Автоматическое зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторных батарей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

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

 Комментарии к статье

В предлагаемой вниманию читателей статье описано автоматическое зарядное устройство, которое, по мнению автора, практически идеально заряжает Ni-Cd аккумуляторные батареи. Кроме того, с его помощью можно заряжать и Ni-MH батареи. В авторском варианте устройство рассчитано на зарядку аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 7,5 В и емкостью 1300 мА-ч радиостанции Motorola GP1200. Для всех желающих повторить этот прибор для зарядки, других батарей приведены формулы расчета основных элементов.

Известно [1], что Ni-Cd аккумулятор считают заряженным, когда при подключенном зарядном устройстве (ЗУ) напряжение на нем равно 1,5 В. После отключения ЗУ напряжение быстро уменьшается примерно до 1,45.-1,47 В. Перезарядка недопустима, поскольку это приводит к снижению срока службы аккумулятора.

Нормальная зарядка аккумулятора возможна, если он разряжен до напряжения в пределах 1 ...1,1 В. При разрядке до напряжения ниже указанного уровня сокращается срок службы аккумулятора, а при более высоком значении проявляется эффект памяти. Таким образом, перед зарядкой необходимо убедиться в том, что аккумулятор разряжен до указанного выше напряжения.

Примерное время зарядки вычисляют по формуле t=1,4С/I10, где t - время зарядки, ч; С - емкость аккумулятора, мАч; I10 - номинальный зарядный ток: 110=С/10, мА; 1,4 - поправочный коэффициент, учитывающий потери, поскольку во время зарядки часть энергии необратимо превращается в тепло. Следует помнить, что практически все современные Ni-Cd аккумуляторы созданы по более совершенной технологии, поэтому поправочный коэффициент для них - в пределах примерно от 1,1 до 1,2.

Итак, как же сделать, чтобы по истечении зарядного цикла аккумулятор не перезарядился и автоматически отключился от ЗУ Можно, например, рассчитать время, необходимое для зарядки аккумулятора, установить зарядный ток и подключить реле времени. Однако у такого решения есть негативные стороны. Как было указано выше, поправочный коэффициент для конкретного аккумулятора может немного отличаться, что приведет к неправильному расчету времени и, как следствие, к его недозарядке или перезарядке. Если аккумулятор не был полностью разряжен, ЗУ, реализующее такой метод, с большой вероятностью перезарядит его. Если же в процессе зарядки напряжение в питающей сети исчезнет, а потом опять появится, реле времени сбросит свои показания и начнет цикл заново, что опять приведет к гарантированной перезарядке. В конечном итоге срок службы аккумулятора заметно уменьшится.

Рассмотрим другой вариант. Если ориентироваться на конечное значение напряжения на аккумуляторе 1,5 В, то можно контролировать не время, а напряжение на нем и в соответствии с этим отключать от зарядного устройства. Однако, как правило, одинаковых аккумуляторов не бывает и при зарядке батареи часть ее элементов окажется недозаряженными.

Если снять зарядную характеристику батареи, можно обнаружить интересную особенность: при перезарядке напряжение на выводах аккумулятора уменьшается. Остается только проконтролировать факт уменьшения напряжения и дать команду на отключение ЗУ.

Остановимся на этом подробнее. Разобьем процесс зарядки на три этапа. Первый этап - напряжение на аккумуляторной батарее (АБ) повышается до уровня 1,5 В на элемент. Длительность этого этапа составляет примерно 80...90 % от общего времени.

Второй этап - напряжение на АБ становится больше 1,5 В на элемент. На этом этапе происходит самый загадочный процесс - некоторые аккумуляторы заряжаются, а некоторые испытывают небольшую перезарядку. Предсказать, каким будет напряжение на батарее в этот момент, практически невозможно. Все зависит от идентичности параметров аккумуляторов. Замечено, что чем больше различаются параметры, тем выше поднимается напряжение. В конце этого процесса аккумуляторы в АБ будут практически одинаково заряжены. Длительность этого этапа составляет примерно 10...20% от общего времени.

Третий этап - напряжение на АБ уменьшается и становится меньше 1,5 В на элемент. Зарядка окончена.

Но что делать, если напряжение на третьем этапе не станет меньше 1,5 В на элемент. Такая ситуация весьма редко возникает при зарядке Ni-Cd, однако типична для Ni-MH аккумуляторов. Есть очень простой выход. Обычно второй этап для всех современных аккумуляторов длится не более двух часов (точнее 1...2 ч). Поэтому достаточно использовать таймер, отключающий ЗУ через два часа после начала второго этапа.

Рассмотрим зарядку АБ от радиостанции Motorola GP1200, состоящей из шести аккумуляторов емкостью 1300 мАч. Ее номинальное напряжение, как и большинства батарей для радиостанций этой фирмы, равно 7,5 В. Следует учитывать и наличие встроенного в АБ защитного диода, включенного в зарядную цепь. Обычно падение напряжения на этом диоде составляет около 0,28 В. Рассчитаем параметры ЗУ для зарядки этой АБ.

Номинальный зарядный ток I10=0/10=130 мА. Напряжение срабатывания компаратора 6-1,5=9 В. Прибавляем к этому значению падение напряжения на защитном диоде: 9+0,28=9,28 В.

Поправочный коэффициент для АБ фирмы Motorola примерно равен 1,2. Максимальное время зарядки аккумулятора составляет t=1,20/I10=1,2-1300/130=12ч.

Схема ЗУ показана на рис. 1.

(нажмите для увеличения)

Устройство состоит из грех основных узлов: А1 - выпрямитель с удвоением напряжения и стабилизатор зарядного тока; А2 - компаратор, управляющий токозадающим триггером, и таймер зарядки; A3 - триггер, определяющий ток зарядки аккумулятора.

Основные достоинства предлагаемого автоматического ЗУ:

• легко повторяемо;
• собрано из доступных и недорогих элементов (стоимость микросхемы TL082- 12 руб.);
• обеспечивает практически идеальную зарядку, гарантирующую долгую работу батареи;
• имеет режим компенсации саморазрядки АБ;
• снабжено полной защитой, не может перезарядить уже полностью заряженную батарею;
• после нескольких зарядных циклов параметры аккумуляторов в батарее становятся близкими друг к другу;
• если на зарядку установлена не полностью разряженная батарея, ЗУ автоматически определит, сколько нужно дозаряжать АБ (часто пользоваться такой возможностью не рекомендую, поскольку начинает проявляться "эффект памяти" и, как следствие, емкость батареи уменьшится);
• просто в эксплуатации, достаточно включить ЗУ и иногда менять заряжаемые аккумуляторы.

Если АБ (GB1) подключена к ЗУ, на выходе стабилизатора DA1 появляется стабильное напряжение 5 В. В результате включается светодиод HL3, сигнализирующий о подключении батареи к устройству. Этим же напряжением питают токозадающий триггер, собранный на транзисторах VT2-VT4. Из-за наличия конденсатора С6 напряжение на базе транзистора VT3 нарастает медленнее, чем на базе транзистора VT4. Транзистор VT4 открывается, резистор R14 подключается к стабилизатору тока DA1 и определяет зарядный ток на первом этапе. Следовательно, включается светодиод HL2, сигнализируя о начале зарядки.

Когда напряжение на АБ достигнет значения 9,28 В, сработает компаратор DA2.1, что приведет к открыванию транзистора VT2. В результате напряжение на базе транзистора VT4 резко уменьшится и триггер переключится в другое устойчивое состояние: транзистор VT4 закрыт, а транзисторы VT2 и VT3 открыты. Это приводит к тому, что ток зарядки теперь определяется сопротивлением параллельно включенных резисторов R10 и R11. Нетрудно посчитать, что ток остался прежним. Естественно, в результате погаснет светодиод HL2 и загорится HL1, сигнализируя о втором этапе. Второй этап завершится падением напряжения на аккумуляторе, в результате которого компаратор DA2.1 опять переключится, погаснет светодиод HL1 и закроется транзистор VT2. Теперь зарядный ток определяется только сопротивлением резистора R11. Зарядка окончена.

Как показывает практика, в результате многократных и практически идеальных зарядных циклов параметры аккумуляторов в АБ выравниваются и напряжение в конце второго этапа стремится к 1,5 В на элемент, иногда не превышая это значение. В этом случае компаратор, скорее всего, не сработает. Здесь в работу вступает таймер зарядки, собранный на ОУ DA2.2. Конденсатор С5 задает время (примерно два часа), через которое переключится таймер. По истечении этого времени транзистор VT2 закроется и, как было указано выше, ток зарядки, численно равный примерно 1/30 емкости АБ, будет определяться сопротивлением резистора R11. Такой небольшой ток лишь компенсирует саморазрядку батареи. Теоретически в этом режиме АБ может находиться бесконечно долго.

Подстроечным резистором R3 устанавливают порог срабатывания компаратора DA2.1. Фактически компаратор питается от несимметричного двухполярного напряжения, порог его срабатывания - переход напряжения на инвертирующем входе через ноль. Компаратор рассчитан так, что нижний порог срабатывания примерно на 60 мВ меньше верхнего [2]. Это сделано, чтобы исключить "дребезг" в момент переключения транзистора VT2.

Питают ЗУ от трансформатора, переменное напряжение на вторичной обмотке которого равно 12 В. На диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1, С2 собран выпрямитель с удвоением напряжения - на его выходе напряжение около 30 В, которого вполне достаточно для зарядки АБ из десяти аккумуляторов.

Если необходимо заряжать АБ другой емкости и (или) с другим напряжением, параметры ЗУ легко пересчитать. Для этого понадобятся три параметра: емкость, число аккумуляторов в АБ и наличие (или отсутствие) защитного диода.

Зная емкость, вычисляют номинальный зарядный ток. Исходя из числа аккумуляторов и наличия (или отсутствия) защитного диода, рассчитывают напряжение переключения компаратора. Возможно, придется подобрать резистор R2, чтобы подстроечным резистором R3 можно было регулировать порог срабатывания. И остается рассчитать сопротивление резисторов R10, R11, R14: R14=5/I10; R11=4R14; R10=R11/3. Однако значения получаются не совсем стандартные, поэтому в ЗУ применены составные, параллельно соединенные резисторы: R14 - четыре параллельно соединенных резистора R11; R10 -три параллельно соединенных резистора R11. Рекомендую применить именно составные резисторы. Иначе, если будет больший разброс в номиналах, компаратор может не переключиться.

Устройство собрано на трех печатных платах (каждый узел на отдельной плате), чертежи которых показаны на рис. 2.

Стабилизатор DA1 следует разместить на ребристом или штыревом теплоотводе площадью не менее 20 см2. В устройстве необходимо применять конденсаторы только указанной на схеме емкости. Сопротивление утечки конденсатора С5 - не менее 2 МОм.

Перед налаживанием следует удалить перемычку S1. Затем подают на разъем Х1 напряжение от сетевого трансформатора. Вместо АБ подключают ее эквивалент. Сопротивление эквивалента батареи рассчитывают по формуле Rэкв=Ucp/I10, где Ucp - напряжение переключения компаратора (9,28 В). В нашем случае эквивалентом АБ от радиостанции Motorola GP1200 служит резистор сопротивлением около 75 Ом и мощностью не менее 2 Вт. После установки эквивалента должен включиться светодиод HL3. Далее на конденсатор C3 от внешнего регулируемого блока питания подают напряжение переключения компаратора (9,28 В) с соблюдением полярности: минусовой вывод подключают к левому по схеме выводу конденсатора C3, а плюсовой - к правому. Подстроечным резистором R3 устанавливают порог включения светодиода HL1. Затем следует проверить, что при плавном уменьшении напряжения от внешнего регулируемого блока питания с 9,28 до 9,2 В светодиод HL1 гарантированно гаснет.

Далее проверяют работоспособность всего ЗУ. Для этого необходимо немного уменьшить напряжение от внешнего блока питания хотя бы на 1 В. В результате светодиод HL1 погаснет, конечно, если он светился. Затем отключаем эквивалент АБ. Светодиод HL3 должен погаснуть. Опять подключаем эквивалент. Загораются светодиоды HL2 и HL3. Светодиод HL3 сигнализирует о наличии аккумулятора в устройстве, а светодиод HL2 - о начале зарядки. Далее плавно увеличивают напряжение внешнего блока питания. При напряжении 9,28 В должен выключиться светодиод HL2 и включиться светодиод HL1, сигнализирующий о начале второго этапа.

И наконец, осталось проверить таймер зарядки. Для этого между базой и эмиттером транзистора VT2 подключают вольтметр. Он должен показать напряжение около 0,7 В. Светодиод HL1 в это время включен. Через 2 ч ±20 мин показания вольтметра должны уменьшиться. Светодиод HL1 будет продолжать гореть. Но при зарядке АБ, как только напряжение база-эмиттер транзистора VT2 уменьшится, светодиод HL1 погаснет. Налаживание завершено. Отключите внешний регулируемый блок питания, эквивалент АБ и восстановите перемычку S1. Устройство готово к работе.

Литература

1. Справочник по герметичным источникам тока. - С.-Пб.: Химиздат, 2000.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1983.

Автор: Ю.Осипенко, г.Уфа

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:

Донорское сердце способно быстро перенимать биологический возраст реципиента 12.10.2026

Возраст органов определяется не только количеством прожитых лет. На молекулярном уровне ткани могут стареть с разной скоростью, а после пересадки, как показывают новые эксперименты, их биологические характеристики способны заметно меняться под воздействием организма, в который они попадают. Исследователи из Бостона обнаружили, что молодые донорские сердца после трансплантации довольно быстро приобретают признаки биологического возраста реципиента, тогда как более старые органы могут, напротив, демонстрировать признаки омоложения. Чтобы оценить эти изменения, ученые применили три так называемых "часа старения" - молекулярных инструмента, позволяющих приблизительно определять биологический возраст клеток и тканей. В отличие от обычного календарного возраста, такие показатели отражают состояние организма на уровне определенных молекулярных изменений. Именно их анализ позволил специалистам проследить, как меняются пересаженные сердца спустя несколько месяцев после операции. Основные ...>>

Samsung Galaxy Buds On: клипсы с искусственным интеллектом вместо внутриканальных наушников 12.10.2026

Беспроводные наушники превратились в одно из самых привычных персональных электронных устройств, однако их конструкция по-прежнему во многом определяется необходимостью размещать излучатель внутри или непосредственно у слухового канала. Компания Samsung решила попробовать другой подход. Представленная модель Galaxy Buds On получила формат наушников-клипсов, которые закрепляются непосредственно на ухе и оставляют слуховой канал открытым. Samsung позиционирует новинку как устройство для продолжительного ношения, тренировок и прогулок, а также для ситуаций, когда пользователю важно одновременно слушать музыку и не терять связь с окружающей обстановкой. В отличие от традиционных внутриканальных моделей, Galaxy Buds On практически не изолируют человека от внешнего мира. При этом речь идет не об экспериментальном прототипе или утечке: официальная информация об устройстве уже опубликована в Samsung Newsroom. Открытая конструкция имеет и очевидный недостаток - добиться такой же глубины н ...>>

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Случайная новость из Архива Новый тип высокоэффективных постоянных магнитов 03.11.2017 Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса разработали новый тип высокоэффективных постоянных магнитов, который должен устранить дефицит обычных постоянных магнитов на основе самария и неодима. Основой нового магнита является структура магнитов на основе соединения самария и кобальта (SmCo5), но большая часть атомов дефицитного и дорогостоящего кобальта заменена атомами железа и никеля. Современные неодимовые магниты имеют преимущество перед магнитами на основе самария и кобальта по энергетическим показателям. Новый же магнит устраняет большинство известных недостатков SmCo5-магнитов, сохранив их изначальную высокотемпературную эффективность. К сожалению, замена абсолютно большинства атомов кобальта атомами железа, имеющими больший магнитный момент, делает шестиугольную кристаллическую решетку материала магнита термодинамически нестабильной. Ученые из Ливерморской национальной лаборатории смогли обойти проблему нестабильности, добавив в кристаллическую решетку "стабилизирующие" атомы никеля. Используя расчеты моделей электронной структуры нового магнита SmCoNiFe3 показали, что этот магнит обладает рядом замечательных магнитных свойств и способен заменить SmCo5- или неодимовые магниты во множестве областей их применения. "Это весьма своевременное открытие" - рассказывает Пе Содерлинд (Per Soderlind), ведущий исследователь, - "Цены на кобальт подскочили в два раза только за прошедший год, что связано с использованием этого материала в литий-ионных аккумуляторных батареях. Железо, которым мы заменили кобальт, весьма недорого и доступно". В настоящее время исследователи ожидают получения патента на разработанный ими новый вид постоянных магнитов. А после получения патента они приступят к разработке метода производства таких магнитов в промышленных масштабах.

Другие интересные новости:

▪ Нейросеть против нейросети

▪ Твердотельные диски Samsung 3,2 ТБ NVMe с технологией 3D V-NAND

▪ Ракета, летающая на пластиковых отходах

▪ Игровая портативная консоль GPD WIN4 2023

▪ Оптоволоконные решения 40/100 Гбит от Siemon

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электропитание. Подборка статей

▪ статья Эмиль Мейерсон. Знаменитые афоризмы

▪ статья Какой средневековый король воевал как рыцарь, даже будучи слепым? Подробный ответ

▪ статья Можжевельник колючий. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Устройство ветроэлектрической установки. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Цифровое освещение. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026