Зарядные устройства для Ni-Cd аккумуляторов

Новости

Бюллетень Си-Би №4 Апрель 1999 г

Автор Юрий Вичковский

Зарядные устройства для аккумуляторов интересуют всех владельцев портативных радиостанций, поскольку аккумуляторы иссякают в самый неподходящий момент, а для их зарядки требуется значительное время.

Большинство пользователей применяют самые простые покупные зарядные устройства, входящие в комплект портативных станций. Они обеспечивают заряд током, равным 0,1 емкости аккумулятора в течении 14 часов. При этом нужно обязательно следить за временем заряда: стоит передержать батарею под зарядным током более 14 часов, начинается газовыделение и нагрев аккумулятора, корпус его вспучивается и он необратимо выходит из строя. Чтобы избежать этого разорительного события, нужно ставить будильник, напоминающий, когда будет пора закончить заряд.

Примером такого простейшего зарядного устройства может служить Desk Charger DG-620, работающий совместно с маломощным сетвым адаптром, например CA-95.

Рис.1. Схема зарядного устройства Desk Charger DG-620

Зарядное устройство (рис.1) состоит из двух цепей: цепи контроля наличия напряжения адаптера R1, Led1 (красного цвета) и цепи зарядки аккумуляторов, содержащей резистор R3, ограничивающий зарядный ток, и защитный диод D1, препятствующий разряду батареи на цепь R1, Led1 или при случайном замыкании во входном гнезде, если батарея остается в зарядном устройстве, а сетевой адаптер отключен. В цепь заряда входит также зеленый светодиод Led2 с ограничительным сопротивлением R2, включенный параллельно цепи R3, D1.

Бюллетень Си-Би №5 Май 1999 г

Автор Юрий Вичковский

Продолжение

Сетевой адаптер CA-95 на холостом ходу имеет выходное напряжение около 20,5 В, а при номинальной нагрузке – около 18,5 В. Напряжение на заряженной батарее аккумуляторов портативки Dragon, имеющей 9 аккумуляторов, с учетом падения напряжния на встроенном в контейнер защитном диоде, достигает 14 В.

Учитывая падение напряжения на защитном диоде D1 зарядного устройства, оценим зарядный ток в конце заряда:

I=(18,5-14-0,5)/68úç330 = 55 мА.

В начале заряда, когда напряжение на батарее составляет около 12 В, зарядный ток будет примерно в полтора раза больше, т.е. 80-90 мА.

Из приведенного расчета видно, что в данном устройстве в конце цикла заряда через аккумуляторы продолжает течь большой зарядный ток. Это требует своевременного прекращения процесса зарядки во избежание повреждения аккумуляторов.

Вполне естественно, потребитель хотел бы сократить время зарядки, не следить за временем зарядки и при этом избежать риска перезарядить аккумуляторы. Возможно ли это?

Да. Для решения этих задач существуют следующие подходы: зарядка неизменным или изменяемым током, контроль времени заряда, контроль температуры аккумуляторов, контроль напряжения на батарее, контроль скорости увеличения напряжения на батарее.

Комбинируя эти возможности, можно получить большое разнообразие схем зарядных устройств, что, однако, существенно их удорожает.

Отметим, что зарядка аккумуляторов током, равным 0,1 от величины их емкости, за 14-16 часов считается нормальной, однако по техническим условиям заводов-изготовителей допускается заряжать аккумуляторы током, равным 0,2 от величины их емкости, что сокращает время зарядки вдвое, но требует более точного соблюдения времени зарядки. На рис.2 приведена схема зарядного устройства (Э.Флинд. Электронные устройства для дома. М., Энергоатомиздат, 1984.) с автоматическим отключением батареи после окончания зарядки стабильным током 70 или 140 мА, который устанавливается переключателем S1. Устройство работает совместно с сетевым адаптером CA-95.

Рис 2. Схема автоматического зарядного устройства

Основу устройства составляет генератор стабильного тока на транзисторах VT4, VT5, в выходную цепь которого включена заряжаемая батарея, которая может содержать от 2 до 9 элементов. Информация о степени заряженности батареи снимается с делителя Ra, Rb и подается на инвертирующий вход операционного усилителя DA1, работающего в режиме компаратора, на неинвртирующий вход которого подано опорное напряжение со стабилитрона D1, питаемого от генератора стабильного тока на транзисторах VT1, VT2. По мере заряда аккумуляторов напряжение на выходе делителя Ra, Rb растет, но, пока оно ниже опорного напряжения, положительное управляющее напряжение с выхода компаратора DA1 удерживает транзистор VT3 открытым, разрешая работу генератора стабильного тока VT4, V5. При этом горит светодиод VD2. При достижении полного заряда батареи напряжение на выходе делителя Ra, Rb сравнивается с опорным, компаратор срабатывает и управляющее напряжение на его выходе скачком уменьшается, вызывая закрытие транзистора VT3 и прекращение работы зарядного генератора VT4, VT5. Светодиод гаснет, сигнализируя об окончании процесса зарядки.

Возможность дальнейшего повышения зарядного тока без ущерба для «здоровья» аккумуляторов связана с обстоятельством, что ток, равный 0,1 от емкости не является оптимальным для протекания в аккумуляторе электрохимических процессов. Еще в 1935 г. Вудбриджем (А. Кузьминский В. Ломанович. Автоматическое зарядное устройство. Радио №12, 1975, с. 44-46.) был сформулирован так называемый закон «ампер-часов», согласно которому сила зарядного тока в амперах не должна превышать величины недостающего до полной емкости аккумулятора заряда в ампер-часах. Кривая зарядного тока, соответствующая этому закону, есть спадающая экспонента (рис.3). Из этой кривой видно, что что до 90% заряда предварительно полностью разряженного аккумулятора может быть восстановлено всего за 2,5 часа (так называемый ускоренный заряд). Это объясняется тем, что разряженный аккумулятор допускает весьма большой зарядный ток без перегрева и газообразования.

Прогресс в области производства аккумуляторов за пршедшие полвека внес заметные коррективы в границы применения закона Вудбриджа в части повышения зарядного тока. Для некоторых типов аккумуляторов, специально разработанных для ускоренного заряда, тако увеличение может достигат 20 раз. Это дает возможность зарядить аккумулятор всего за 15 минут, что по классификации соответствует «очень быстрому» заряду.

Бюллетень Си-Би №6 Июнь 1999 г

Автор Юрий Вичковский

Продолжение

В лаборатории Ассоциации-27 был разработан вариант зарядного устройства (с использованием закона Вудбриджа рис.3), который, в зависимости от настройки, может использоваться для зарядки аккумуляторных батарей, содержащих от 4 до 9 элементов емкостью 0,7 - 0,85 Ачас.

Рис.3. Закон Вудбриджа

Зарядное устройство (рис.4) может работать совместно с сетевым адаптером Dragon или CA-95 и монтируется в корпусе настольного адаптера Desk Charger взамен имеющейся там штатной печатной платы рис.1(см. выше). И имеющиеся там светодиоды используются для отображения обозначенных на корпусе функций. Основу схемы устройства составляет «токовое зеркало», в задающей цепи которого опорное напряжение управляется напряжением с заряжаемой аккумуляторной батареи.

Работает устройство следующим образом. При подаче питающего напряжения с сетевого адаптера через левое плечо «токового зеркала» R1 T1 и стабилитрон D1 с диодами D2, D3 начинает течь ток стабилизации. При этом, если на зарядку установлена разряженная батарея, транзистор Т3 закрыт, поскольку заперт стабилитрон D4 и отсутствует управляющее напряжение на базе транзистора Т3. Опорное напряжение на эмиттере транзистора Т1 вызывает в правом плече «токового зеркала» (R3, Т2) ток заряда аккумуляторной батареи, который определяется отношением разности опорного напряжения на эмиттере транзистора Т1 и напряжения на батарее к сопротивлению резистора R3.

Рис.4. Зарядное устройство, работающее по закону Вудбриджа.

С возрастанием напряжения на батарее открывается стабилитрон D4 и на резисторе R4 начинает возрастать управляющее напряжение, часть которого с движка потенциометра R4 подается на базу транзистора Т3, постепенно открывая его. Это вызывает шунтирование диодов D2, D3 и постепенное уменьшение опорного напряжения на эмиттере Т1, что ведет к уменьшению зарядного тока. При этом, благодаря свойствам «токового зеркала», изменение тока будет происходить по спадающей экспоненте, т.е. в соответствии с законом Вудбриджа. При правильной настройке режима работы транзистора Т3 с помощью потенциометра R4 зарядный ток будет изменяться от максимального при разряженной батарее до очень малого (единицы миллиампер), соответствующего току саморазряда полностью заряженной батареи.

Таким образом, заряженная батарея может оставаться в зарядном устройстве без опасности перезаряда, будучи готовой к немедленной установке в аппаратуру.

Схема дополнена индикатором наличия напряжения сетевого адаптера (красный светодиод) и индикатором заряда (зеленый светодиод), который не горит при полностью разряженной батарее, увеличивает яркость свечения по мере заряда и достигает полной яркости при полном заряде батареи. Управление яркостью свечения светодиода осуществляется транзистором Т4, база которого через резистор R5 подключена к движку потенциометра R4.

При установке на зарядку не полностью разряженной батареи последняя сама, посредством транзистора Т3, управляет процессом установки начального тока заряда, а дальше процесс идет, как описано выше.

Рис.5. Устройство для индивидуальной зарядки батарей.

Еще одно зарядное устройство, работающее по закону Вудбриджа (О. Белоусов. Зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторов. Радиолюбитель №11, 1998, с.30-31.), предназначено для зарядки одиночных аккумуляторов. Каждый аккумулятор в нем заряжается в отдельной ячейке, что дает возможность учесть его индивидуальную емкость и степень разряженности. Схема, приведенная на рис.5, модифицирована для использования совместно с источником питания с напряжением 13,8 В.

Каждый аккумулятор в ячейке заряжается током эмиттера соответствующего транзистора, причем этот ток пропорционален току базы, определяемому отношением разности опорного напряжения и напряжения на аккумуляторе (за вычетом падения напряжения на переходе эмиттер-база этого транзистора) к сопротивлению резистора в цепи базы

IБ=(UОП-UБ-UБЭ)/RБ                          (1)

Поскольку UОП и UБЭ приблизительно постоянны, ток IБ будет спадать по мере роста напряжения на аккумуляторе, а поскольку этот рост идет по закону, близкому к экспоненциальному, то и уменьшение тока также будет экспоненциальным.

Для обеспечения правильной работы ячеек необходимо, чтобы величина UОП была равна 2,00-2,05 В. Поскольку UБЭ равно 0,60-0,65 В, а напряжение на заряженном аккумуляторе составляет 1,35-!,40 В, в конце заряда числитель (1) стремится к нулю, и ток заряда прекращается. Остается лишь небольшой ток, компенсирующий саморазряд аккумулятора. Таким образом, аккумулятор, находясь в ячейке, остается всегда полностью заряженным. Т.к. стабилитроны с опорным напряжением 2,00-2.05 В не производятся, в схеме используется аналог стабилитрона на транзисторах Т1, Т2, отрегулированный на нужное напряжение.

При желании устройство может быть дополнено световой или звуковой схемой контроля состояния заряжаемых элементов, как это сделано у автора.

Избыток напряжения питания, во избежание перегрева транзисторов зарядных ячеек, понижается резисторами в цепях их коллекторов. Источник питания должен обеспечивать ток до 2 А, т.к. все цепи заряда работают параллельно.

Бюллетень Си-Би №7 Июль 1999 г

Автор Юрий Вичковский

Продолжение

В предыдущих номерах мы рассматривали устройства для ускоренного заряда аккумуляторов, которые постепенно снижают зарядный ток по мере роста степени заряженности аккумулятора. Такие схемы могут быть выполнены также на основе двухтактного транзисторного преобразователя напряжения (рис.1). При больших зарядных токах устройство работает в режиме генератора тока, а по мере роста заряда плавно переходит в режим генератора напряжения, когда происходит окончательная дозарядка. Максимальный ток заряда определяется емкостью конденсатора C1, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора. При C1 = 4 мкФ максимальный ток заряда равен 0,46 А, при С1 = 1 мкФ – 110 мА.

После выпрямления мостом D1 и стабилизации напряжения стабилитроном D2 напряжение поступает на преобразователь напряжения Т1, Т2, вторичная обмотка трансформатора которого через выходной диодный мост подключена к заряжаемому аккумулятору. Трансформатор выполнен на кольце из феррита 1500НМ типоразмера К40х25х11. Обмотки: 1- 2х160 витков, 2- 72 витка.

Рис.1. Зарядное устройство с транзисторным преобразователем.

Если аккумуляторная батарея состоит из отдельных аккумуляторов, то перед установкой аккумуляторов на заряд их желательно разрядить до напряжения 0,9 – 1,0 В во избежание перезаряда недорязряженных аккумуляторов. Такая процедура легко осуществляется автоматически подключением их к индивидуальным разрядным ячейкам, электрическая схема которых (рис.2) предельно проста и состоит из последовательно включенных ограничительного резистора и двух диодов, один из которых кремниевый, а второй германиевый, так что сумма падений напряжений на них равна примерно 0,9-1,0 В.

Рис.2. Разрядная ячейка

Это обеспечивает разряд аккумулятора до этого уровня и дальнейшее прекращение разряда вследствие закрытия диодов. Диоды должны быть рассчитаны на ток не менее 200 мА.

Заряженные аккумуляторы следует проверить в составе радиоаппаратуры, поскольку в процессе старения они постепенно теряют емкость и отдаваемый ток вследствие увеличения внутреннего сопротивления. При работе радиостанции на передачу потребляемый ток существенно – в пять раз – превышает максимальный ток разряда по ТУ, равный двойному зарядному. Аккумулятор, частично потерявший емкость, при работе с пятикратной перегрузкой способен переполюсовываться, становясь как бы резистором в цепи питания.

Выходная емкость радиостанции резко падает и даже возможны отказы связи из-за появления паразитной генерации. Именно поэтому необходимо проверять аккумуляторы на нагрузочную способность.

Рис.3. Устройство для проверки заряженных аккумуляторов.

Простейшая схема подобного устройства приведена на рис.3. Измерительная головка с током полного отклонения 0,1-0,5 мА и последовательно включенным резистором R* образует вольтметр постоянного тока с пределом измерения 1,5 В, а резисторы, подключаемые тумблерами, с сопротивлениями 12; 6,2; 3; 1,5 Ом образуют нагрузки с токами 0,1; 0,2; 0,4; 0,8 А. При пользовании устройством сначала определяют напряжение аккумулятора без нагрузки (обычно 1,35-1,37 В),а затем включают тумблерами соответствующую нагрузку и в течении 2-3 секунд убеждаются, что напряжение аккумулятора не "плывет", а уменьшение напряжения под нагрузкой не превышает 0,06-0,07 В. В противном случае аккумулятор не годен для установки в радиостанцию и требует замены.

Он, конечно, может быть использован в аппаратуре с меньшим потреблением тока.

Используя интегральные стабилизаторы напряжения типа 7805 или КРЕН5 можно изготовить простое зарядное устройство с постоянным током заряда (рис.4). Ток заряда определяется резистором R1*, который для тока 120 мА равен 56 Ом, а для 50 мА – 120 Ом. Светодиод D2 служит индикатором наличия тока заряда. Для обеспечения заряда до 10 аккумуляторов в батарее, соединенных последовательно, необходимо напряжение питания 24 В.

Рис.4.Первый вариант зарядного устройства с микросхемой.

Второй вариант этого зарядного устройства (рис.5) представляет собой включение заряжаемой батареи во входной цепи микросхемы, при этом ток заряда задается нагрузочным сопротивлением на выходе микросхемы, которое рассчитывается по закону Ома. В обоих случаях микросхема должна быть установлена на большой радиатор во избежание перегрева.

Рис.5. Второй вариант зарядного устройства с микросхемой.

Улучшения эксплуатационных характеристик аккумуляторов можно добиться асимметричным током заряда, т.е. при использовании режима "заряд-разряд".

Схема (рис.6) содержит две аналогичные ветви, нижняя из которых работает на "заряд", а верхняя – на "разряд", причем токи заряда и разряда можно регулировать независимо друг от друга. желательное соотношение токов заряда и разряда – 10:1. При этом достигается очищение поверхности электродов от пузырьков газа и загрязнений, что способствует увеличению емкости. При пропадании переменного напряжения оба плеча закрываются, ток через аккумулятор не течет, и аккумулятор не разряжается.

Рис.6. Зарядное устройство с использованием асимметричного тока.

Необходимость слежения за временем заряда можно исключить при использовании программируемого таймера, содержащего генератор и счетчик до 224, что дает возможность генерирования одиночного импульса продолжительностью 14 часов.

Рис.7. Зарядное устройство с таймером.

Схема (рис.7) содержит, кроме таймера, управляемое транзистором Т1 "токовое зеркало" Т2,Т3 с токозадающим резистором R7 и цепь запуска R1C1, устанавливающую счетчик в исходное состояние в момент подачи питания. После отработки времени заряда 14 часов таймер выключает транзистор Т1, закрывая транзисторы Т2, Т3. При этом ток заряда прекращается.



До 30 сентября мы снизили цены на популярные модели

Количество товара по акции ограничено, наличие товара указано на сайте.

Автомобильная антенна MegaJet Omega Mag 90
Диапазон CB
Магнитное основание
Длина антенны 90 см.
2300 руб.
1580 руб.
Автомобильная рация MegaJet MJ-150
Диапазон CB 27 Мгц,
225 каналов.
Мощность 4 Вт.
Шумодав, нули-пятёрки.
4100 руб.
3600 руб.
Автомобильная антенна Optim Hustler 1c/100
Диапазон: CB (27 МГц)
Магнитное основание
Длина антенны: 150 см
1280 руб.
999 руб.
Автомобильная рация MegaJet MJ-850
Диапазон: CB (27 МГц)
320 (360) каналов
Мощность 18 Вт
Корейская сборка
6690 руб.
4300 руб.

 


ВходРегистрация