"Индивидуальное" зарядное устройство-автомат без микроконтроллера - Зарядные устройства (для батареек) - Источники питания

Простое автоматическое зарядное устройство, о котором пойдет речь, собрано из доступных деталей, суммарная стоимость которых не превышает цены одного никель-металлогидридного аккумулятора типоразмера AA, для зарядки которого и предназначено устройство. Собрать его можно на печатной плате, размеры которой не намного больше габаритов самого аккумулятора.

В своей технической документации фирмы-производители указывают параметры оптимального режима заряда, а также приводят зарядную и разрядную характеристики аккумулятора. Их сравнительный анализ, в том числе экспериментальный, позволил отметить две особенности, ставшие затем отправными при разработке данного зарядного устройства, а именно:

зарядные характеристики выпускаемых различными производителями аккумуляторов, имеющих одну и ту же емкость, хотя и однотипны, но не совпадают;
отказ от практики так называемой "быстрой" зарядки сравнительно большим током заряда позволяет значительно увеличить срок службы аккумулятора.

Следует учесть, что при "быстрой" зарядке необходимо следить не только за значением напряжения на заряжаемом аккумуляторе, но и увеличивается оно еще или уже пошло на убыль (признак окончания заряда), а также за температурой аккумулятора. Ясно, что для этого надо использовать либо специализированные микросхемы, не всегда доступные и, как правило, не дешевые, либо микроконтроллер, применение которого, в свою очередь, требует не только умения писать программы, но и наличия программатора. Изготовить и отладить такое зарядное устройство будет под силу далеко не каждому радиолюбителю.

Заметим также, что даже однотипные аккумуляторы одного производителя с одной и той же датой выпуска по своим параметрам в той или иной степени отличаются друг от друга. Не считаться с этим нельзя, так как, например, различное внутреннее сопротивление не позволяет в равной степени ни разрядить, ни затем зарядить аккумуляторы в составе батареи.

По совокупности изложенных выше аргументов было разработано "индивидуальное" зарядное устройство на основе дешевой микросхемы сдвоенного компаратора LM2903P. После подключения аккумулятора и подачи напряжения питания устройство сначала полностью разряжает аккумулятор, а затем заряжает его номинальным током заряда. Незадолго до окончания заряда устройство автоматически переходит в режим подзарядки аккумулятора малым током. В таком режиме даже полностью заряженный аккумулятор безо всякого ущерба может находиться еще многие часы, и поэтому какой-либо таймер отключения оказывается излишним. Все три стадии работы устройства отражает светодиодная индикация.

Электрическая принципиальная схема устройства приведена на рис.1. Автоматическую работу зарядного устройства обеспечивают два компаратора напряжения. Компаратор D2:2 управляет разрядом аккумулятора, а компаратор D2:1 - его зарядом. Сразу заметим, что работа данного зарядного устройства предполагает, что сначала к нему подключается аккумулятор, и лишь затем подается напряжение питания, но не наоборот.


Рис.1.	Схема "индивидуального" зарядного устройства

Перед тем, как начать заряжать аккумулятор, его желательно полностью разрядить. Признаком полного разряда аккумулятора является падение напряжения на нем до уровня 1 В и ниже при подключении к нему нагрузки. Этот порог задается делителем напряжения на резисторах R5 и R6, к которому подключен инвертирующий вход 6 компаратора D2:2. На неинвертирующий вход 5 этого компаратора через резистор R8 поступает напряжение с аккумулятора. Управление разрядом аккумулятора происходит следующим образом. Итак, на момент подачи напряжения питания аккумулятор к зарядному устройству уже подключен. Если аккумулятор разряжен не полностью, то напряжение на нем, а значит и на неинвертирующем входе 5 компаратора D2:2, превышает напряжение, установленное делителем R5:R6 на инвертирующем входе 6 этого компаратора. Уровень напряжения на выходе 7 компаратора в таком случае будет высоким, следовательно транзисторы VT1 и VT6, на затворы которых это напряжение поступает, откроются. Начнется разряд аккумулятора через нагрузочный резистор R7, и пока он не закончится, будет гореть красный светодиод VD4. Транзисторы VT2 и VT4 при этом заперты и влияния на работу устройства не оказывают. Как только напряжение на аккумуляторе упадет ниже порога, установленного делителем R5:R6, компаратор сработает, и уровень напряжения на его выходе 7 станет низким, транзисторы VT1 и VT6 закроются, соответственно разряд аккумулятора через резистор R7 прекратится и красный светодиод VD4 погаснет. При отключении нагрузочного резистора напряжение на аккумуляторе несколько увеличится и может снова превысить напряжение на инвертирующем входе 6компаратора. Поэтому транзистор VT2, открываемый как раз низким уровнем напряжения на выходе 7 компаратора D2:2, подключает к делителю R5:R6дополнительный резистор R13, чем поднимает пороговое напряжение срабатывания компаратора в два раза, и повторного переключения не происходит. Узел на компараторе D2:2 таким образом работает как триггер Шмитта. Ток разряда задается резистором R7.

Итак, полный разряд аккумулятора завершен, и на выходе 7 компаратора D2:2 установился низкий уровень напряжения. При этом загорается желтый светодиод VD2, а через делитель напряжения на резисторах R15 и R16 на базу транзистора VT4 подается открывающее напряжение. Далее зарядом аккумулятора управляет узел на компараторе D2:1. На неинвертирующий вход 3 этого компаратора через резистор R2 подается напряжение с аккумулятора, а на инвертирующий вход 2 - напряжение с регулируемого делителя на резисторах R1, R3 и R4. Пока напряжение на заряжаемом аккумуляторе меньше уровня, задаваемого этим делителем, p-канальный полевой транзистор VT3 открыт низким уровнем напряжения на выходе 1 компаратора D2:1. Резистор R18 тогда оказывается зашунтированным малым (не более 0,6 Ом) сопротивлением канала этого транзистора, что, в свою очередь, приводит к насыщению транзистора VT4, и он также полностью открывается. Ток заряда аккумулятора в этом случае протекает по цепи:

+5В -> VT3 -> VT4 -> VD1 -> R9||R10 -> R7 -> U1 -> Общий провод

Его значение устанавливается резисторами R9 и R10 и равно:

где:

U_П - напряжение питания;

U_НАС - напряжение насыщения (коллектор-эмиттер) транзистора VT4;

U_VD1 - падение напряжения на диоде VD1;

U_АКК - приблизительное значение среднего напряжения на аккумуляторе за время зарядки;

R9||R10 - сопротивление цепи из двух параллельно соединенных резисторов R9 и R10.

Номинальное напряжение питания U_П зарядного устройства составляет 5 В. Значения напряжений U_НАС и U_VD1 при токе до 250 мА для указанных на схеме элементов не превышают 0,35 В, а среднее напряжение на аккумуляторе за весь период зарядки U_АКК можно принять равным 1,36 В. Подставив эти значения в формулу [1], получим:

Напряжение на аккумуляторе в процессе его зарядки постепенно нарастает, соответственно растет и напряжение на неинвертирующем входе 3 компаратораD2:1. Как только это напряжение перейдет через порог, установленный делителем напряжения из резисторов R1, R3 и R4, выход 1 компаратора изменит свое состояние, уровень напряжения на нем станет высоким и транзистор VT3 закроется. С этого момента, поскольку резистор R18 каналом полевого транзистора VT3уже не шунтируется, узел на транзисторе VT4 начинает работать как стабилизатор тока подзаряда аккумулятора. Величина этого тока не зависит от сопротивления резисторов R7, R9 и R10 и определяется напряжением на резисторе R15 и сопротивлением резистора R18 в соответствии со следующим выражением:

где 0,78 В в числителе - это напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT4. Величину тока подзарядки всегда выбирают в несколько раз ниже номинального тока заряда аккумулятора. Но так как при уменьшении тока заряда уменьшается и напряжение на заряжаемом аккумуляторе, компаратор D2:1может переключиться обратно. Чтобы этого не произошло резистором R12 введена положительная обратная связь, и узел на компараторе D2:1 также работает как триггер Шмитта, то есть имеет некоторый гистерезис порогов переключения.

Переход зарядного устройства в режим подзарядки отражает и светодиодная индикация, теперь горят два светодиода: желтый VD2 и зеленый VD3. Последним управляет транзистор VT5, открываемый высоким уровнем на выходе 1 компаратора D2:1.

Поскольку регулируемый делитель напряжения на резисторах R1, R3 и R4 подключен к источнику образцового напряжения, выполненному на микросхеме D1и резисторе R11, то какие-либо чрезмерные требования к точности и стабильности напряжения питания зарядного устройства не предъявляются. Резисторы R14,R19 и R20 ограничивают ток через светодиоды VD2, VD3 и VD4 соответственно. Диод VD1 препятствует нежелательному разряду аккумулятора через коллекторный переход транзистора VT4 при выключении питания. А нажатием микрокнопки SB1 можно отказаться от предварительного разряда аккумулятора и его заряд начнется сразу.

Номинальное сопротивление резисторов R7, R9 и R10 выбирается исходя из величины токов разряда и заряда, рекомендуемой для аккумуляторов того или иного типа. Приведем пример расчета этих сопротивлений для вполне доступного и недорогого аккумулятора типа GP130AAHC, выпускаемого фирмой GP Batteries.

