Зарядное устройство для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов на микросхеме TEA1101. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

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

 Комментарии к статье

В статье описано "интеллектуальное" зарядное устройство зарубежного производства для ускоренной зарядки никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов, выполненное на микросхеме ТЕА1101 (Phillips), и его доработка с целью расширения возможностей.

Уже много лет в магазинах и на рынках можно встретить Ni-Cd (никель-кадмиевые) аккумуляторы и батареи, которые при соответствующих условиях эксплуатации выдерживают до 1000 циклов зарядки - разрядки. К недостаткам этих аккумуляторов относится так называемый "эффект памяти". Состоит он в том, что используемый аккумулятор необходимо доводить до состояния полной разрядки (около 1 В на аккумулятор) и только тогда начинать новый цикл зарядки.

Наряду с широко распространенными никель-кадмиевыми аккумуляторами появились и также широко стали применяться относительно новые - Ni-MH (никель-металлогидридные). При тех же габаритах, что и Ni-Cd, эти аккумуляторы имеют почти вдвое большую емкость. Естественно, они также дороги и не лишены недостатков. У Ni-MH аккумуляторов большое внутреннее сопротивление и малые значения пикового тока разрядки, поэтому они не предназначены для питания энергопотребляющих устройств, таких как электродрели, электроотвертки, компрессоры, пылесосы и т. д.

Вследствие неправильных методов зарядки "жизнеспособность" аккумуляторов сокращается до 30 %. Поврежденные аккумуляторы, в свою очередь, при утилизации наносят непоправимый ущерб окружающей среде. Следовательно, правильная и грамотная зарядка аккумуляторов принесет не только принципиальную финансовую экономию, но и окажет положительный экологический эффект.

Самые дешевые и самые простые устройства для зарядки аккумуляторов состоят из трансформатора, выпрямительного диода, токоограничивающего резистора и светодиода. Трансформатор понижает сетевое напряжение 220 В до 4...12 В, которое затем выпрямляет однополупериодный выпрямитель. Резистор ограничивает зарядный ток, а светодиод сигнализирует, что аккумулятор подключен к зарядному устройству. Устройства в основном производства азиатских стран с подобными или идентичными схемами нередко можно встретить в магазинах. Изготовление таких устройств не влечет накладных расходов, однако следует помнить, что они не защищают аккумуляторы от перезарядки. Уже через несколько циклов в аккумуляторах могут появиться необратимые изменения, сокращающие срок их службы.

Во время зарядки необходимо постоянно следить за током, поддерживая его на определенном уровне. Для сокращения времени зарядный ток увеличивают, он может достигать значения, численно равного 100 % емкости аккумулятора. Если при таких условиях не отследить момент полной зарядки, возможно накапливание газов внутри аккумулятора и увеличение давления вплоть до его механического повреждения и выхода из строя.

Степень заряженности можно контролировать, постоянно измеряя температуру корпуса аккумулятора. Этот метод основан на так называемом отрицательном температурном коэффициенте (около -1 мВ/°С) Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Зарядку прекращают при соответствующем значении температуры, которое рассчитывают для каждого конкретного случая. Однако этот метод не имеет широкого распространения, принимая во внимание трудности, которые возникают при попытках точного измерения температуры и необходимости ведения точных расчетов.

Есть еще один способ контроля полной зарядки аккумулятора, основанный на обнаружении уменьшения напряжения, в литературе его часто называют метод ΔV [1-6]. Он заключается в отслеживании изменения напряжения на выводах аккумулятора во времени и прекращении зарядки в момент достижения максимума характеристики. Именно этот метод - измерения знака ΔУ - и лежит в основе принципа работы устройства, о котором пойдет речь дальше.

Метод обнаружения максимума является сегодня самым точным способом определения момента окончания зарядки Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Напряжение на выводах аккумулятора при постоянном зарядном токе представляет собой монотонно возрастающую функцию. Когда аккумулятор полностью зарядится, он перестает запасать энергию, а возле плюсового электрода начинает накапливаться газ. Это приводит к быстрому повышению температуры и уменьшению напряжения на выводах аккумулятора. Специализированная микросхема (в описываемом зарядном устройстве ТЕА1101) через определенные интервалы измеряет текущее напряжение на заряжаемом аккумуляторе и сравнивает его с предыдущим измерением. Если результат сравнения принимает отрицательное значение, т. е. текущее напряжение меньше предыдущего, и подобное явление повторяется при нескольких десятках измерений - зарядное устройство переходит в режим консервативной зарядки током в пределах 1/20...1/80 от номинальной емкости аккумулятора. Консервативная зарядка не вызывает дальнейшего выделения газа в аккумуляторе и не причиняет ему вреда.

Значение ΔV, которое в состоянии измерить зарядное устройство, зависит от применяемой микросхемы, а точнее, от разрядности встроенного в нее аналого-цифрового преобразователя, преобразующего напряжение в цифровой код. В микросхеме ТЕА1101 число разрядов равно 12, что обеспечивает дискретность в 0,025 % от абсолютного значения напряжения. Этого достаточно для аккумуляторов обоих типов, в то время как, например, микросхема ТЕА1100 имеет всего лишь 10-разрядный АЦП, точности которого хватит только для работы с Ni-Cd аккумуляторами.

Схема "интеллектуального" зарядного устройства показана на рис. 1. Позиционные обозначения всех элементов соответствуют схеме фирмы-изготовителя.

Основа устройства - специализированная микросхема ТЕА1101 (DA1). Напряжение питания микросхемы стабилизирует стабилизатор VT3VD4R6R7 на уровне 8 В, однако она сохраняет работоспособность до напряжения 11,5 В. На вход IB (вывод 5) микросхемы поступает напряжение, пропорциональное зарядному току аккумулятора, с датчика тока - резистора R4, которое сравнивается с заданными значениями тока ускоренной и консервативной зарядки, определяемыми соответственно резисторами R13 и R12. В случае отклонения зарядного тока от заданного значения на выходе аналогового управления АО (вывод 2) возникает управляющее напряжение Если в зарядном устройстве применен линейный регулятор, то это напряжение поступает на регулирующий транзистор, который и осуществляет коррекцию. Однако в микросхеме ТЕА1101 есть встроенный широтно-импульсный модулятор и соответственно выход широтно-импульсного управления PWM (вывод 1).

Импульсное регулирование зарядного тока имеет все преимущества ШИ-регуляторов перед линейными - более высокий КПД, малое рассеивание мощности на регулирующем элементе и т. п. Описываемое зарядное устройство построено именно по принципу ШИ-регулирования, а аналоговый сигнал подан на узел управления VT4R16 - R18 двухцветным светодиодом HL2, по цвету и яркости свечения которого можно приблизительно судить о зарядном токе. Максимально яркое свечение красного светодиода означает, что аккумулятор заряжается ускоренно (транзистор VT4 максимально открыт). Плавный переход от красного через оранжевый цвет к зеленому говорит об уменьшении регулирующего напряжения и прикрывании регулирующего элемента. Яркое зеленое свечение наступает с момента перехода в режим консервативной зарядки.

К сожалению, подобная индикация не позволяет точно определить момент достижения полного заряда. Однако у микросхемы ТЕА1101 предусмотрен специальный выход LED (вывод 15) для управления светодиодом. Этот светодиод (HL1) в разные фазы зарядки ведет себя по-разному, тем самым предоставляя полную информацию о происходящих в зарядном устройстве процессах.Если светодиод не светится или светится очень слабо, возможно пульсирует с малым уровнем яркости, аккумулятор не подключен к зарядному устройству. Постоянно и ярко светит - идет ускоренная зарядка аккумулятора. Ярко мигает - аккумулятор полностью заряжен. Если при первом включении сигнализация такая же, как и при окончании зарядки, аккумулятор, скорее всего, вышел из строя и восстановлению не подлежит. Естественно, во всех этих ситуациях надо обращать внимание еще и на двухцветный светодиод, его свечение говорит о том, идет реально зарядка или нет.

Изначально промышленное устройство было предназначено для зарядки аккумуляторов или батарей, состоящих из двух или трех аккумуляторов емкостью 600...700 мА-ч. Однако это устройство можно подвергнуть несложной доработке, в результате которой его возможности существенно расширяются. Дело в том, что все параметры зарядного устройства можно задать путем подбора соответствующих элементов и питающего напряжения.

Ток режима быстрой зарядки рассчитаем по формуле

lfаst = R8 · Uref/(R4 · R13) = 3,9 · 10³ · 1,25/ /(0,27 · 27 · 10³) = 0,669А,

где Uref = 1,25 В - образцовое напряжение на выходе Rref (вывод 10).

Ток режима консервативной зарядки

lnorm = 0,1R8 · Uref/(R4 · R12 · P) = 0,1х х З,9 · 10³ · 1,25/(0,27 · 6,2 · 10³ · 4) = 0,073 А,

где Р - множитель, значение которого определяется подключением вывода 8 (PR) микросхемы ТЕА1101. Когда этот вывод соединен с выводом 6 (Us) микросхемы, Р = 1, если с выводом 16 (GND), - Р = 4, а при неподключенном выводе - Р = 2.

Таким образом, из приведенных соотношений видно, что, если на место R8 подключать резисторы разного сопротивления, можно заряжать аккумуляторы и батареи различной емкости С. В табл. 1 приведены расчетные значения сопротивления R8 и тока режимов быстрой и консервативной зарядки.

Кроме того, чтобы заряжать батареи с большим числом аккумуляторов, следует изменить коэффициент передачи резистивного делителя R14R15 на входе UАС микросхемы (вывод 7). В табл. 2 приведены шесть вариантов батарей, содержащих от одного до шести аккумуляторов. Учитывая, что максимальный ток быстрой зарядки для аккумуляторов емкостью 1000...1200 мА-ч должен быть примерно 1 А, а падение напряжения на регулирующем элементе и двух диодах составит около 2,5 В, необходимое напряжение источника питания при зарядке батарей, состоящих из четырех и более аккумуляторов, выбираем равным 18 В.

Схема доработанного варианта устройства показана на рис. 2.

Оценка минимально необходимого питающего напряжения для обеспечения того или иного зарядного тока проводилась весьма приблизительно, однако последующие эксперименты показали правильность расчетов.

Литература

1. Nachrustung von Ladenstationen fue NC-Akkuwerzeuge mit dem Ladecontroller TEA1101. - Funk Amateur, 2000, № 2, p. 164-167.
2. "Интеллектуальное" зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторов. - Радио, 2001 .№ 1.С.72.
3. Григорьев Б. Алгоритм быстрой зарядки аккумуляторов. - Радио, 2001, № 8, с. 38.
4. Boshboom W. Batteries recharge characteristics under TEA1101 charge management. Report No: NPO/AN9301.
5. Battery monitor for Ni-Cd and Ni-MH chargers. Philips Semiconductors - preliminary specification. Dec. 1992.
6. Inteligentna ladowarka akkumulatorow Ni-MH i Ni-Cd. - Radioelectronic Audio Hi-Fi-Video, 1998, № 7-8. s. 21-26.

Автор: В.Голутвин, г.Львов, Украина

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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Плата расширения X-NUCLEO-IDS01A4 13.02.2016 Новая плата расширения X-NUCLEO-IDS01A4 от STMicroelectronics позволяет добавить функцию беспроводной передачи данных в любой проект, разработка которого ведется на базе плат Nucleo c микроконтроллерами STM32. На плате X-NUCLEO-IDS01A4 установлен радиомодуль SPSGRF-868 с чип антенной, что полностью избавляет инженера от необходимости работы с высокочастотными компонентами. Плата выполнена в форм-факторе Arduino Shield, совместима с разъемами семейств MORPHO и Arduino UNO R3. Интерфейс с управляющим микроконтроллером осуществляется через линии SPI и GPIO. Разработчик может изменить некоторые линии GPIO путем перепайки резисторов на плате, специально предусмотренных для этих целей. На плате дополнительно установлена микросхема памяти M95640-R 64 Kbit serial SPI bus EEPROM, которая может быть использована, например, для хранения пользовательских настроек, связанных с использованием трансивера SPIRIT1. В связи с тем, что на плате использованы самые популярные и доступные разъемы с шагом 2,54 мм, X-NUCLEO-IDS01A4 легко подключить к плате собственной разработки или даже к беспаячным макетным платам для быстрого создания рабочего прототипа устройства. Невысокая цена платы расширения позволяет использовать ее не только в прототипах, но и в небольших производственных партиях. Плата X-NUCLEO-IDS01A4 поддерживается программным пакетом STMCube, включающим графический генераторо кода STM32CubeMX. Специальное программное расширение X-CUBE-SUBG1 позволяет быстро и просто создать работающий код беспроводного приемопередатчика для любого микроконтроллера STM32. Плата была протестирована производителем с платами NUCLEO-L053R8 и NUCLEO-F401RE, которые построены на базе микроконтроллеров с низким потреблением. Особенности X-NUCLEO-IDS01A4: Построена на базе модуля SPSGRF-868 (ETSI-certified); Совместима с библиотекой Spirit1 Library и с STM32Cube firmware; Примеры кода для NUCLEO-L053R8 и NUCLEO-F401RE; Интегрированный балун BALF-SPI-01D3 и чип-антенна; Память M95640-R 64 Kbit serial SPI bus EEPROM; Рабочее напряжений 1,8...3,6 В. Разработчикам ПО предлагается готовый проект беспроводной линии связи "точка-точка", который входит в программный пакет расширения X-CUBE-SUBG1 (для STM32Cube). Программное обеспечение работает на STM32 и включает в себя драйверы, которые реализуют радиоканал в диапазоне ниже 1 ГГц для SPIRIT1 и модуля SPSGRF-868 на его основе. ПО X-CUBE-SUBG1 построено на программной технологии STM32Cube чтобы облегчить переносимость между различными микроконтроллерами STM32. Программное обеспечение поставляется с примерами реализации коммуникационных протоколов P2P и WM-Bus, работающих на плате расширения X-NUCLEO-IDS01A4 при подключении к платам NUCLEO-F401RE или NUCLEO-L053R8. Протокол связи WM-Bus доступен только для платы X-NUCLEO-IDS01A4.

Другие интересные новости:

▪ Сайты узнают, что чувствуют посетители

▪ Телевизор вредит мозгу

▪ Беспроводный химический датчик

▪ Одежда разбрызгивается из спрея

▪ CAMM - новый стандарт оперативной памяти для ультрабуков

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Афоризмы знаменитых людей. Подборка статей

▪ статья Одет с иголочки. Крылатое выражение

▪ статья Почему дятел долбит дерево? Подробный ответ

▪ статья Свида белая. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Переговорное устройство из старых телефонов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Отгибающийся уголок. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026