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:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива Серверы Fujitsu Primergy на базе процессоров Intel Xeon E5 v4 06.04.2016 Компания Fujitsu объявила о полном обновлении своей линейки двухпроцессорных серверов Primergy, начиная с напольных серверов и заканчивая вычислительными узлами для высокопроизводительных кластеров. Новая линейка Primergy включает классические напольные серверы, стоечные серверы, блейд-серверы, компактные серверные узлы для кластеров и специализированные стоечные модели для поставщиков услуг и компаний, предоставляющих услуги хостинга. В целом компания обновила следующие системы: Primergy RX2510 M2, RX2530 M2, RX2540 M2 и RX2560 M2; Primergy TX2560 M2; Primergy BX2560 M2 и BX2580 M2; Primergy CX2550 M2 и CX2570 M2. Благодаря новым процессорам семейства Intel Xeon E5-2600 v4 и технологии памяти DDR4 с частотой до 2400 МГц новое поколение двухпроцессорных серверов Primergy, по оценкам Fujitsu, обеспечивает увеличение производительности примерно на 20% по сравнению с предыдущим поколением. Пользователи систем Fujitsu Primergy смогут уменьшить энергозатраты на охлаждение систем благодаря технологии Cool-safe Advanced Thermal Design разработки Fujitsu, которая поднимает уровень безопасной рабочей температуры с 40 °C до 45 °C для большинства стоечных, напольных систем и систем с горизонтальным масштабированием. В свою очередь, поддержка технологии Trusted Platform Module (TPM) 2.0 позволит обеспечить защиту ИТ-инфраструктуры от атак злоумышленников, так как системы способны выполнять проверку коммуникаций и управлять процессом шифрования данных. Стоечные системы Primergy RX представляют собой универсальные серверы, оптимизированные для стоечных шкафов ЦОД, которые обеспечивают должные показатели производительности и энергоэффективности. Низкие показатели частоты отказов делают их оптимальным решением для запуска сервисов, которые имеют критическое значение для бизнеса (например, системы управления предприятием на производстве или ключевые бизнес-приложения). Ориентируясь на потребности поставщиков сервисов и компаний, предоставляющих услуги хостинга, Fujitsu также выпустила модель Primergy RX2510 M2. Напольные системы Primergy TX являются экономически эффективными серверами, предназначенными для эксплуатации в офисных средах. При простоте использования ими могут управлять сотрудники, не имеющие специальных технических навыков. А благодаря низкому энергопотреблению и тихой работе двухпроцессорные системы TX подойдут для требовательных офисных сред, включая филиалы компаний и медицинские учреждения. Все системы TX в качестве стандарта поддерживают технологию Trusted Platform Module 2.0, что обеспечивает защиту оборудования и важных корпоративных данных. Блейд-системы Primergy BX являются базовыми модулями для создания конвергентных ИТ-инфраструктур. Созданные на основе модульной архитектуры блейд-системы демонстрируют высокие показатели плотности размещения и масштабируемости. Это помогает компаниям упростить свои инфраструктуры, сократить расходы и повысить гибкость работы. Системы горизонтального масштабирования Primergy CX специально разработаны для облачных сред, высокопроизводительных компьютерных вычислений и комплексных расчетов, включая стандартные рабочие нагрузки научных организаций, например, университетов и исследовательских институтов. Благодаря технологии Cool-safe Advanced Thermal Design, которая обеспечивает работу при температуре до 45 °C, системы CX снижают требования к вентиляции центров обработки данных и, как результат, позволяют сократить расходы на охлаждение.

Другие интересные новости:

▪ Протей - материал, который невозможно разрезать

▪ Производство LED-ламп увеличивается

▪ Робот-паук

▪ Двухфотонный метод позволил увеличить точность наноразмерных измерений в сто раз

▪ Стиральная машина для людей будущего

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Биографии великих ученых. Подборка статей

▪ статья Авогадро Амедео. Биография ученого

▪ статья Где жили золотые звери, птицы и бабочки? Подробный ответ

▪ статья Плотник. Должностная инструкция

▪ статья Доработки трансивера RA3AO. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Автоматическое разрядно-зарядное устройство для аккумуляторных батарей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025