Описується в статті пристрійпризначено для прискореної зарядкибатарей Ni-Cd і Ni-MH акумуляторівекспоненціально зменшується струмом. До йогопереваг можна віднести можливістьвибору часу зарядки в межах від 45 хвдо 3 год, Простоту виготовлення іналагодження, відсутність нагрівуакумуляторів в кінці зарядки, можливістьвізуального контролю процесу зарядки,автоматичне відновлення процесупри відключенні і наступному включенніелектроживлення, зручність користування.Пристрій можна використовувати якстенду для зняття зарядно-розрядниххарактеристик акумуляторів.

При зарядці великим незміннимструмом (0,5 Е і більше, де Е – Ємністьакумулятора) акумулятор починаєнагріватися після 75 … 80%-ного заряду,причому Ni-MH акумулятори нагріваютьсябільше, ніж Ni-Cd [1]. Після повноїзарядки акумулятора температураприскорено зростає [1], І якщо цейпроцес вчасно не зупинити, то вінзавершується займанням або вибухомакумулятора. Рекомендована температураприпинення зарядки – +45 ° С [2]. Однакцей критерій годиться тільки як аварійний:поєднання перезарядки з перегрівом знижуєємність акумулятора і, отже,скорочує термін його служби.

Досягнення певногонапруги на акумуляторі також неє задовільним критеріємзакінчення процесу. Справа в тому, що йогозначення, відповідне повній зарядці,заздалегідь невідомо, тому що залежить відтемператури і “віку” акумулятора.Помилка в кілька мілівольт призводить дотого, що зарядка акумулятора ніколи незакінчиться або завершиться занадто рано [3].

При зарядці незмінним струмомлегко контролювати заряд – він прямопропорційний тривалості процесу. ВЗокрема, його величину можна встановитирівної номінальної ємності акумулятора.Але з плином часу його ємністьзменшується і в кінці терміну службистановить приблизно 80 % номіналу.Тому обмеження заряду номінальноюємністю не гарантує відсутностіперезарядки і перегріву акумуляторів і,отже, не може бути єдинимкритерієм закінчення зарядки.

Самий складний критерійзакінчення процесу – момент, колинапруга на акумуляторі досягаємаксимуму, а потім починає зменшуватися.Максимальна напруга на акумуляторівідповідає повній зарядці, але в [2]показано, що воно є наслідкомнагріву акумулятора в процесівідновлення заряду. Величина максимумудуже мала, особливо у Ni-MH акумуляторів(Близько 10 мВ), Тому для його виявленнязастосовують АЦП або перетворювачінапруги в частоту [2]. При зарядцібатареї максимум напруги різних їїелементів досягається в різний час,тому бажано контролювати коженз них окремо. До того ж зустрічаютьсяакумулятори з аномальною зарядноїхарактеристикою, на якій цей максимумвідсутня. Інакше кажучи, контроль тількинапруги недостатній, необхідно щеконтролювати і температуру, і величинузаряду, пропущеного через батарею.

Таким чином, при зарядцібатареї великим незмінним струмомнеобхідно контролювати кожен їїелемент за кількома критеріями, щоускладнює зарядний пристрій. Лишезарядка малим струмом (не більше 0,2 Е) Невикликає аварійного перегрівуакумуляторів навіть при великій перезарядці.У цьому випадку стан кожного елементаконтролювати не потрібно, заряднийпристрій виходить дуже простим, але інедолік його очевидна – тривалий часзарядки.

Існують зарядні пристрої,в яких спочатку великий заряднийструм зменшується з плином часу [4-6].У цьому випадку також не потрібно контролюватистан кожного елемента батареї. Але вцих пристроях відсутній контрольвеличини заряду, а в якості критеріюповної зарядки використовується досягненняпевної напруги, що, якзгадано вище, не єзадовільним.

В [7] описано заряднийпристрій, в якому акумуляторнабатарея заряджається як конденсатор відджерела постійної напруги черезрезистор. У цьому випадку зарядний струмтеоретично повинен зменшуватися з плиномчасу по експоненті з постійною часу,дорівнює добутку еквівалентної ємностіакумулятора на опір цьогорезистора. На практиці ж залежність струмузарядки від часу відрізняється відекспоненціальної, так як еквівалентнаємність і вихідний опір джерелазмінюються в процесі зарядки. Але навіть якщознехтувати зазначеним відзнакою, тонайважливіший параметр – постійна часузарядки – невідомий, внаслідок чогонеможливий контроль пропущеного черезакумулятор заряду. Тому зарядказакінчується знову ж по досягненнюпевної напруги.

У пропонованому пристрої струмзарядки у формі експоненціальнозменшується імпульсу обраний тому, щойого легко реалізувати за допомогою найпростішої RC-ланцюга.Завершується він природним чином, ввнаслідок чого відпадає необхідність утаймері, відключати акумулятор зазакінченні заданого часу, зарядобмежений, навіть якщо акумуляторизнаходяться в зарядному пристрої тривалийчас. Істотно, що струм зарядкивиробляється генератором струму, томуйого значення і форма не залежать ні віднапруги на акумуляторах, ні віднелінійності їх зарядних характеристик.

В процесі зарядки струм черезакумулятори I експоненціальнозменшується:

I = I0ехр (-t / T0),
(1)

де: t – Час; I0 —початковий струм зарядки; Т0 —постійна часу зарядки. При цьому коженакумулятор отримує заряд q, Якийоцінюється виразом

q = I0Т0[1 – ехр (-t / Т0)]
= (I0 – I)T0. (2)

Графіки залежностей I і q відчасу t представлені на рис. 1.

Рис.1. Залежно I і q відчасу t

Видно, що за час 0
заряд досягає значення 0,95I0T0 ідалі наближається до значення I0Т0.Рекомендується вибирати значення I0 і
Т0
за формулами

I0 = Nе, Т0 = 1 ч / n, де n = 1,
2, 3, 4. (3)

Найзручніше значення n = 1. Початковий струмзарядки в цьому випадку дорівнює електроємності Е, Час зарядки – 3 год. (Практично можназалишити акумулятори в зарядномупристрої на ніч, і до ранку вони будутьповністю заряджені). Якщо такий часзарядки занадто велике, значення пзбільшують. При n = 2 воно складе 1,5 год припочатковому струмі зарядки . Такий режимпридатний для Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів.Збільшення п до 3 зменшує час зарядки до
1 год, Але початковий струм зарядки зростає до
.Нарешті, при n = 4 час зарядки скорочуєтьсядо 45 хв, А початковий струм зарядкизбільшується до . Значення n, Рівні
3 і 4,допустимі для Ni-Cd акумуляторів, так як їхвнутрішній опір мало (менше 0,1 Ом).Що стосується Ni-MH акумуляторів, то їхвнутрішній опір у кілька разівбільше, тому великий струм може їхрозігріти на початку зарядки, що неприпустимо.Значення n більше 4 застосовувати нерекомендується. Можна вибрати I0 на
5%більше, ніж визначений за формулою (3).Тоді точний час зарядки складе 3 ч / n, Аподальша 5%-ная перезарядка несуттєва.

Принцип дії пристроюілюструє рис. 2.

Рис.2. Принцип дії пристрою

Конденсатор ємністю С1,попередньо заряджений до напруги U0,розряджається через підсилювач струму А1 звхідним опором Rin і коефіцієнтомпосилення по струму Кi. Струм у вхідному ланцюзіпідсилювача Iin визначається виразом

Iin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (4)

Струм в вихідний ланцюга підсилювача I =КiIin заряджає акумуляторну батарею GB1:

I = КiU0ехр (-t/RinС1) / Rin = SU0exp (-t/RinС1), (5)

де: S = Ki/Rin – Крутизна посилення підсилювача,якщо його розглядати як перетворювачнапруги в струм. Порівнюючи (2) і (5), Маємо

T0 = RinC1, I0 = KiU0/Rin =
SU0. (6)

Зручно вибрати U0 = 1 В, С1 =1000 мкФ, Тоді з (3) випливає, що Rin = 3,6 МОм / n,

S = nе, Кi = SRin = 3600000E. (7)

Наприклад, при Е = 1 Ач і n = 1 повиннібути наступні параметри: Rin = 3,6 МОм, S = 1 А / В,
Кi = 3600000 = 131 дБ.

Принципова схемапристрою зображена на рис. 3. Підсилювачструму зібраний на ОУ DA2.1 і транзисторах VT2 і
VT3.Напруга живлення ОУ стабілізованемікросхемою DA1. Вузол на транзисторі VT1контролює величину цієї напруги.Коли воно в нормі, цей транзистор відкритий,через обмотку реле К1 тече струм, контактиреле К1.1 замкнуті, світлодіод HL1 світиться,сигналізуючи про нормальну роботупристрої. Вимикачем SA1 вибирають режимзарядки: постійним струмом (коли йогоконтакти замкнені) або експоненціальноуменьшающимся (коли вони розімкнуті).Резистори R2 і R3 утворюють дільникнапруги. Напруга на движкузмінного резистора R3 визначає струмзарядки. У режимі “Постійний” ценапруга через резистор R1 і замкнутіконтакти реле К1.1 надходить нанеінвертуючий вхід ОУ. Його вихідний струмпосилюється транзисторами VT2, VT3 івстановлюється таким, щоб напруги нарезисторах R11 і R5 стали однаковими.Коефіцієнт посилення по струму Ki = R5/R11 і привказаних на схемі номіналах приблизнодорівнює 107, А крутизна перетвореннянапруги в струм S = 1/R11 = 3 А / В.

Рис.3. Принципова схемапристрої

У режимі “зменшуватися” (контактивимикача SA1 розімкнуті) конденсатор С2ємністю 1000 мкФ розряджається через резистор

R5
з постійною часу, обраної заформулою (3). Експоненціально зменшуєтьсяструм через цей конденсатор посилюється ОУ
DA2.1
і транзисторами VT2, VT3 і заряджаєакумулятори, підключені до гнізда Х1 (“Вихід”).Діод VD2 запобігає їх розрядку привідключенні напруги живлення. Амперметр РА1 служить для контролю поточного значенняструму зарядки. Конденсатор С5 запобігаєсамозбудження пристрої. Резистори R4,

R8-R10
– Струмообмежувальні. Вони захищають ОУ ітранзистор VT2 в аварійних ситуаціях,наприклад, при обриві резистора R11 або пробоїтранзистора VT3, Запобігаючи виходу з ладуінших елементів.

При відключенні живлення в режимізарядки зменшуваним струмом транзистор VT1закривається і реле розмикає контакти К1.1,запобігаючи подальшу розрядкуконденсатора С2. Світлодіод HL1 гасне,сигналізуючи про відключення харчування. Звідновленням харчування транзистор VT1відкривається, реле К1 замикає контакти До 1.1 ізарядка акумуляторів автоматичнопродовжується з того значення струму, приякому він був перерваний. Світлодіод HL1 зновузагоряється, сигналізуючи про відновленнязарядки. Натисканням на кнопку SB1 можнакороткочасно припинити зарядку признятті зарядних характеристик. При цьомуконденсатор С4 запобігає прониканнюмережевих наведень на вхід ОУ.

Пристрій зібрано науніверсальної друкованій платі і розміщене вкорпусі розмірами 310x130x180 мм. Акумуляторитипорозміру АА розміщують в жолобі наверхній кришці корпусу. Контактні гніздавиконані у вигляді відрізків стрічки з лудженоїжерсті, які притискаються до акумуляторівпружиною від стандартного відсіку дляелементи типорозміру АА. Через пружину струмне йде. Слід зазначити, що наявні впродажу пластмасові відсіки придатні лишепри струмі, що не перевищує 500 мА. Справа в тому,що струм, що протікає через контактніпружини, розігріває їх, при цьомунагріваються і акумулятори. Вже при струмі 1 Апружини нагріваються настільки, щорозплавляють стінку пластмасового корпусувідсіку, роблячи його подальше використаннянеможливим.

Транзистор VT3 встановлений наребристому тепловідведення з площеюповерхні 600 см2, Діод VD2 – Напластинчастому тепловідвід площею 50 см2.Резистор R11 складений з трьох з’єднанихпаралельно резисторів МЛТ-1опором 1 Ом. Всі сильноточниєз’єднання виконані відрізками мідногопроводи перерізом 3 мм2, Якіприпаяні безпосередньо до висновківвідповідних деталей.

  ОУ К1446УД4А (DA2) можна замінитимікросхемою К1446УД1А або інший з цихсерій, але з двох ОУ потрібно вибрати той, уякого напруга зміщення менше.Другий ОУ може бути використаний у складітермочутливого мосту [8] дляаварійного відключення акумуляторів при їхперегріві під час зарядки постійнимструмом (при зарядці зменшуваним струмомперегрів акумуляторів не спостерігався). Ввипадку використання ОУ інших типівслід мати на увазі, що в данійконструкції харчування його однополярної,тому він повинен бути працездатний принульовій напрузі на обох входах.

Мікросхема КР1157ЕН601А (DA1)замінима стабілізатором цієї серії зіндексом Б, А також мікросхемою серії К1157ЕН602,проте у останньої інша “цоколевка” [9].

Транзистор VT1 – Будь-який з серії
КП501,
VT2
повинен мати статичний коефіцієнтпередачі струму бази h21Е не менше 100.Транзистор КТ853Б (VT3) відрізняється тим, що його

h21Е
перевищує 1000. В якості VT2,
VT3можна використовувати транзистори іншихтипів, але загальний коефіцієнт посилення потоку повинен перевищувати 100000.

Конденсатор С2, Задаючийпостійну часу зарядки Т0, Повиненмати стабільну ємність, необов’язковорівну зазначеної на схемі номінальної, такяк необхідну значення Т0
встановлюють при налагодженні підборомрезистора R5. Автор використав оксиднийконденсатор фірми Jamicon з великим запасом понапрузі (в 25 разів).

Реле К1 – Герконова EDR2H1A0500 фірми
ЕСЕ з напругою і струмом спрацьовуваннявідповідно 5 В і 10 мА. Можлива заміна -реле вітчизняного виробництва КУЦ-1 (Паспорт
РА4. 362.900).

Амперметр РА1 повинен бутирозрахований на максимальний струм зарядки (вавторському варіанті застосовано прилад М4200 наструм 3 А). Запобіжник FU1 -самовідновлюється MF-R300 фірми BOURNS
[10]
.

Налагодження пристроюзводиться до встановлення необхідного значенняпостійної часу зарядки Т0,обраного за формулою (3). Опіррезистора R5 вибирають рівним Rin за формулою
(7),вважаючи, що ємність конденсатора С2 точнодорівнює 1000 мкФ. Замість акумуляторів включаютьцифровий амперметр. Перед включеннямхарчування, як при зарядці акумуляторів, такі при налагодженні пристрої, движокзмінного резистора R3 переводять у нижнє(За схемою) положення і замикають контактивимикача SA1 (Це необхідно для розрядкиконденсатора С2). Потім включають харчування і,переміщаючи движок резистора R3,встановлюють початковий струм I0 близько
. Далі SA1 переводять у положення “зменшується”.Через час Т1 (Приблизно рівне Т0)вимірюють струм I1. Скоригованазначення опору резистора R5*обчислюють за формулою R5* = R5[ln(I0/I1)].На закінчення встановлюють резистор R5опором, рівним цьомускоригованим значенням.

Акумулятори перед зарядкоюнеобхідно розрядити до напруги 1 … 1.1 В,щоб виключити їх перезарядку іпрояв ефекту пам’яті [2]. Якщо прирозрядці акумулятори нагрілися, то передзарядкою їх слід охолодити дотемператури навколишнього середовища (0 … +30 ° С [2]).Перш ніж підключати акумулятори дозарядного пристрою, необхідно переконатисяв тому, що воно знеструмлено, движок резистора
R3
знаходиться в нижньому (за схемою) положенні, a

SA1
– У положенні “Постійний”. Далі,дотримуючись полярності, встановлюютьакумулятори, включають харчування і за допомогоюзмінного резистора R3 встановлюютьпочатковий струм I0 за формулою (3). Післяцього переводять SA1 в положення “зменшується”,і через час 0 акумулятори готовідо використання.

Для живлення пристроюнеобхідне джерело напруги від 8 до 24 В,можна нестабілізованого. Одночасноможна заряджати від одного до десятиелементів. Мінімальна напруга живленняз урахуванням пульсацій повинно складати 2 В наелемент плюс 4 У (Але в зазначених межах).

Пристрій можна використовуватив якості стенду для зняття не тількизарядних, але і розрядних характеристикакумуляторів. В останньому випадкудосліджуваний акумулятор повинен бутипідключений до пристрою у зворотнійполярності. Напруга на його електродахнеобхідно постійно контролювативольтметром. Не слід допускатизміни його полярності, щоб не викликатиаварійного руйнування акумулятора. Зацієї причини не рекомендується такимчином розряджати батарею з декількохпослідовно з’єднаних елементів, такяк можна пропустити момент виходу з ладуелемента з найменшою ємністю.