Зарядное устройство для щелочных аккумуляторов

Несмотря на разнообразив зарядных устройств (ЗУ), в том чис­ле автоматических, для щелочных аккумуляторов (Ni-Cd, Ni-Mh) выбрать подходящее не так просто. Дело в том, что такие при­знаки окончания зарядки, как значение напряжения или момент его уменьшения, не являются справедливыми для всех аккуму­ляторов, особенно прослуживших большой срок. По мнению ав­торов, самый простой и надежный вариант, проверенный време­нем, — это предварительная разрядка аккумулятора с последую­щей зарядкой стабильным током в течение определенного ин­тервала времени. При этом сводится к минимуму влияние "эф­фекта памяти", но остается еще одна задача — вовремя выклю­чить ЗУ, чтобы не перезарядить аккумулятор. Кроме того, жела­тельно постоянно контролировать его температуру. Устройство, разработанное авторами, решает эти задачи.

Рис. 1

Предлагаемое ЗУ предназначено для зарядки щелочных аккумуляторов стабильным током в течение фиксиро­ванного интервала времени, равного 5 ч. Его отличительная особенность — возможность контроля за температурой заряжаемого аккумулятора. В устройст­ве применен микроконтроллер (МК) PIC10F200, один из самых недорогих и малогабаритных (корпус SOT23-5). Схема ЗУ показана на рис. 1, и работает оно следующим образом. К вилке ХР1 подключают источник питания, а к ХР2 — заряжаемый аккумулятор GB1 и термо­резистор RK1 с отрицательным ТКС. МК работает по программе, коды которой приведены в таблице. После включения питания устройство находится в дежурном режиме (МК в "спящем" режиме с током потребления около 0,1 мкА). При кратковременном нажатии на кноп­ку SB1 "Пуск" включается режим заряд­ки и начинается отсчет времени. По ис­течении пяти часов зарядка автоматиче­ски прекращается и устройство переходит в дежурный режим. Если в процес­се зарядки нажать на кнопку SB1 "Пуск", то устройство перейдет в дежурный ре­жим принудительно.

Для исключения сбоев в работе, свя­занных с отключением напряжения пита­ния, предусмотрен переход в режим ожидания. В этом случае отсчет времени прекращается, режим зарядки отключается, а МК переходит в "спящий" режим. В таком состоянии он получает питание от конденсатора С1, зарядки которого хватает на несколько часов. Если в тече­ние этого интервала времени напряже­ние питания появится, то зарядка акку­мулятора возобновится, а отсчет време­ни продолжится далее до достижения 5 ч. Для контроля температуры заряжае­мого аккумулятора к нему прикрепляют терморезистор RK1. В случае превыше­ния заранее установленного значения температуры напряжение на выводе 6 микросхемы снижается до 1,5 В, заряд­ка прекращается и устройство перехо­дит в режим ожидания. После остывания аккумулятора процесс зарядки и отсчет времени возобновляются.

На мощном полевом переключатель­ном транзисторе VT1 и микросхеме па­раллельного стабилизатора напряжения DA1 собран стабилизатор тока зарядки. Он включается при появлении высокого уровня напряжения на выводе 4 микро­схемы DD1. Требуемое значение тока за­рядки в амперах определяют из прибли­женного соотношения: l_3ap ~ 0,26С_А, где С_А — емкость заряжаемого аккумулятора (Ач). Сопротивление резистора R6 (в омах) зависит от значения этого тока: R6 = 2,5/1_зар. При расчете сопротивления следует учесть, что через резистор R7 протекает ток 7...10 мА. Коллекторный переход транзистора VT2 используется в качестве диода для предотвращения разрядки аккумулятора в дежурном ре­жиме или в режиме ожидания, для этого выводы базы и эмиттера соединены. Применение транзистора обусловлено чисто конструктивными соображениями, и его можно заменить любым подходя­щим по параметрам диодом.

Напряжение питания МК стабилизи­ровано параметрическим стабилизато­ром напряжения R1VD3. Резистор R2 поддерживает на выводе 1 МК высокий уровень, поскольку включение внутрен­него резистора аналогичного назначе­ния в МК приводит к повышенному потреблению тока в "спящем" режиме. Диод VD1 нужен для уменьшения напря­жения на выводе 1 МК, чтобы оно не превышало напряжения питания. Эле­менты R7, HL1 служат для индикации режима зарядки.

Все детали смонтированы на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой пока­зан на рис. 2. Она рассчитана на установ­ку резисторов МЛТ, С2-33. Резистор R6 можно изготовить из отрезка высокоомного провода, намотав его на резистор МЛТ-0,5 сопротивлением более 1 кОм. Терморезистор — КМТ-17 или СТ1-17, кнопка SB1 — SWL20 или аналогичная ма­логабаритная с самовозвратом, диоды КД510А можно заменить на любой из се­рий КД521, КД522, конденсатор — К50-35 или импортный. Транзистор КТ819Б за­меним на биполярный структуры n-р-n с максимальным током базы не менее 2 А, IRLZ34 — на IRLZ14, IRLZ44 или аналогич­ный мощный переключательный полевой транзистор (см. "Мощные полевые пере­ключательные транзисторы фирмы International Rectifier". — Радио, 2001, № 5, с. 45.) с n-каналом, изолированным затвором и управлением логическими уровнями (в первой части буквенно-циф­рового обозначения должна быть буква L). Оба транзистора должны быть в корпусах ТО-220. Вилки ХР1, ХР2 — WF-2MR и WF-4MR, соответствующие им розетки — HU-2F и HU-4F.

Плату двумя винтами крепят к пласти­не из дюралюминия, которая одновре­менно служит теплоотводом. Микросхе­му DD1 и транзисторы монтируют со сто­роны печатных проводников. Под одним винтом между платой и пластиной уста­новлена втулка высотой 4,7 мм, другим винтом прижимают транзисторы VT1 и VT2, которые отделены от пластины изолирующей прокладкой. На винты со стороны платы навинчивают резьбовые втулки, к которым, в свою очередь, кре­пят верхнюю пластмассовую крышку с отверстиями для светодиода, толкателя кнопки и вилок ХР1, ХР2. Площадь теплоотвода (пластины) при токе зарядки не более 0,5 А и минимально возможном значении напряжения питания должна быть 30...40 см². Если ток зарядки боль­ше и напряжение питания превышает ми­нимальное, площадь теплоотвода необ­ходимо пропорционально уве­личить.

Правильно собранное уст­ройство начина­ет работать сра­зу, но требует налаживания. К гнездам ХР подключают регулируемый блок питания с установленным выходным на­пряжением 6 В, к вилке ХР2 — терморезистор, а взамен аккуму­лятора — резис­тор сопротивле­нием 10 Ом и мощностью не менее 2 Вт. Нажимая на кнопку SB1, вклю­чают режим зарядки, при этом светодиод должен светить. Уменьшают выходное на­пряжение блока питания до момента, ког­да устройство перейдет в режим ожида­ния (светодиод погаснет). Значение на­пряжения при этом должно быть в преде­лах 4...5 В, в противном случае подбирают резистор R5. При увеличении напряжения блока питания до 5 В и более устройство должно перейти в режим зарядки.

Затем, при напряжении питания 6 В, включают режим зарядки, нагревают тер­морезистор (например, с помощью фе­на) и контролируют его температуру тер­мометром. При температуре 50...60°С устройство должно перейти в режим ожи­дания, а при снижении температуры — вернуться в режим зарядки. Температуру, при которой происходит переключение устройства, можно установить, подбирая резистор R8. В заключение — взамен ак­кумулятора включают амперметр и в ре­жиме зарядки, подбирая резистор R6, ус­танавливают требуемое значение тока. Если планируется зарядка аккумуляторов с различной номинальной емкостью, то взамен R6 надо установить несколько резисторов различного сопротивления и переключать их с помощью дополни­тельного переключателя.

Сопротивление резистора R1 зависит от напряжения питания ЗУ, которое, в свою очередь, зависит от числа заря­жаемых аккумуляторов. Минимальное напряжение питания равно 6 В с одним заряжаемым аккумулятором, при этом необходим резистор R1 с сопротивлени­ем 51 Ом. С увеличением числа аккуму­ляторов напряжение питания нужно уве­личивать на 1,8...2 В на каждый из них, а номинал резистора R1 — примерно на 200 Ом. Можно, конечно, постоянно пи­тать ЗУ от блока питания с максималь­ным напряжением, но тогда при зарядке одного или двух аккумуляторов на тран­зисторе VT1 будет рассеиваться слиш­ком большая мощность, что потребует применения более эффективного теплоотвода. Если стабилизатор тока зарядки окажется склонным к самовозбуждению, между затвором и истоком (непосредст­венно на выводах транзистора) необхо­димо установить керамический конден­сатор емкостью 0,033...0,22 мкФ с выво­дами минимальной длины.

Работают с ЗУ так. Подключают к нему заряжаемый аккумулятор, к которому скотчем или изоляционной лентой крепят терморезистор, подают напряжение пи­тания и нажимают на кнопку "Пуск". Заго­рается светодиод HL1, и начинается за­рядка. Через 5 ч она заканчивается, и све­тодиод гаснет. По опыту авторов, при пя­тичасовом режиме зарядки сильно греют­ся только некондиционные аккумуляторы, поэтому от их дальнейшей эксплуатации следует воздержаться. Кроме того, если есть возможность, заряженные аккумуля­торы оставляют на хранение в течение месяца, и если их напряжение упадет ни­же 1,2 В (что свидетельствует о повышен­ном токе саморазрядки), их дальнейшая эксплуатация нецелесообразна.

Разряжать щелочной аккумулятор (один элемент) проще всего, подключая к нему с соблюдением полярности цепь, состоящую из последовательно соеди­ненных германиевого и кремниевого вы­прямительных диодов средней мощнос­ти и резистора сопротивлением 1 Ом. В этом случае аккумулятор автоматичес­ки разрядится до напряжения около 0,9 В. Время разрядки зависит от факти­ческой емкости аккумулятора, поэтому необходимо периодически контролиро­вать его напряжение, но глубокой раз­рядки не произойдет.

Разрядно-зарядные процедуры с ак­кумуляторами типоразмера АА и AAA, не соединенными в батареи, удобнее производить, доработав стандартные держатели батарей на несколько мест. Часть из них снабжают разрядными цепя­ми, по одной на каждое место, а другую часть — гнездами для подключения к ЗУ.

Описанное ЗУ можно использовать и для зарядки предварительно разря­женных РЬ и Li-ion аккумуляторов, вы­брав соответствующий ток зарядки.

Источник: Радио №6, 2007 г., автор Ю. Гумеров, А. Зуев, г. Ульяновск.