Автоматичний зарядний пристрій з тригерних аналізатором стану Ni-Сd акумуляторної батареї.

Мета цієї статті полягає в основному в тому, як уникнути основних помилок в процесі експлуатації Ni-Сd акумуляторних батареї. У рамках цієї статті пропонується для повторення і використання схема автоматичного зарядного пристрою, практично ідеально реалізує заряд Ni-Сd акумуляторної батареї. В авторському варіанті схема розрахована для заряду акумуляторної батареї від радіостанції Motorola GP 1200. Для всіх бажаючих повторити цю схему для свого типу акумуляторної батареї наводяться формули розрахунку основних елементів схеми.

Трохи про теорію заряду Ni-Сd.

Основні вимоги, що пред'являються до заряду Ni-Сd акумуляторів, говорять наступне: напруга в кінці заряду не повинно перевищувати 1.5В. на елемент (при підключеному зарядному пристрої). Після відключення зарядного пристрою напруга швидко падає до значення приблизно 1.46-1.47В. на елемент. Перезаряд недопустимий, оскільки знижує термін служби акумулятора.

звичайна зарядка акумулятора можлива, якщо він розряджений до напругу в межах 1-1.1В. на елемент. При напрузі нижче вказаного рівня скорочується термін служби акумулятора, а при більш високому значенні втрачається ємність (ефект пам'яті). Тобто, перед зарядом необхідно переконатися в тому, що акумулятор розряджений до нормальної напруги.

час заряду визначається за формулою T = E / (0.5 * I 5) * 1.4

де: T – Час заряду (годин). E – Ємність акумулятора (мА / ч). I 5 – Номінальний розрядний струм I 5 = E / 5. Коефіцієнт 1.4 – поправка на ККД зарядного струму, тобто при заряді частина енергії не засвоюється акумулятором і переходить в тепло (до речі, у різних фірм виробників акумуляторів він помітно відрізняється десь від 1.2 до 1.4).

Примітка: Нормальний зарядний струм = 0.5 * I 5, що складає 1 / 10 ємності акумулятора.

Від теорії до практики.

Отже, як зробити, щоб після циклу заряду акумулятор не перезаряджається і автоматично відключався від зарядного пристрою. Перше, що спадає на думку – розрахувати час, необхідний для заряду акумулятора, задати струм заряду і поставити реле часу. Проте така ідея не зовсім вдала. Як було зазначено вище, коефіцієнт поправки на ККД зарядного струму акумулятора може значно відрізнятися, що веде до неправильного розрахунку часу і, як правило, до недозаряду або перезарядження акумулятора. Якщо акумулятор не був повністю розряджений, то зарядний пристрій, що працює на такому принципі, перезарядити акумулятор. І якщо в процесі заряду в живильної мережі зникне напруга і потім знову з'явитися, реле часу скине свої свідчення і почне цикл заново, що знову призведе до перезарядити. У кінцевому підсумку ми помітно вкоротив термін життя акумулятора. Розглянемо другий, більш вдалий варіант. Якщо орієнтуватися на кінцеве значення напруги на акумуляторі 1.5В. на елемент, то можна контролювати не час, а напруга на акумуляторі і відповідно до цього відключати акумуляторну батарею від зарядного пристрою. Однак, як правило, однакових акумуляторів у батареї не буває і при заряді максимальне значення суми напруг елементів не завжди є граничним. Тобто акумулятор зарядитися приблизно на 90%. У принципі з цим можна змиритися, але дуже хочеться мати повністю заряджений акумулятор. Тому йдемо далі. Якщо зняти з акумуляторної батареї зарядну характеристику і добре подивитися на неї, то можна виявити цікаву особливість акумулятора зменшувати напругу на власних висновках при перезарядити. Ось на цій особливості акумулятора ми і зупинимося. Залишається тільки проконтролювати цю цікаву особливість і дати команду зарядного пристрою на відключення. На перший погляд, завдання досить проста, але не зовсім. У моєму випадку виношування схеми затягнулося на два тижні. З першого моменту пробного аналізу роботи передбачуваного пристрою з'являється бажання взяти чого-небудь мікропроцесорне і поставити на контроль цього процесу. Але, не докопавшись до суті того, що відбувається, нічого брати, ставити не будемо, а розіб'ємо процес заряду на три стадії і уважно їх вивчимо:

Стадія № 1 – Напруга на акумуляторної батареї підвищується до рівня 1.5В. на елемент. Всі шляхом. Тривалість цієї стадії становить приблизно 80-90% від загального часу заряду.

Стадія № 2 – Напруга на акумуляторної батареї переходить межу 1.5В. на елемент. Ось на цій стадії відбувається найзагадковіший процес – «бродіння» – деякі елементи акумуляторної батареї заряджаються, а деякі відчувають легкий перезаряд. Передбачити, яким буде напруга у цей момент на акумуляторної батареї, практично неможливо. Все залежить від ідентичності параметрів елементів складових акумуляторну батарею. Помічено, що чим неузгоджені елементи, тим вище піднімається напруга на цій стадії. Наприкінці цього процесу елементи будуть практично однаково заряджені. Загальна тривалість цій стадії становить приблизно 10-20% від загального часу заряду.

Стадія № 3 – «Бродіння» акумуляторної батареї закінчилося, напруга падає, і ставати менше ніж 1.5В. на один елемент. Заряд закінчено.

Тепер можна зробити висновок – якщо в якості напруги перемикання, відповідно до теорії, вибрати напруга 1.5В. на елемент акумуляторної батареї і звернутися до такого обов'язковому елементу мікропроцесорної техніки як передвстановлений RS-тригер, змусивши його перемикатися вибраним рівнем напруги, то починає вимальовуватися схема. Хоча добре, схему ми розглянемо пізніше, а поки що про підводні камені акумуляторних батарей на прикладі акумулятора від радіостанції Motorola GP 1200.

Акумуляторна батарея від радіостанції Motorola GP 1200, як і велика частина акумуляторів для радіостанцій фірми MOTOROLA, має напругу 7.5В. і складається з 6-ти елементів. Слід враховувати та наявність підводного каменя – вбудованого захисного діода, включеного в ланцюг заряду акумулятора, послідовно з елементами. Увага зазвичай на цьому діод падає близько 0.28В., Тобто напруга на клемах заряду акумулятора при включеному зарядному пристрої буде на 0.28 B більше ніж на акумуляторі. Величину напруги, що падає на цьому діод, рекомендується дізнатися, заміривши напруга на зарядних клемах акумуляторної батареї і віднявши від нього завмер напруги на чистому акумуляторі без діода. Природно, всі виміри проводяться при включеному зарядному пристрої. Далі розрахуємо все параметри акумуляторної батареї, необхідні для успішної зарядки батареї пропонованої нижче схемою.

Вихідні дані акумулятора:

E (ємність) – 1300 мА / ч.

I 5 (номінальний розрядний струм) – 1300 / 5 = 260 мА.

Кількість елементів – 6 шт.

Нормальний зарядний струм.

. 0.5 * 260 = 130 мА.

Напруга спрацьовування RS-критичної автоматики.

6 елементів помножити на 1.5В. = 9В. Додаємо падіння напруги на захисному діод 9В +0.28 В. = 9.28В.

Примітка: Коефіцієнт поправки на ККД зарядного струму для «Мотороловского» акумулятора – дуже хороший і дорівнює приблизно 1.2. Орієнтовний час заряду акумулятора становить: 1300 / (0.5 * 260) * 1.2 = 12 годин.

Отже, перейдемо безпосередньо до схеми.

Детальніше

Переваги пропонованої схеми автоматичного зарядного пристрою з тригерних аналізатором:

  1. Легко повторюваність.
  2. Зібрана на доступних, недорогих і широко поширених елементах.
  3. Забезпечує практично ідеальний заряд, що гарантує довгу роботу акумулятора.
  4. Має режим компенсації саморозряду акумуляторної батареї після повного заряду.
  5. Повний захист від «дурня», тобто не може перезарядити вже повністю заряджений акумулятор (хвилин 20 повозиться в режимі «бродіння» і перейде в режим компенсації саморозряду акумуляторної батареї).
  6. При установці не повністю розрядженого акумулятора автоматика сама визначить, скільки потрібно дозаряжать акумулятор (від одноразового застосування цієї можливості поганого нічого не буде, але часто користуватися такою можливістю не рекомендується, з'являється «ефект пам'яті», а як наслідок, зниження ємності акумулятора).
  7. Сумісна з параметрами трансформатора стандартного зарядного пристрою фірми MOTOROLA, тобто можливий UPDATE фірмової схеми (рекомендується про всяк випадок перевірити: якщо на вторинній обмотці трансформатора ~ 12 B., то повний порядок).
  8. Реалізована технологія Plug and Play, тобто «Встав і забудь». Досить просто включити схему і інколи міняти заряджати акумулятори; операцій підготовки, кнопок «Пуск» і вмикачів живлення не потрібне. При установці акумулятора, схема сама себе запустить і виконає поставлене завдання.
  9. Якщо акумуляторна батарея з майже повністю убитими елементами внаслідок неправильної експлуатації і старості, то пропонована схема вб'є її повністю, щоб не мучилася і не мучила інших, а взагалі рекомендується придбати нову батарею або перебрати наявну стару. Загалом, можна спробувати її відновити, якщо провести від 2-х до 10-ти правильних циклів заряд-розряд номінальним струмом, а схему зарядного пристрою відключати за розрахунковим часу. Однак, якщо це не пожвавило акумулятор, означатиме style = "COLOR: black"> зростання небажаних кристалів на пластині акумулятора досяг граничної величини і style = "COLOR: black"> гострі грані проникли в сепаратора (роздільник між позитивною пластиною і негативною), підвищуючи тим самим саморозряд акумулятора. У цьому випадку шансів відновити ніяких немає.
  10. І, як наслідок усього викладеного, схема не боїться п'яних електриків, смикали, натискати: всякі рубильники, кнопки і автомати.

Схема складається з трьох основних вузлів:

1.Стабілізатор струму, виконаний на мікросхемі DA 1.
2.Компаратор, що працює в режимі тригера Шмідта, виконаний на ОП DA 2.
3.RS-тригер, що задає струм заряду виконаний на транзисторах VT1, VT2, VT3.

І працює наступним чином: При установці акумулятора в зарядний пристрій між висновками мікросхеми DA 2 № 2 і № 3 з'являється стабільну напругу 5В, від якого загоряється світлодіод HL 1, який сигналізує про наявність акумулятора в пристрої. Це ж напруга використовується для живлення токозадающего RS-тригера VT 1 – VT 3. Завдяки конденсатора C 2 поява напруги на базі транзистора VT 2 запізнюється щодо бази транзистора VT 1. І транзистор VT 1 виявляється відкритим. У результаті цього резистор R 2 підключається до стабілізатору струму DA 1 і визначає струм заряду акумулятора на стадії № 1. Від струму, що протікає в ланцюзі бази транзистора VT 1, загоряється світлодіод HL 2, який сигналізує про початок заряду. Із зростанням напруги на акумуляторі спрацьовує компаратор DA 2, що приводить до відкриття транзистора VT 3. В результаті напруга на базі транзистора VT 1 різко падає, і тригер переходить у наступне стійкий стан: транзистор VT 1 закрито, а транзистори VT 3 та VT 2 відкриті. Це призводить до того, що струм заряду тепер визначатися паралельним включенням резисторів R 3 і R 4. Неважко підрахувати, що струм заряду залишився тим самим. Природно, в результаті всього того, що відбувається гасне світлодіод HL 2 і зігрітися HL 3, сигналізуючи про стадію № 2, тобто про процес «бродіння». І, як ми пам'ятаємо, процес «бродіння» закінчується падінням напруги на акумуляторі, в результаті якого компаратор DA 2 знову перемкнеться, згасне світлодіод HL 3 та закриється транзистор VT 3. Заряд закінчено. Струм у ланцюзі акумулятора визначається резистором R 3 та дорівнює 1 / 30. Такий невеликий струм називається струмом компенсації саморозряду акумулятора, і теоретично акумулятор в такому режимі може знаходитися нескінченно довго. У принципі, якщо порівнювати заряд з виноробством, то акумулятор до заряду нагадує виноматеріал, який у процесі бродіння ставати молодим вином, а процес компенсації саморозряду додає витримку. Хоча в принципі відразу після того, як згасне світлодіод HL 3, якість вина досить високе, так що можна не побоюючись використовувати за призначенням. Змінним резистором R 12 встановлюється поріг спрацьовування компаратора DA 2, фактично компаратор живиться від несиметричного двополярного харчування, а точкою спрацьовування є перехід напруги на інвертується виведення компаратора через нуль (земля в цьому випадку – висновок № 2 мікросхеми DA 1). Як було зазначено вище, компаратор включений за схемою тригера Шмідта і розрахований так, що нижній поріг спрацьовування приблизно на 60мВ. менше верхнього. Це зроблено, щоб виключити брязкіт транзистора VT 3 при перемиканні. Харчується схема від трансформатора, що має на вторинній обмотці змінну напругу рівне 12В. На діодах VD 3, VD 4 і конденсаторах С4, С5 зібраний випрямляч з подвоєнням напруги, тобто на виході випрямляча присутні близько 30В. Даного напруги живлення цілком достатньо для заряду акумулятора містить 10 елементів, тобто 12-ти вольтової акумуляторної батареї.

І трохи про те, як перерахувати основні елементи схеми:

Дана схема може заряджати Ni-С d акумуляторні батареї, які мають у своєму складі від 4-х до 10-и елементів. Для перерахунку схеми знадобляться три параметри акумулятора:

1. Ємність мА / ч.

2. Кількість елементів.

3. Наявність захисного діода.

На підставі ємності акумулятора розраховуємо номінальний струм заряду.
I ном = Ємність \ 10. На підставі кількості елементів і наявності захисного діода розраховуємо напруга спрацювання RS-тригера. U ср = Кількість елементів * 1.5 + U падіння на захисному діод (Примітка: можливо доведеться підібрати резистор R 10, щоб резистором R 12 можна було регулювати поріг). І залишається розрахунок резисторів R 2, R 3, R 4. R 2 = 5 / I ном; R 3 = R 2 * 4; R 4 = R 2 * 4 / 3. Однак, резистори виходять не зовсім стандартні і досить потужні, тому я застосував складові, паралельно з'єднані резистори. У цьому випадку: R 2 – чотири паралельно з'єднаних резистора R 3; R 4 – три паралельно з'єднаних резистора R 3. Для налаштування схеми скористайтеся добре працюють цифровим тестером. Еквівалент акумулятора для налаштування схеми розраховується за формулою R екв = U ср \ I ном. Невелике, але цікава властивість схеми. Якщо ємність конденсатора C 2 зменшити до 100, тоді схема взагалі відмовиться заряджати не повністю розряджений акумулятор. Можете подумати чому. Невелика підказка, при установці акумулятора ледь помітно моргає світлодіод HL 3.

Увага! Схема не випробовувалася на заряд Ni-MH акумуляторів, якщо захочете спробувати цю схему з таким типом акумуляторів, врахуйте перепад напруги у них при перезаряд в 10 разів менше, ніж у Ni-Cd, тому автоматика може не відпрацювати. Треба перевірити! І взагалі, Ni-MH досить примхлива штука, особисто я не вважаю цей тип вдалим акумулятором для радіостанції.

Ось і все.

RV9WGW
Юрій Осипенко. uctv@bk.ru