початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

СХЕМА ПРИСТРОЇ ДЛЯ прискореної зарядки акумуляторних батарей
Ni-Cd і Ni-MH

Автор статті: М. Євсиков

Описується в статті пристрій призначений для прискореної зарядки батарей Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів експоненціально зменшується струмом. До його переваг можна віднести можливість вибору часу зарядки в межах від 45 хв до 3 год, простоту виготовлення і налагодження, відсутність нагріву акумуляторів в кінці зарядки, можливість візуального контролю процесу зарядки, автоматичне відновлення процесу при відключенні і наступному включенні електроживлення, зручність користування. Пристрій можна використовувати в якості стенду для зняття зарядно-розрядних характеристик акумуляторів.

При зарядці великим постійним струмом (0,5Е і більш, де Е - ємність акумулятора) акумулятор починає нагріватися після 75 ... 80% -ного заряду, причому Ni-MH акумулятори нагріваються більше, ніж Ni-Cd [1]. Після повної зарядки акумулятора температура прискорено зростає [1], і якщо цей процес вчасно не зупинити, то він завершується займанням або вибухом акумулятора. Рекомендована температура припинення зарядки - +45 ° С [2]. Однак цей критерій годиться тільки як аварійний: поєднання перезарядки з перегрівом знижує ємність акумулятора і, отже, скорочує термін його служби.

Досягнення певної напруги на акумуляторі і не є задовільним критерієм закінчення процесу. Справа в тому, що його значення, відповідне повній зарядці, заздалегідь невідомо, так як залежить від температури і "віку" акумулятора. Помилка в кілька мілівольт призводить до того, що зарядка акумулятора ніколи не закінчиться або завершиться занадто рано [3].

При зарядці постійним струмом легко контролювати заряд - він прямо пропорційний тривалості процесу. Зокрема, його величину можна встановити рівної номінальної ємності акумулятора. Але з плином часу його ємність зменшується і в кінці терміну служби складає приблизно 80% номіналу. Тому обмеження заряду номінальною ємністю не гарантує відсутності перезарядки і перегріву акумуляторів і, отже, не може бути єдиним критерієм закінчення зарядки.

Найскладніший критерій закінчення процесу - момент, коли напруга на акумуляторі досягає максимуму, а потім починає зменшуватися. Максимальна напруга на акумуляторі відповідає повній зарядці, але в [2] показано, що воно є наслідком нагріву акумулятора в процесі відновлення заряду. Величина максимуму дуже мала, особливо у Ni-MH акумуляторів (близько 10 мВ), тому для його виявлення застосовують АЦП або перетворювачі напруги в частоту [2]. При зарядці батареї максимум напруги різних її елементів досягається в різний час, тому бажано контролювати кожен з них окремо. До того ж зустрічаються акумулятори з аномальною зарядної характеристикою, на якій цей максимум відсутній. Інакше кажучи, контроль тільки напруги недостатній, необхідно ще контролювати і температуру, і величину заряду, пропущеного через батарею.

Таким чином, при зарядці батареї великим незмінним струмом необхідно контролювати кожен її елемент за кількома критеріями, що ускладнює зарядний пристрій. Лише зарядка малим струмом (не більше 0,2Е) не викликає аварійного перегріву акумуляторів навіть при великій перезарядці. У цьому випадку стан кожного елемента контролювати не потрібно, зарядний пристрій виходить дуже простим, але і недолік його очевидна - тривалий час зарядки.

Існують зарядні пристрої, в яких спочатку великий зарядний струм зменшується з плином часу [4-6]. В цьому випадку і не потрібно контролювати стан кожного елемента батареї. Але в цих пристроях відсутній контроль величини заряду, а в якості критерію повної зарядки використовується досягнення певної напруги, що, як згадано вище, не є задовільним.

В [7] описано зарядний пристрій, в якому акумуляторна батарея заряджається як конденсатор від джерела постійної напруги через резистор. В цьому випадку зарядний струм теоретично повинен зменшуватися з плином часу по експоненті з постійною часу, що дорівнює добутку еквівалентної ємності акумулятора на опір цього резистора. На практиці ж залежність струму зарядки від часу відрізняється від експоненційної, так як еквівалентна ємність і вихідний опір джерела змінюються в процесі зарядки. Але навіть якщо знехтувати зазначеним відзнакою, то найважливіший параметр - постійна часу зарядки - невідомий, внаслідок чого неможливий контроль пропущеного через акумулятор заряду. Тому зарядка закінчується знову ж по досягненню певного напруження.

