ЗАРЯДНИЙ ПРИСТРІЙ

М. БОГДАНОВ, м. Сєров, Нижегородської обл.

У журналі "Радіо" і іншій літературі опубліковано безліч схем пристроїв для зарядки нікель-кадмієвих (Ni-Cd) акумуляторів. В одних упор робиться на простоту, в інших – на широкі експлуатаційні можливості і т. д. У запропонованій конструкції акцент зроблений на безпеку зарядки. Пристрій перевіряє правильність підключення акумулятора, автоматично відключає його після закінчення зарядки, припиняє зарядку при нагріванні акумулятора вище заданої температури.

Відомо, що навіть алгоритм швидкої зарядки (струмом 1 … 2С, де С – ємність акумулятора) передбачає тривалість процесу зарядки 1 … 5 год [1]. Важко уявити, що весь цей час за процесом буде вестися спостереження. І це при тому, що саме швидка зарядка є найбільш небезпечною. Навіть при невеликому недотриманні режиму можливий розрив корпусу акумулятора з усіма витікаючими наслідками. Істотно більш безпечна стандартна зарядка струмом 0,1 С, але вона триває надто довго (до 14 … 16ч).

Описуване пристрій забезпечує прискорену зарядку (4 … 7 год) одного Ni-Cd або Ni-MH акумулятора ємністю від 250 до 1000 мАг. Широкий інтервал струму зарядки аж ніяк не сприяє безпеці роботи пристрою з-за можливих помилок користувача при встановленні струму зарядки, тому передбачені різні способи захисту акумулятора і самого зарядного блоку. У результаті вийшло пристрій, який може здатися надмірно складним. Однак ця складність окупиться продовженим терміном служби акумулятора і спокоєм за протипожежну обстановку в квартирі.

Можливість зарядки лише одного акумулятора обумовлена бажанням забезпечити повну і, знову ж таки, безпечну зарядку. З технічних характеристик пристрою слід зазначити "м'який" режим прискореної зарядки, автоматичне відключення акумулятора після закінчення зарядки, захист від невірної полярності його підключення і від перегріву, індикацію режимів, звукове сповіщення про аварійний режим і, нарешті, досить низька напруга живлення (від 3,5 В), що в деяких випадках може виявитися вельми бажаним.

Принципова схема пристрою зображена на рис. 1. Його основна частина – стабілізатор струму – складається з трьох вузлів: задаючого стабілізатора напруги і двох ідентичних за схемою регуляторів струму. Основний регулятор (DA6.1, VT3) забезпечує струм зарядки, рівний 0,1 С, і працює протягом усього циклу. Другий регулятор (DA6.2, VT4) – його можна назвати форсованим – видає струм, рівний 0, ЗС, і включається, коли напруга на акумуляторі більше 0,6 В, але не досягло 1,4 В. У цей час працюють обидва регулятора і, будучи включеними паралельно, живлять акумулятор сумарним струмом 0,4 С.

Це і є "м'який" режим прискореної зарядки.

Обмеження на роботу форсованого регулятора струму обумовлені наступним. Якщо акумулятор сильно розряджений (напруга на ньому іакк <0,6 В), заряджати його великим струмом небезпечно, тому зарядка проводиться струмом 0,1 С з участю тільки основне-

го регулятора струму. Коли ж напруга іакк досягає 1,4 В, форсований регулятор відключається, так як це напруга близько до граничного, і подальшу зарядку доцільно проводити стандартним струмом 0,1 С. Після досягнення Ual <K = 1,48 У відключається і основний регулятор – зарядка припиняється. При цьому світлодіод HL3 ("Зарядка") гасне, a HL1 ("Зарядка

закінчена ") загоряється. Діоди VD1, VD2 запобігають розрядку акумулятора після припинення зарядки.

Обидва регулятора є джерелами струму, керованими напругою. Управляюче напруга (щодо плюсовому дроти живлення) формується задає стабілізатором напруги DA3 і регулюється змінним резистором R23 (їм встановлюють необхідний струм зарядки в залежності від ємності акумулятора).

Особливість застосованих у регуляторах струму ОУ КР1446УД1А [2] – здатність працювати при низьких напругах живлення (від 2,5 В при однопо-лярна), а головне, в тому, що розмах вхідних та вихідних сигналів у них практично дорівнює сумі напруг живлення. У нашому випадку DA6.1 працює з вхідною напругою, рівним Us – UR25, де Us – позитивне напруга живлення, a UR25 – падіння

напруги на вимірювальному резистори R25. Остання, по суті, є "копією" керуючої напруги (як відомо, напруги на обох входах ОП, охопленого ООС, збігаються з точністю до напруги зміщення нуля). Таким чином, при зарядному струмі 25 мА (для акумулятора ємністю 250 мАг) UR25 = 0,2 В. Це значить, що вхідна напруга може

бути всього на 0,2 У менше позитивного напруги живлення ОП DA6.1. Поширені ОУ допускають роботу з вхідними напругами не більше (Us-1, 5 … 2) В.

Те ж можна сказати і про вихідні напругах. У процесі зарядки DA6.1 забезпечує вихідну напругу, рівну Us – UR25 – іБЕутз> де Ub3vt3 – пряму напругу на емітерний перехід VT3 (0,6 … 0,8 В). Для припинення роботи регулятора струму ОУ забезпечує напругу, рівну Us, закриваючи, таким чином, транзистор.

Все сказане вище стосується і до форсованого регулятору на DA6.2. Вимикаються обидва регулятора транзисторами VT1 і VT2 відповідно (точніше, це робить VT1, так як відкрившись, він шунтується резистори R21, R23, з яких подається напруга на входи обох ОУ).

У вимкненому стані вихідний струм регулятора не дорівнює нулю, так як не дорівнює нулю напруга на резисторі R25. Тому дві причини. По-перше, відмінно від нуля опір каналу відкритого польового транзистора VT1, тому й напруга ІСІ vn становить кілька мілівольт. Друга причина – напруга зсуву нуля ОУ DA6.1. В результаті напруга на резисторі R25 залежить від знаку напруги зсуву нуля, і Один UcMvn * UCM DA6.1-В даному випадку краще використовувати ОУ КР1446УД1А, у нього напруга зсуву не перевищує ± 3 мВ, тому у вимкненому стані регулятор видає невеликий залишковий струм 1 … 3мА.

Точно так само веде себе і форсований регулятор струму. В результаті після закінчення зарядки стабілізатор струму підтримує на акумуляторі деяку напругу, що перешкоджає його розрядки за рахунок саморазрядкі і струму витоку через ланцюги пристрою. Заподіяти акумулятора шкоду настільки малий струм не може. Крім того, така особливість забезпечує пристрою стабільність при вийняти батареї, і поданому вхідному напрузі.

Струм, що задається основним регулятором, дорівнює Uper/R25, де Up <> r – падіння напруги на резистора R21 + R23 (без урахування напруги зміщення нуля ОУ DA6.1, його вхідного струму і струму витоку закритого каналу VT1). Uper залежить від напруги стабілізації DA3 (2,5 В) і коефіцієнта ділення подільника напруги R21-R23 (як зазначалося, воно відраховується від "плюса" харчування). Струм, що задається форсованим регулятором, визначається аналогічно.

Звернімося тепер до другої частини пристрою, що складається з формувача зразкових напруг, компараторів, у якості яких використані ОУ мікросхем DA4, DA5, і логічного вузла.

Як видно зі схеми, напруга з акумулятора подається на входи компараторів DA4.1-DA4.4 не безпосередньо, а через резистори R14, R16-R18, щоб уникнути пошкодження

ня ОУ при вставленому акумуляторі і відключеному харчуванні зарядного пристрою. Резистори на "зразкових" входах усувають похибка, викликану вхідними струмами ОУ (але не різницею вхідних струмів). "Зразковий" вхід ОП DA4.3 такого резистора не має, тому що від цього компаратора високої точності не потрібно.

Компаратор DA4.1 визначає момент відключення форсованого регулятора струму (при досягненні напруги на акумуляторі 1,4 В), DA4.2 – момент закінчення зарядки і видає сигнал на відключення основного регулятора струму. Резистор R24, що створює позитивний зворотний зв'язок, формує невеликий (близько 40 мВ) гістерезис, що дозволяє уникнути нестійкого стану компаратора після припинення зарядки.

Компаратор DA4.3 видає сигнал на включення форсованого регулятора струму, коли напруга на акумуляторі перевищить 0,6 В, a DA4.4 "перевіряє" правильність підключення акумулятора: при невірної полярності регулятори струму відключаються і п'єзоелектричний дзвінок НА1 видає попереджувальний сигнал. Для визначення полярності використана здатність ОУ КР1401УД2А працювати з вхідними напругами, меншими напруги живлення негативної полярності.

Важлива особливість описуваного пристрою – контроль температурного режиму заряджає акумулятор. Він здійснюється за допомогою датчика температури DA2 та ОУ DA5.1. LM335Z – інтегральний стабілізатор напруги з лінійної температурної характеристикою: його вихідна напруга збільшується на 10 мВ при підвищенні температури на кожний градус Цельсія. При температурі +25 ° С (298 К) вихідна напруга одно 2,98 В. При розігріві акумулятора приблизно до +33 ° С спрацьовує компаратор DA5.1, зарядка припиняється, загоряється світлодіод HL2 ("Перегрів") і лунає звуковий сигнал (такий же, як і при неправильній полярності підключення акумулятора).

Зразкові напруги на компаратори надходять з формувача, виконаного на DA1.

Логічне пристрій на елементах мікросхеми DD1 обробляє сигнали, що надходять з компараторів, управляє світлодіодними індикаторами, дзвінком і регуляторами струму.

Замість К1401УД2А у пристрої можна застосувати мікросхему К1401УД2Б, а також її закордонний аналог LM124. КР1446УД1А замінима мікросхемою цієї серії з індексом Б або В, однак при цьому не виключена ситуація, коли залишковий струм (після відключення регуляторів струму) або буде дуже великим, або його не буде зовсім. І те, й інше небажано. КР142ЕН19А можна замінити закордонним аналогом TL431 в будь-якому виконанні.

Крім зазначених на схемі, у пристрої припустиме використання польових транзисторів серії КПЗОЗ

з іншими літерними індексами, проте їх напруга відсічення повинно бути не більше 3 та, бажано, не менше 0,5 В. КТ 814А можуть бути замінені транзисторами цієї серії з індексами Б, В. Екземпляр, який буде використовуватися у форсованому регуляторі струму (VT4), повинен мати статичний коефіцієнт передачі струму бази не менше 70 при струмі емітера 300 мА. При дотриманні цієї умови можливе застосування транзистора серії КТ816. КТ3107А замінимі будь-якими з цієї серії.

Діоди КД212 – з будь-яким буквеним індексом. Світлодіоди L-53LYD (жовтого кольору світіння) і L-53LID (червоного) фірми Kingbright характеризуються малим робочим струмом (світлотехнічні параметри нормовані при струмі 2 мА) і можуть бути замінені аналогічними з гранично допустимим прямим струмом не менше 7 мА. HL3 – будь-який світлодіод зеленого кольору світіння. П'єзоелектричний випромінювач НА1 – НРМ14АХ фірми JL World з вбудованим генератором 34 (споживаний струм – не більше 7 мА).

Для установки зарядного струму (R23) рекомендується використовувати дротяний змінний резистор, наприклад, ППЗ-40, ППЗ-41, а для встановлення зразкових напруг (R3, R6, R11) – дротові багатооборотні СП5-2, СП5-3 та їм подібні.

Деталі зарядного пристрою змонтовані на друкованій платі, вміщеній у пластмасовий корпус. Відсік для заряджає акумулятор – відкритий, як контактів використані контакти того ж призначення від вітчизняного авометра М4317. Особливу увагу необхідно приділити кріпленню термодатчика DA2 (рис. 2, поз. 4). Мікросхема LM335Z має пластмасовий "транзисторний" корпус КТ-26 (ТО-92). Його кріплять плоскою стороною до позитивного контакту 2 акумуляторного відсіку через тонкий шар невисихающей тепло-провідної пасти. Якщо між позитивним висновком акумулятора 1 і контактом 2 забезпечено низьке електричний опір, то й тепловий контакт буде гарним. Необхідно пам'ятати, що маса і площа поверх-

ності контакту і прилеглих до нього металевих частин повинні бути як можна менше. Це забезпечить меншу втрату тепла "по дорозі" від акумулятора до датчика і, отже, збільшить точність визначення температури. Саме з цією метою під головки гвинтів 6, що кріплять контакт 2 до основи 8, підкладені шайби 7 з діелектрика. Датчик 4 "прихвачена" до контакту відрізком проводу МГТФ 5 (його кінці припаяні до контакту) і по периметру корпусу залитий тонким шаром епоксидного клею. Стінка корпусу 3 служить упором, обмежуючи відгин контакту 2.

Під час зарядки на транзисторі VT4 виділяється потужність до 1,5 Вт, тому він встановлений вертикально на дюралюмінієвий пластині розмірами 20x30x0, 8 мм.

На верхній стінці корпусу пристрою розташовані світлодіоди HL1 – HL3 і змінний резистор R23, ручка управління якого забезпечена круглої шкалою установки зарядного струму. В авторському варіанті шкала програ-

дуірована в значеннях ємності (від 250 до 1000 мА-г), так простіше уникнути помилок в установці струму. П'єзоелектричний дзвінок НА1 має невеликі розміри і жорсткі висновки, тому встановлений на платі без якого-небудь додаткового кріплення.

Налагодження пристрою починають з калібрування термодатчика DA2. Спочатку встановлюють на виведення 3 DA5.1 зразкове напруга UT. Для цього подають на вхід постійна напруга 4,5 … 5,5 В, вимірюють температуру Т (в градусах Кельвіна) в місці встановлення зарядного пристрою і обчислюють зразкове напруга Uo6p = Т/100, відповідне цій температурі. Нагадаємо, що температура в градусах Кельвіна дорівнює температурі в градусах Цельсія + 273. Потім вимірюють реальне напруга іізи на виведення 2 DA2 (або, що те ж саме, на однойменному виведення DA5.1) і розраховують зсув температурної характеристики DA2 за формулою Д = І "6р – ііз". Після цього резистором R3 встановлюють зразкове

напруга UT = 3,06 – Д (з урахуванням знака зсуву).

Потім підстроєні резисторами R6 і R11 послідовно встановлюють зразкові напруги 1,4 і 1,48 В відповідно (допустиме відхилення – не більш ± 0,02 В).

На закінчення градуіруют шкалу змінного резистора R23. Для цього до контактів акумуляторного відсіку підключають амперметр, подають на вхід напруга 4,5 … 5,5 В і поворотом движка резистора R23 добиваються струму, рівного 25 мА. На шкалі відмітку, що відповідає цьому значенню струму, позначають как250 мАг. Аналогічно калібрують позначки 350, 500, 750 і 1000 мАг.

ЛІТЕРАТУРА

1. Виноградов Ю. А. Радіоаматорові-конструктору: Сі-Бі зв'язок, дозиметрія, ІК техніка, електронні прилади, засоби зв'язку. – М.: ДМК, 1999.

2. Бірюков С. Застосування мікросхем серії КР1446. – Радіо, 2001, № 8, с. 47.