Каталог радиолюбительских схем

Автоматическое зарядное устройство с триггерным анализатором состояния Ni-Сd аккумуляторной батареи.

Цель данной статьи состоит в основном в том, как избежать основных ошибок в процессе эксплуатации Ni-Сd аккумуляторных батареи. В рамках этой статьи предлагается для повторения и использования схема автоматического зарядного устройства, практически идеально реализующего заряд Ni-Сd аккумуляторной батареи. В авторском варианте схема рассчитана для заряда аккумуляторной батареи от радиостанции Motorola GP 1200. Для всех желающих повторить эту схему для своего типа аккумуляторной батареи приводятся формулы расчета основных элементов схемы.

Немного о теории заряда Ni-Сd.

Основные требования, предъявляемые к заряду Ni-Сd аккумуляторов, гласят следующее: напряжение в конце заряда не должно превышать 1.5В. на элемент (при подключенном зарядном устройстве). После отключения зарядного устройства напряжение быстро падает до значения примерно 1.46- 1.47В. на элемент. Перезаряд недопустим, т.к. снижает срок службы аккумулятора.

нормальная зарядка аккумулятора возможна, если он разряжен до напряжение в пределах 1-1.1В. на элемент. При напряжении ниже указанного уровня сокращается срок службы аккумулятора, а при более высоком значении теряется емкость (эффект памяти). Т.е., перед зарядом необходимо убедиться в том, что аккумулятор разряжен до нормального напряжения.

время заряда определяется по формуле T = E /(0.5* I 5)*1.4

От теории к практике.

Итак, как сделать, чтобы после цикла заряда аккумулятор не перезаряжался и автоматически отключался от зарядного устройства. Первое, что приходит в голову – рассчитать время, необходимое для заряда аккумулятора, задать ток заряда и поставить реле времени. Однако такая идея не совсем удачна. Как было указано выше, коэффициент поправки на КПД зарядного тока аккумулятора может значительно отличаться, что ведет к неправильному расчету времени и, как правило, к недозаряду или перезаряду аккумулятора. Если аккумулятор не был полностью разряжен, то зарядное устройство, работающее на таком принципе, перезарядит аккумулятор. И если в процессе заряда в питающей сети исчезнет напряжение и потом опять появиться, реле времени сбросит свои показания и начнет цикл заново, что опять приведет к перезаряду. В конечном итоге мы заметно укоротим срок жизни аккумулятора. Рассмотрим другой, более удачный вариант. Если ориентироваться на конечное значение напряжения на аккумуляторе 1.5В. на элемент, то можно контролировать не время, а напряжение на аккумуляторе и в соответствии с этим отключать аккумулятор от зарядного устройства. Однако, как правило, одинаковых аккумуляторов в батарее не бывает и при заряде максимальное значение суммы напряжений элементов не всегда является предельным. Т. е. аккумулятор зарядиться примерно на 90%. В принципе с этим можно смириться, но очень хочется иметь полностью заряженный аккумулятор. Поэтому идем дальше. Если снять с аккумуляторной батареи зарядную характеристику и хорошо посмотреть на нее, то можно обнаружить интересную особенность аккумулятора уменьшать напряжение на собственных выводах при перезаряде. Вот на этой особенности аккумулятора мы и остановимся. Остается только проконтролировать эту интересную особенность и дать команду зарядному устройству на отключение. На первый взгляд, задача довольно простая, но не совсем. В моем случае вынашивание схемы затянулось на две недели. С первого момента пробного анализа работы предполагаемого устройства появляется желание взять чего-нибудь микропроцессорное и поставить на контроль этого процесса. Но, не докопавшись до сути происходящего, ничего брать, ставить не будем, а разобьем процесс заряда на три стадии и внимательно их изучим:

Стадия №1 – напряжение на аккумуляторной батарее повышается до уровня 1.5В. на элемент. Все путем. Длительность этой стадии составляет примерно 80-90% от общего времени заряда.

Стадия №2 - напряжение на аккумуляторной батарее переходит предел 1.5В. на элемент. Вот на этой стадии происходит самый загадочный процесс - «брожение» - некоторые элементы аккумуляторной батареи заряжаются, а некоторые испытывают легкий перезаряд. Предсказать, каким будет напряжение в этот момент на аккумуляторной батарее, практически невозможно. Все зависит от идентичности параметров элементов составляющих аккумуляторную батарею. Замечено, что чем рассогласованней элементы, тем выше поднимается напряжение на этой стадии. В конце этого процесса элементы будут практически одинаково заряжены. Длительность этой стадии составляет примерно 10-20% от общего времени заряда.

Стадия №3 – «брожение» аккумуляторной батареи закончилось, напряжение падает, и становиться меньше чем 1.5В. на один элемент. Заряд окончен.

Теперь можно сделать вывод – если в качестве напряжения переключения, согласно теории, выбрать напряжение 1.5В. на элемент аккумуляторной батареи и обратиться к такому обязательному элементу микропроцессорной техники как предустановленный RS -триггер, заставив его переключаться выбранным уровнем напряжения, то начинает вырисовываться схема. Хотя ладно, схему мы рассмотрим позже, а пока о подводных камнях аккумуляторных батарей на примере аккумулятора от радиостанции Motorola GP 1200.

Аккумуляторная батарея от радиостанции Motorola GP 1200, как и большая часть аккумуляторов для радиостанций фирмы MOTOROLA , имеет напряжение 7.5В. и состоит из 6-ти элементов. Следует учитывать и наличие подводного камня - встроенного защитного диода, включенного в цепь заряда аккумулятора, последовательно с элементами. Внимание обычно на этом диоде падает около 0.28В., т.е. напряжение на клеммах заряда аккумулятора при включенном зарядном устройстве будет на 0.28 B больше чем на аккумуляторе. Величину напряжения, падающего на этом диоде, рекомендуется узнать, замерив напряжение на зарядных клеммах аккумуляторной батареи и отняв от него замер напряжения на чистом аккумуляторе без диода. Естественно, все замеры производятся при включенном зарядном устройстве. Далее рассчитаем все параметры аккумуляторной батареи, необходимые для успешной зарядки батареи предлагаемой ниже схемой.

Исходные данные аккумулятора:

E (емкость) – 1300 мА/ч.

I 5(номинальный разрядный ток) – 1300/5 = 260 мА.

Количество элементов – 6 шт.

Нормальный зарядный ток.

. 0.5*260 = 130 мА.

Напряжение срабатывания RS -триггерной автоматики.

Примечание: Коэффициент поправки на КПД зарядного тока для «Мотороловского» аккумулятора - очень хороший и равен примерно 1.2. Ориентировочное время заряда аккумулятора составляет: 1300/(0.5*260)*1.2 = 12 часов.

Итак, перейдем непосредственно к схеме.

Достоинства предлагаемой схемы автоматического зарядного устройства с триггерным анализатором:

1. Легко повторяема.
2. Собрана на доступных, недорогих и широко распространенных элементах.
3. Обеспечивает практически идеальный заряд, гарантирующий долгую работу аккумулятора.
4. Имеет режим компенсации саморазряда аккумуляторной батареи после полного заряда.
5. Полная защита от «дурака», т.е. не может перезарядить уже полностью заряженный аккумулятор (минут 20 повозится в режиме «брожение» и перейдет в режим компенсации саморазряда аккумуляторной батареи).
6. При установке не полностью разряженного аккумулятора автоматика сама определит, сколько нужно дозаряжать аккумулятор (от однократного применения этой возможности плохого ничего не будет, но часто пользоваться такой возможностью не рекомендуется, появляется «эффект памяти», а как следствие, снижение емкости аккумулятора).
7. Совместима с параметрами трансформатора стандартного зарядного устройства фирмы MOTOROLA , т.е. возможен UPDATE фирменной схемы (рекомендуется на всякий случай проверить: если на вторичной обмотке трансформатора ~12 B ., то полный порядок).
8. Реализована технология Plug and Play , т.е. «вставь и забудь». Достаточно просто включить схему и иногда менять заряжаемые аккумуляторы; операций подготовки, кнопок «Пуск» и включателей питания не требуется. При установке аккумулятора, схема сама себя запустит и выполнит поставленную задачу.
9. Если аккумуляторная батарея с почти полностью убитыми элементами вследствие неправильной эксплуатации и старости, то предлагаемая схема убьет ее полностью, чтобы не мучалась и не мучила других, а вообще рекомендуется купить новую батарею или перебрать имеющуюся старую. В общем, можно попробовать ее восстановить, если провести от 2-х до 10-ти правильных циклов заряд-разряд номинальным током, а схему зарядного устройства отключать по расчетному времени. Однако, если это не оживило аккумулятор, значить style="COLOR: black"> рост нежелательных кристаллов на пластине аккумулятора достиг предельной величины и style="COLOR: black">острые грани проникли в сепаратор (разделитель между положительной пластиной и отрицательной), повышая тем самым саморазряд аккумулятора. В этом случае шансов восстановить никаких нет.
10. И, как следствие всего изложенного, схема не боится пьяных электриков, дергающих, нажимающих: всякие рубильники, кнопки и автоматы.

Схема состоит из трех основных узлов:

1.Стабилизатор тока, выполнен на микросхеме DA 1.
2.Компаратор, работающий в режиме триггера Шмидта, выполнен на ОУ DA 2.
3.RS -триггер, задающий ток заряда выполнен на транзисторах VT1, VT2, VT3.

И работает следующим образом: При установке аккумулятора в зарядное устройство между выводами микросхемы DA 2 №2 и №3 появляется стабильное напряжение 5В, от которого загорается светодиод HL 1, сигнализирующий о наличии аккумулятора в устройстве. Это же напряжение используется для питания токозадающего RS -триггера VT 1- VT 3. Благодаря конденсатору C 2 появление напряжения на базе транзистора VT 2 опаздывает относительно базы транзистора VT 1. И транзистор VT 1 оказывается открытым. В результате этого резистор R 2 подключается к стабилизатору тока DA 1 и определяет ток заряда аккумулятора на стадии №1. От тока, протекающего в цепи базы транзистора VT 1, загорается светодиод HL 2, сигнализирующий о начале заряда. С ростом напряжения на аккумуляторе срабатывает компаратор DA 2, что приводит к открытию транзистора VT 3. В результате напряжение на базе транзистора VT 1 резко падает, и триггер переходит в следующее устойчивое состояние: транзистор VT 1 закрыт, а транзисторы VT 3 и VT 2 открыты. Это приводит к тому, что ток заряда теперь определяться параллельным включением резисторов R 3 и R 4. Нетрудно подсчитать, что ток заряда остался прежним. Естественно, в результате всего происходящего гаснет светодиод HL 2 и загорается HL 3, сигнализируя о стадии №2, т.е. о процессе «брожение». И, как мы помним, процесс «брожения» заканчивается падением напряжения на аккумуляторе, в результате которого компаратор DA 2 опять переключится, погаснет светодиод HL 3 и закроется транзистор VT 3. Заряд окончен. Ток в цепи аккумулятора определяется резистором R 3 и равен 1/30. Такой небольшой ток называется током компенсации саморазряда аккумулятора, и теоретически аккумулятор в таком режиме может находиться бесконечно долго. В принципе, если сравнивать заряд с виноделием, то аккумулятор до заряда напоминает виноматериал, который в процессе брожения становиться молодым вином, а процесс компенсации саморазряда добавляет выдержку. Хотя в принципе сразу после того, как погаснет светодиод HL 3, качество вина достаточно высокое, так что можно не опасаясь использовать по назначению. Переменным резистором R 12 устанавливается порог срабатывания компаратора DA 2, фактически компаратор питается от несимметричного двухполярного питания, а точкой срабатывания является переход напряжения на инвертирующем выводе компаратора через ноль (земля в этом случае - вывод №2 микросхемы DA 1). Как было указано выше, компаратор включен по схеме триггера Шмидта и рассчитан так, что нижний порог срабатывания примерно на 60мВ. меньше верхнего. Это сделано, чтобы исключить дребезг транзистора VT 3 при переключении. Питается схема от трансформатора, имеющего на вторичной обмотке переменное напряжение равное 12В. На диодах VD 3, VD 4 и конденсаторах С4, С5 собран выпрямитель с удвоением напряжения, т.е. на выходе выпрямителя присутствует около 30В. Данного напряжения питания вполне достаточно для заряда аккумулятора содержащего 10 элементов, т.е. 12-ти вольтовой аккумуляторной батареи.

И немного о том, как пересчитать основные элементы схемы:

Данная схема может заряжать Ni -С d аккумуляторные батареи, имеющие в своем составе от 4-х до 10-и элементов. Для перерасчета схемы понадобятся три параметра аккумулятора:

1. Емкость мА/ч.

2. Количество элементов.

3. Наличие защитного диода.

На основании емкости аккумулятора рассчитываем номинальный ток заряда.
I ном=Емкость\10. На основании количества элементов и наличия защитного диода рассчитываем напряжение срабатывания RS -триггера. U ср=Количество элементов*1.5+ U падения на защитном диоде (примечание: возможно придется подобрать резистор R 10, чтобы резистором R 12 можно было регулировать порог). И остается расчет резисторов R 2, R 3, R 4. R 2=5/ I ном; R 3= R 2*4; R 4= R 2*4/3. Однако, резисторы получаются не совсем стандартные и достаточно мощные, поэтому я применил составные, параллельно соединенные резисторы. В этом случае: R 2 – четыре параллельно соединенных резистора R 3; R 4 - три параллельно соединенных резистора R 3. Для настройки схемы воспользуйтесь хорошо работающим цифровым тестером. Эквивалент аккумулятора для настройки схемы рассчитывается по формуле R экв= U ср\ I ном. Небольшое, но интересное свойство схемы. Если емкость конденсатора C 2 уменьшить до 100, тогда схема вообще откажется заряжать не полностью разряженный аккумулятор. Можете подумать почему. Небольшая подсказка, при установке аккумулятора едва заметно моргает светодиод HL 3.

Внимание! Схема не испытывалась на заряд Ni-MH аккумуляторов, если захотите попробовать эту схему с таким типом аккумуляторов, учтите перепад напряжения у них при перезаряде в 10 раз меньше, чем у Ni-Cd, поэтому автоматика может не отработать. Надо проверить!!! И вообще, Ni-MH достаточно капризная штука, лично я не считаю этот тип удачным аккумулятором для радиостанции.

Вот и все.

RV9WGW
Юрий Осипенко. uctv@bk.ru