У пропонованому пристрої ток зарядки в формі експоненціально зменшується імпульсу обраний тому, що його легко реалізувати за допомогою найпростішої RC-ланцюга. Завершується він природним чином, в результаті чого відпадає необхідність у таймері, що відключає акумулятори після заданого часу, заряд обмежений, навіть якщо акумулятори знаходяться в зарядному пристрої тривалий час. Істотно, що струм зарядки виробляється генератором струму, тому його значення і форма не залежать ні від напруги на акумуляторах, ні від нелінійності їх зарядних характеристик.

В процесі зарядки струм через акумулятори I експоненціально зменшується:

I = I ₀ ехр (-t / T _0), (1)

де: t - час; I ₀ - початковий струм зарядки; Т ₀ - постійна часу зарядки. При цьому кожен акумулятор отримує заряд q, який оцінюється виразом

q = I ₀ Т ₀ [1 - ехр (-t / Т _0)] = (I ₀ - I) T _0. (2)

Графіки залежностей I і q від часу t представлені на рис. 1.

Рис.1. Залежності I і q від часу t

Видно, що за час 3Т ₀ заряд досягає значення 0,95I ₀ T ₀ і далі наближається до значення I ₀ Т _0. Рекомендується вибирати значення I ₀ і Т ₀ за формулами

I ₀ = Nе, Т ₀ = 1 ч / n, де n = 1, 2, 3, 4. (3)

Найзручніше значення n = 1. Початковий струм зарядки в цьому випадку дорівнює електроємна Е, час зарядки - 3 ч. (Практично можна залишити акумулятори в зарядному пристрої на ніч, і до ранку вони будуть повністю заряджені). Якщо такий час зарядки занадто велике, значення п збільшують. При n = 2 воно складе 1,5 год при початковому струмі зарядки 2Е. Такий режим придатний для Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів. Збільшення п до 3 зменшує час зарядки до 1 год, але початковий струм зарядки зростає до 3Е. Нарешті, при n = 4 час зарядки скорочується до 45 хв, а початковий струм зарядки збільшується до 4Е. Значення n, рівні 3 і 4, допустимі для Ni-Cd акумуляторів, так як їх внутрішній опір трохи (менше 0,1 Ом). Що стосується Ni-MH акумуляторів, то їх внутрішній опір в кілька разів більше, тому великий струм може їх розігріти на початку зарядки, що неприпустимо. Значення n більше 4 застосовувати не рекомендується. Можна вибрати I ₀ на 5% більше, ніж визначений за формулою (3). Тоді точний час зарядки складе 3 ч / n, а подальша 5% -ва перезарядка несуттєва.

Принцип дії пристрою ілюструє рис. 2.

Рис.2. Принцип дії пристрою

Конденсатор ємністю С1, попередньо заряджений до напруги U _0, розряджається через підсилювач струму А1 з вхідним опором Rin і коефіцієнтом посилення по току Кi. Струм у вхідному ланцюзі підсилювача Iin визначається виразом

Iin = U ₀ exp (-t / RinC1) / Rin. (4)

Струм у вихідному ланцюзі підсилювача I = КiIin заряджає акумуляторну батарею GB1:

I = КiU ₀ ехр (-t / RinС1) / Rin = SU ₀ exp (-t / RinС1), (5)

де: S = Ki / Rin - крутість посилення підсилювача, якщо його розглядати як перетворювач напруги в струм. Порівнюючи (2) і (5), маємо

T ₀ = RinC1, I ₀ = KiU ₀ / Rin = SU _0. (6)

Зручно вибрати U ₀ = 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 повинні бути наступні параметри: Rin = 3,6 МОм, S = 1 А / В, Кi = 3600000 = 131 дБ.

Принципова схема пристрою зображена на рис. 3. Підсилювач струму зібраний на ОУ DA2.1 і транзисторах VT2 і VT3. Напруга живлення ОУ стабілізовано мікросхемою DA1. Вузол на транзисторі VT1 контролює величину цієї напруги. Коли воно в нормі, цей транзистор відкритий, через обмотку реле К1 тече струм, контакти реле К1.1 замкнуті, світлодіод HL1 світиться, сигналізуючи про нормальну роботу пристрою. Вимикачем SA1 вибирають режим зарядки: постійним струмом (коли його контакти замкнуті) або експоненціально зменшується (коли вони розімкнуті). Резистори R2 і R3 утворюють дільник напруги. Напруга на движку змінного резистора R3 визначає струм зарядки. У режимі "Постійний" це напруга через резистор R1 і замкнуті контакти реле К1.1 надходить на неінвертуючий вхід ОП. Його вихідний струм посилюється транзисторами VT2, VT3 і встановлюється таким, щоб напруги на резисторах R11 і R5 стали однаковими. Коефіцієнт посилення по струму Ki = R5 / R11 і при вказаних на схемі номіналах приблизно дорівнює 10 ^7, а крутизна перетворення напруги в струм S = 1 / R11 = 3 А / В.

Рис.3. Принципова схема пристрою

У режимі "Зменшуваний" (контакти вимикача SA1 розімкнуті) конденсатор С2 ємністю 1000 мкФ розряджається через резистор R5 з постійною часу, обраної за формулою (3). Експоненціально зменшується струм через цей конденсатор посилюється ОУ DA2.1 і транзисторами VT2, VT3 і заряджає акумулятори, підключені до гнізда Х1 ( "Вихід"). Діод VD2 запобігає їх розрядку при відключенні напруги живлення. Амперметр РА1 служить для контролю поточного значення струму зарядки. Конденсатор С5 запобігає самозбудження пристрої. Резистори R4, R8-R10 - струмообмежувальні. Вони захищають ОУ і транзистор VT2 в аварійних ситуаціях, наприклад, при обриві резистора R11 або пробої транзистора VT3, запобігаючи виходу з ладу інших елементів.

При відключенні живлення в режимі зарядки зменшуваним струмом транзистор VT1 закривається і реле розмикає контакти К1.1, запобігаючи подальшу розрядку конденсатора С2. Світлодіод HL1 гасне, сигналізуючи про відключення живлення. З відновленням харчування транзистор VT1 відкривається, реле К1 замикає контакти До 1.1 і зарядка акумуляторів автоматично продовжується з того значення струму, при якому він був перерваний. Світлодіод HL1 знову спалахує, сигналізуючи про відновлення зарядки. Натисканням на кнопку SB1 можна короткочасно припинити зарядку при знятті зарядних характеристик. При цьому конденсатор С4 запобігає прониканню мережевих наведень на вхід ОУ.

Пристрій зібрано на універсальній друкованій платі і розміщено в корпусі розмірами 310x130x180 мм. Акумулятори типорозміру АА розміщують в жолобі на верхній кришці корпусу. Контактні гнізда виконані у вигляді відрізків стрічки з лудженої жерсті, які притискаються до акумуляторів пружиною від стандартного відсіку для елемента типорозміру АА. Через пружину струм не йде. Слід зазначити, що наявні в продажу пластмасові відсіки придатні лише при струмі, що не перевищує 500 мА. Справа в тому, що струм, що протікає через контактні пружини, розігріває їх, при цьому нагріваються і акумулятори. Вже при струмі 1 А пружини нагріваються настільки, що розплавляють стінку пластмасового корпусу відсіку, роблячи його подальше використання неможливим.

Транзистор VT3 встановлений на ребристому тепловідведення з площею поверхні 600 см ^2, діод VD2 - на пластинчастому тепловідвід площею 50 см ^2. Резистор R11 складено з трьох з'єднаних паралельно резисторів МЛТ-1 опором 1 Ом. Все сільноточние з'єднання виконані відрізками мідного дроту перетином 3 мм ^2, які припаяні безпосередньо до висновків відповідних деталей.

ОУ К1446УД4А (DA2) можна замінити мікросхемою К1446УД1А або інший з цих серій, але з двох ОУ потрібно вибрати той, у якого напруга зміщення менше. Другий ОУ може бути використаний у складі термочутливого моста [8] для аварійного відключення акумуляторів при їх перегрів під час зарядки постійним струмом (при зарядці зменшуваним струмом перегрів акумуляторів не спостерігався). У разі використання ОУ інших типів слід мати на увазі, що в даній конструкції харчування його однополярної, тому він повинен бути працездатний при нульовій напрузі на обох входах.

Мікросхема КР1157ЕН601А (DA1) замінима стабілізатором цієї серії з індексом Б, а й мікросхемою серії К1157ЕН602, однак у останній інша "цоколевка" [9].

Транзистор VT1 - будь-який з серії КП501, VT2 повинен мати статичний коефіцієнт передачі струму бази h _21Е не менше 100. Транзистор КТ853Б (VT3) відрізняється тим, що його h _21Е перевищує 1000. Як VT2, VT3 можна використовувати транзистори інших типів, але загальний коефіцієнт посилення по току повинен перевищувати 100000.

Конденсатор С2, що задає постійну часу зарядки Т _0, повинен мати стабільну ємність, необов'язково рівну зазначеної на схемі номінальної, так як необхідне значення Т ₀ встановлюють при налагодженні підбором резистора R5. Автор використав оксидний конденсатор фірми Jamicon з великим запасом по напрузі (в 25 разів).

Реле К1 - герконовое EDR2H1A0500 фірми ЕСЕ з напругою і струмом спрацьовування відповідно 5 В і 10 мА. Можлива заміна - реле вітчизняного виробництва КУЦ-1 (паспорт РА4. 362.900).

Амперметр РА1 повинен бути розрахований на максимальний струм зарядки (в авторському варіанті застосовано прилад М4200 на струм 3 А). Запобіжник FU1 - самовідновлюється MF-R300 фірми BOURNS [10].

Налагодження пристрою зводиться до встановлення необхідного значення постійної часу зарядки Т _0, обраного за формулою (3). Опір резистора R5 вибирають рівним Rin за формулою (7), вважаючи, що ємність конденсатора С2 точно дорівнює 1000 мкФ. Замість акумуляторів включають цифровий амперметр. Перед включенням харчування, як при зарядці акумуляторів, так і при налагодженні пристрою, движок змінного резистора R3 переводять у нижнє (за схемою) становище і замикають контакти вимикача SA1 (це необхідно для розрядки конденсатора С2). Потім включають харчування і, переміщаючи движок резистора R3, встановлюють початковий струм I ₀ близько 1 А. Далі SA1 переводять в положення "Зменшуваний". Через час Т ₁ (приблизно рівне Т ₀₎ вимірюють струм I _1. Скоригована значення опору резистора R5 * обчислюють за формулою R5 * = R5 [ln (I ₀ / I _1)]. На закінчення встановлюють резистор R5 опором, рівним цьому скоригованого значенням.

Акумулятори перед зарядкою необхідно розрядити до напруги 1 ... 1.1 В, щоб виключити їх перезарядку і прояв ефекту пам'яті [2]. Якщо при розрядці акумулятори нагрілися, то перед зарядкою їх слід охолодити до температури навколишнього середовища (0 ... + 30 ° С [2]). Перш ніж підключати акумулятори із зарядним пристроєм, необхідно переконатися в тому, що воно знеструмлено, движок резистора R3 знаходиться в нижньому (за схемою) положенні, a SA1 - в положенні "Постійний". Далі, дотримуючись полярності, встановлюють акумулятори, включають харчування і за допомогою змінного резистора R3 встановлюють початковий струм I ₀ за формулою (3). Після цього переводять SA1 в положення "Зменшуваний", і через час 3Т ₀ акумулятори готові до використання.

Для живлення пристрою необхідне джерело напруги від 8 до 24 В, можна нестабілізованого. Одночасно можна заряджати від одного до десяти елементів. Мінімальна напруга живлення з урахуванням пульсацій має становити 2 В на елемент плюс 4 В (але в зазначених межах).

Пристрій можна використовувати в якості стенду для зняття не тільки зарядних, але і розрядних характеристик акумуляторів. В останньому випадку досліджуваний акумулятор повинен бути підключений до пристрою у зворотній полярності. Напруга на його електродах необхідно постійно контролювати вольтметром. Не слід допускати зміни його полярності, щоб не викликати аварійного руйнування акумулятора. З цієї причини не рекомендується таким чином розряджати батарею з декількох послідовно з'єднаних елементів, так як можна пропустити момент виходу з ладу елемента з найменшою ємністю.

джерела

1. Нові види акумуляторів ( "За кордоном"). - Радіо, 1998, №1, с. 48, 49.

2. http://www.battery-index.com/

3. Трохи про зарядку нікель-кадмієвих акумуляторів ( "За кордоном"). - Радіо, 1996, №7, с. 48,49.

4. Нечаєв І. Прискорена зарядка акумуляторів. - Радіо, 1995, №9, с. 52, 53.

5. Алексєєв С. Зарядні пристрої для Ni-Cd акумуляторів і батарей. - Радіо, 1997, №1, с. 44-46.

6. Долгов О. Закордонне зарядний пристрій і його аналог на вітчизняних елементах. - Радіо, 1995, №8, с. 42, 43.

7. Дорофєєв М. Варіант зарядного пристрою. - Радіо, 1993, №2, с. 12, 13.

8. Ткачов Ф. Розрахунок термочутливого моста. - Радіо, 1995, №8, с. 46.

9. Бірюков С. Мікросхемние стабілізатори напруги широкого застосування. - Радіо, 1999, №2, с. 69-71.

10. Самовідновлюваний запобіжник MULTIFUSE фірми BOURNS. - Радіо, 2000., №11, c. 49-51.

Версія для друку
Автор: М. Євсиков, м.Москва
PS Матеріал захищений.

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів