аккумуляторе превысит 0,6 В, a DA4.4 "проверяет" правильность подключения аккумулятора: при неверной полярности регуляторы тока отключаются и пьезоэлектрический звонок НА1 выдает предупреждающий звуковой сигнал. Для определения полярности использована способность ОУ КР1401УД2А работать с входными напряжениями, меньшими напряжения питания отрицательной полярности.

Важная особенность описываемого устройства - контроль температурного режима заряжаемого аккумулятора. Он осуществляется с помощью датчика температуры DA2 и ОУ DA5.1. LM335Z - интегральный стабилизатор напряжения с линейной температурной характеристикой: его выходное напряжение увеличивается на 10 мВ при повышении температуры на каждый градус Цельсия. При температуре +25°С (298 К) выходное напряжение равно 2,98 В. При разогреве аккумулятора примерно до +33°С срабатывает компаратор DA5.1, зарядка прекращается, загорается светодиод HL2 ("Перегрев") и раздается звуковой сигнал (такой же, как и при неправильной полярности подключения аккумулятора).

Образцовые напряжения на компараторы поступают с формирователя, выполненного на DA1.

Логическое устройство на элементах микросхемы DD1 обрабатывает сигналы, поступающие с компараторов, управляет светодиодными индикаторами, звонком и регуляторами тока.

Вместо К1401УД2А в устройстве можно применить микросхему К1401УД2Б, а также ее зарубежный аналог LM124. КР1446УД1А заменима микросхемой этой серии с индексом Б или В, однако при этом не исключена ситуация, когда остаточный ток (после отключения регуляторов тока) либо будет слишком большим, либо его не будет вовсе. И то, и другое нежелательно. КР142ЕН19А можно заменить зарубежным аналогом TL431 в любом исполнении.

Кроме указанных на схеме, в устройстве допустимо использование полевых транзисторов серии КП303 с другими буквенными индексами, однако их напряжение отсечки должно быть не более 3 и, желательно, не менее 0,5 В. КТ814А могут быть заменены транзисторами этой серии с индексами Б, В. Экземпляр, который будет использоваться в форсированном регуляторе тока (VT4), должен иметь статический коэффициент передачи тока базы не менее 70 при токе эмиттера 300 мА. При соблюдении этого условия возможно применение транзистора серии КТ816. КТ3107А заменимы любыми из этой серии.

Диоды КД212 - с любым буквенным индексом. Светодиоды L-53LYD (желтого цвета свечения) и L-53LID (красного) фирмы Kingbright характеризуются малым рабочим током (светотехнические параметры нормированы при токе 2 мА) и могут быть заменены аналогичными с предельно допустимым прямым током не менее 7 мА. HL3 - любой светодиод зеленого цвета свечения. Пьезоэлектрический излучатель НА1 - НРМ14АХ фирмы JL World с встроенным генератором 3Ч (потребляемый ток - не более 7 мА).

Для установки зарядного тока (R23) рекомендуется использовать проволочный переменный резистор, например, ППЗ-40, ППЗ-41, а для установки образцовых напряжений (R3, R6, R11) - проволочные многооборотные СП5-2, СП5-3 и им подобные.

Детали зарядного устройства смонтированы на печатной плате, помещенной в пластмассовый корпус. Отсек для заряжаемого аккумулятора - открытый, в качестве контактов использованы контакты того же назначения от отечественного авометра М4317. Особое внимание необходимо уделить креплению термодатчика DA2 (рис. 2, поз. 4).

Микросхема LM335Z имеет пластмассовый "транзисторный" корпус КТ-26 (ТО-92). Его крепят плоской стороной к положительному контакту 2 аккумуляторного отсека через тонкий слой невысыхающей теплопроводящей пасты. Если между положительным выводом аккумулятора 1 и контактом 2 обеспечено низкое электрическое сопротивление, то и тепловой контакт будет хорошим. Необходимо помнить, что масса и площадь поверхности контакта и примыкающих к нему металлических частей должны быть как можно меньше. Это обеспечит меньшую потерю тепла "по пути" от аккумулятора к датчику и, следовательно, увеличит точность определения температуры. Именно с этой целью под головки винтов 6, крепящих контакт 2 к основанию 8, подложены шайбы 7 из диэлектрика. Датчик 4 "прихвачен" к контакту отрезком провода МГТФ 5 (его концы припаяны к контакту) и по периметру корпуса залит тонким слоем эпоксидного клея. Стенка корпуса 3 служит упором, ограничивая отгиб контакта 2.