Начнем с резистора R7, сопротивление которого определяет ток разряда аккумулятора. Судя по приведенной в технической документации разрядной характеристике, напряжение на почти полностью разряженном аккумуляторе составляет около 1,18 В. Это значение является общим для большинства никель-металлогидридных аккумуляторов. Пренебрегая малым сопротивлением открытого канала полевого транзистора VT1 рассчитаем сопротивление резистора R7 для тока 0,25 А. Эта величина тока в начале процесса разряда позволит до конца разрядить аккумулятор менее чем за час. В результате получаем:

Из ряда стандартных номиналов E96 находим ближайший к этому значению и принимаем R7=4,7 Ом. Тип этого резистора следует выбирать с учетом рассеиваемой мощности:

Теперь, когда сопротивление резистора R7 уже известно, рассчитаем сопротивление цепи из двух параллельно соединенных резисторов R9 и R10 исходя из требуемого значения среднего тока заряда аккумулятора. На самом аккумуляторе GP130AAHC и в технической документации на него указан номинальный ток заряда 130 мА . Возьмем для расчета именно это значение и на основании равенства [2] произведем вычисления:

Параллельное соединение двух одинаковых резисторов номинальным сопротивлением 36 Ом с достаточной точностью дает именно это значение. Мощность, рассеиваемую каждым из этих резисторов, можно определить из выражения:

Тип и номинальную мощность резисторов R9 и R10 следует выбирать исходя из этого значения.

Теперь можно перейти к расчету резистора R18. Для этого ток подзарядки зададим равным около двух пятых от номинального тока заряда, например 50 мА, и воспользуемся формулой [3]. При указанных на схеме номиналах резисторов R15 и R16 используемое в формуле напряжение на первом из них составит около1,38 В. Следовательно:

а мощность, рассеиваемая резистором, соответственно равна:

Проверим мощность, рассеиваемую транзистором VT4:

где U_VT4 - напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT4.

подставив полученное значение в выражение [10], находим:

Полученное таким образом значение рассеиваемой мощности не превышает максимально допустимое для указанного на схеме типа транзистора.

Устройство можно собрать на небольшой двухсторонней печатной плате размером всего 16x67 мм. Трассировка проводников платы в масштабе 1:1 приведена на рис.2. Столь малые размеры были достигнуты применением предназначенных для поверхностного монтажа элементов и их установкой с обеих сторон платы. Исключение составляют микросхемы D1 и D2, кнопка SB2, выпрямительный диод VD1 и светодиоды VD2..VD4, а также резисторы R1, R7, R9 и R10. Остальные резисторы, а также керамические конденсаторы C1 и C2, имеют типоразмер 0805. Все транзисторы - в корпусе типа SOT-23.


Рис.2.	Трассировка проводников печатной платы

Размещение элементов на печатной плате показано на рис.3. Сравнительно мощные резисторы R7, R9 и R10 - импортные с максимальной мощностью 0,6 Втили отечественного производства типа МЛТ или С2-23 мощностью 0,5 Вт. Подстроечный резистор R1 - любой подходящий по размеру (автор применил подстроечный резистор типа 3362P, выпускаемый фирмой BOURNS).


Рис.3.	Установка элементов на печатной плате

Наладка зарядного устройства сводится к установке подстроечным резистором R1 индивидуального для того или иного аккумулятора уровня срабатывания компаратора D2:1, когда произойдет переход из режима заряда номинальным током в режим подзарядки:

Вывести движок подстроечного резистора R1 в крайнее левое по схеме положение;
Подключить аккумулятор;
Подать питание, при этом должен загореться красный светодиод VD4 - "РАЗРЯД";
С момента окончания разряда, когда погаснет красный светодиод VD4 и загорится желтый светодиод VD2 "ЗАРЯД", засечь время заряда аккумулятора номинальным током;
Спустя примерно десять часов с момента начала заряда номинальным током плавным вращением движка подстроечного резистора R1 установить уровень срабатывания компаратора D2:1. Для этого движок подстроечного резистора следует очень медленно вращать пока не загориться зеленый светодиод VD3"ПОДЗАРЯД".

При описанном выше способе заряда аккумулятора указанное на нем или в его техническом описании общее время заряда следует увеличить в полтора раза. Следует также заметить, что опасность "перезаряда" аккумулятора при его подзарядке малым током появляется лишь при значительном повышении температуры окружающей среды.

Для питания зарядного устройства пригоден любой сколько-нибудь стабилизированный источник питания с выходным напряжением 5 В ± 10% и достаточной для обеспечения требуемого зарядного тока нагрузочной способностью. Например, к блоку питания от старого персонального компьютера таких зарядных устройств можно подключить целую гирлянду.

Задорожный Сергей Михайлович

E-mail отправителя *:
Причина:	Такая схема уже есть на сайте Ненужный материал на сайте! Я против размещения этой статьи на сайте. В комментариях спам или нец-ая брань. Требую удаления материала.
Текст сообщения *:
Номер схемы или Url *: