Каталог радиолюбительских схем

Традиционная ("безопасная") зарядка никель-кадмиевых аккумуляторов током, значение которого в десять раз меньше емкости аккумулятора, удовлетворяет далеко не всех пользователей, поскольку в этом случае для гарантированной полной его зарядки требуется затратить более десяти часов. Между тем аккумуляторы можно безопасно заряжать и большими токами, соответственно сокращая время зарядки. При этом, однако, необходим постоянный контроль за состоянием заряжаемого аккумулятора, чтобы избежать его выхода из строя.

Момент, когда никель-кадмиевый аккумулятор полностью заряжен, можно надежно установить, измеряя зависимость его напряжения от времени зарядки. В общем виде она показана на рис. 1.

Полностью заряженному аккумулятору соответствует момент, когда напряжение на нем достигает максимума. Поскольку для различных экземпляров абсолютное значение максимума может различаться, этот параметр нельзя использовать для однозначного определения окончания зарядки. "Интеллектуальные" зарядные устройства, периодически измеряя напряжение на заряжаемом аккумуляторе, определяют момент, когда изменение напряжения сменит знак (напряжение начнет уменьшаться), и прекращают зарядку. Точнее, обычно переводят зарядное устройство в безопасный режим зарядки малым током. Следует отметить, что уменьшение напряжения по отношению к максимуму после его прохождения невелико—около 10 мВ на один элемент, и для его регистрации нужна измерительная аппаратура с соответствующим разрешением.

Второй параметр, который принято контролировать при быстрой зарядке, — время. Его рассчитывают исходя из тока быстрой зарядки, и даже если за это время напряжение на аккумуляторе не достигло максимума, зарядку прекращают. Это позволяет в какой-то мере уменьшить опасность выхода из строя зарядного устройства, если в него установлен дефектный аккумулятор, у которого может и не произойти смены знака изменения напряжения в процессе зарядки.

Есть еще один параметр, который наряду со сменой знака изменения напряжения на аккумуляторе объективно отражает завершение процесса зарядки, — температура корпуса аккумулятора. Однако этот параметр относится к числу наиболее трудно контролируемых, поскольку требует установления надежного теплового контакта датчика температуры с корпусом заряжаемого аккумулятора. Более того, в герметичных аккумуляторных батареях, которые в основном используются в современной носимой аппаратуре, это в принципе невозможно. Поэтому на практике зарядку аккумуляторов с контролем температуры не применяют. Но при этом приходится также отказываться и от предельных — очень быстрых режимов зарядки.

Для реализации описанных алгоритмов зарядки выпускают специализированные микросхемы, которые выполняют все перечисленные выше функции контроля и управления. К их числу относится, например, микросхема МАХ713. Она позволяет заряжать как единичный элемент, так и батарею, состоящую из нескольких аккумуляторов. Контрольное время для быстрой зарядки может быть в пределах от 22 до 264 минут (восемь дискретных значений), а ток — в пределах от 4С до О.ЗЗС (С — емкость аккумулятора). Все эти параметры устанавливают программно. Предусмотрена в микросхеме МАХ713 и функция контроля температуры заряжаемого аккумулятора.

При расчете режима быстрой зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов сначала выбирают зарядный ток I, ориентируясь на требуемое время зарядки. Следует заметить, что при отсутствии надежного контроля температуры заряжаемого аккумулятора выбирать его более 2С не рекомендуется.

По окончании режима быстрой зарядки ток снижают до значений, безопасных в течение длительного периода ("дозарядка"). В микросхеме МАХ713 это значение, например, выбрано около 30 мА и не зависит от тока быстрой зарядки.

Схема "интеллектуального" зарядного устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов, выполненного на микросхеме МАХ713, приведена на рис. 2. Источник питания напряжением 12 В подключают к разъему X1. Он должен обеспечивать ток нагрузки, по крайней мере, на 50 мА больше максимального зарядного тока. При напряжении питания 12В можно заряжать батареи, содержащие до девяти аккумуляторов. В авторском варианте для питания устройства использовался обычный сетевой адаптер, обеспечивающий ток нагрузки до 300 мА при напряжении 12 В. Светодиод HL1 индицирует работу устройства в целом, а светодиод HL2 — режим быстрой зарядки. Если он не светится, то это означает, что зарядка закончена. Аккумулятор (батарею) подключают к разъему Х2. Зарядный ток регулирует транзистор VT1. Если после включения устройства с подключенным аккумулятором светодиод HL2 не светится, значит, аккумулятор заряжен.

Таблица 1

Программирование микросхемы производят подключением выводов 3 (PGM0), 4 (PGM1), 9 (PGM2) и 10 (PGM3) к выводам микросхемы 15 (V+), 12 (ВАТТ-), 16 (REF). Они могут быть также и не подключены к чему-либо (OPEN). Через выводы PGM0 и PGM1 программируют число аккумуляторов в батарее (табл. 1), а через выводы PGM2 и PGM3 — таймер окончания быстрой зарядки (табл. 2).

Перед выбором окончательной версии устройства задают число элементов N в аккумуляторной батарее, подлежащей зарядке, и зарядный ток. Исходя из первого параметра, определяют подключение выводов 3 и 4 микросхемы (в соответствии с табл. 1), а по второму параметру — ориентировочное время зарядки Т (в часах) по формуле:

T=C/0,81.

Здесь С подставляют в мА-ч, а I — в мА.

В табл. 2 находят ближайшее большее значение программируемого интервала времени зарядки и определяют соответствующее ему подключение выводов 9 и 10 микросхемы.

Таблица 2

На следующем этапе рассчитывают мощность Р (в ваттах), которая будет рассеиваться на транзисторе VT1, по формуле

P=(U_max-U_min)*I,

Здесь: U_max, — максимальное напряжение на выходе источника питания, В;

U_min, — минимальное напряжение на батарее аккумуляторов, В:

I — ток зарядки, А.;

U_min рассчитывают исходя из числа элементов и минимального напряжения на одном аккумуляторе (обычно полагают 1 В). На основе этого расчета выбирают транзистор и выясняют, нужен ли для него теплоотвод.

Сопротивление резистора R2 (в килоомах) рассчитывают по формуле:

R2=U/5-1, где

U — минимальное напряжение источника питания в вольтах.

Сопротивление резистора R5 (в омах) рассчитывают по формуле:

R5=0.25/l, где

I — ток зарядки в амперах.

Приведенные на схеме номиналы соответствуют минимальному напряжению источника питания 12 В и току зарядки 0,25 А.

Steven Avrrtch. A Smart Charger For Nickel-Cadmium Batteries. — QST, 1994. September, p. 40-42.