При зарядке на транзисторе VT4 выделяется мощность до 1,5 Вт, поэтому он установлен вертикально на дюралюминиевой пластине размерами 20x30x0,8 мм.

На верхней стенке корпуса устройства расположены светодиоды HL1 - HL3 и переменный резистор R23, ручка управления которого снабжена круглой шкалой установки зарядного тока. В авторском варианте шкала проградуирована в значениях емкости (от 250 до 1000 мАч), так проще избежать ошибок в установке тока. Пьезоэлектрический звонок НА1 имеет небольшие размеры и жесткие выводы, поэтому установлен на плате без какого-либо дополнительного крепления.

Налаживание устройства начинают с калибровки термодатчика DA2. Вначале устанавливают на выводе 3 DA5.1 образцовое напряжение UT. Для этого подают на вход постоянное напряжение 4,5...5,5 В, измеряют температуру Т (в градусах Кельвина) в месте установки зарядного устройства и вычисляют образцовое напряжение Uoбр= Т/100, соответствующее этой температуре. Напомним, что температура в градусах Кельвина равна температуре в градусах Цельсия + 273. Затем измеряют реальное напряжение Uизм на выводе 2 DA2 (или, что то же самое, на одноименном выводе DA5.1) и рассчитывают сдвиг температурной характеристики DA2 по формуле Δ = Uoбр - Uизм . После этого резистором R3 устанавливают образцовое напряжение UT = 3,06 - Δ (с учетом знака сдвига).

Затем подстроенными резисторами R6 и R11 последовательно устанавливают образцовые напряжения 1,4 и 1,48 В соответственно (допустимое отклонение - не более ±0,02 В).

В заключение градуируют шкалу переменного резистора R23. Для этого к контактам аккумуляторного отсека подключают амперметр, подают на вход напряжение 4,5...5,5 В и поворотом движка резистора R23 добиваются тока, равного 25 мА. На шкале отметку, соответствующую этому значению тока, обозначают как 250 мА·ч. Аналогично калибруют отметки 350, 500, 750 и 1000 мА·ч.

Литература

1. Виноградов Ю. А. Радиолюбителю-конструктору: Си-Би связь, дозиметрия, ИК техника, электронные приборы, средства связи. - М.: ДМК, 1999.
2. Бирюков С. Применение микросхем серии КР1446. - Радио, 2001, № 8, с. 47.

Автор: М.Богданов, г.Саров Нижегородской обл.

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:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Экологический и медицинский вред от крабовых палочек 05.01.2024 Новые исследования специалистов из Калифорнийского университета США выявили серьезные последствия производства крабовых и рыбных палочек для окружающей среды и здоровья человека. Результаты научной работы подчеркивают не только необходимость срочных мер по снижению воздействия производства рыбных и крабовых палочек на окружающую среду, но и важность охраны здоровья общества от негативных последствий этого процесса. Производство этих лакомств сопровождается загрязнением атмосферы, вызванным судами-контейнеровозами, транспортирующими рыбу к местам переработки. Заводы, производящие рыбные и крабовые палочки, а также искусственное крабовое мясо "сурими", используют дешевое, низкосортное топливо, выбрасывая в атмосферу большое количество диоксида серы. Экологи считают, что судоходство вносит серьезный вклад в экологическую проблематику. Однако ученые выражают надежду на уменьшение выбросов в атмосферу после введения новых нормативов в области судоходства. Однако воздействие этой проблемы ощущается не только на уровне экосистемы, но и здоровья человека. Высокая концентрация вредных веществ может вызывать сердечно-сосудистые и онкологические заболевания у населения.

Другие интересные новости:

▪ Гибридный кроссовер BMW Concept XM

▪ Серия светодиодов с голубым цветом свечения

▪ В Амстердаме запретят бензиновые и дизельные машины

▪ Цемент из растений

▪ 450-мм пластины и литография жесткого ультрафиолета

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Гирлянды. Подборка статей

▪ статья Вешалка для инструмента. Советы домашнему мастеру

▪ статья Как русский князь Мстислав Владимирович стал правителем касогов? Подробный ответ

▪ статья Дизайнер-визуализатор. Должностная инструкция

▪ статья Трехуровневый индикатор напряжения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Дистанционный выключатель на основе УЗО. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026