Схема зарядного автоматического устройства для ni mh аккумуляторов: USB-зарядник для Ni-Mh аккумуляторов своими руками – Зарядное устройство для Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов на 4 канала — magazinakb.ru

Содержание

Собираем по схеме автоматическое зарядное устройство ni-cd и ni-mh аккумуляторов

Никель-кадмиевые и Никель-металлогидридные аккумуляторы требуют зарядного устройства, которое автоматически отключается после завершения заряда. Порог устанавливается по возросшему напряжению аккумулятора. Такая схема электричества может быть реализована по-разному.

Импульсная схема с компаратором напряжения

Работу такой схемы можно представить так:

На аккумулятор поступает зарядный импульс низкого напряжения большой длительности, например 1 сек;
Источник тока импульса отключается от аккумулятора и подключается измеритель напряжения;
Измеритель напряжения определяет степень заряда и подключает источник импульса вновь, или отключает его в случае, если напряжение превысило заранее определенный уровень.

Лучше всего подобная схема реализована на специализированных микросхемах. Их выпускается большое число вариантов. Сборка ведется по спецификациям из даташитов. Преимущество такого решения — не требуется предварительная градуировка зарядного устройства, (точная установка уровней срабатывания напряжения). ЗУ на специализированной микросхеме работает сразу после сборки при отсутствии ошибок в монтаже.

Между тем, специализированные микросхемы не всегда есть возможность достать. Тогда есть вариант — собрать автоматическое зарядное устройство на транзисторах. При этом желательно наличие цифрового мультиметра, чтобы точно выставить порог отключения после полной зарядки.

Схема на транзисторах

Рассмотрим лучшую схему, предложенную Андреем Шарым. Схема обеспечивает щадящий режим заряда никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов. Транзисторы — любые с током коллектора не ниже чем на схеме. ОУ — тоже почти любой со схожими характеристиками К140УД. Трансформатор и диодный мостик – тоже любые на напряжение 6 – 12 вольт и ток 0,5 – 2 А. Дроссель — готовый. При наличии измерителя индуктивности может быть намотан самостоятельно.

Режим работы схемы — импульсный. Обеспечивается высокий КПД. Радиаторы транзисторов во многих случаях не требуются. Схема — низкочастотная, поэтому требования к монтажу минимальны.

Настройка схемы

Подобрать R5 и установить 4,9 вольт в точке указанной на схеме;
Подобрать R9 и установить образцовое напряжение 1,4 вольт на выходе;
Подключить разряженный аккумулятор/секцию аккумуляторов и установить ток на выходе 0,1 от емкости подбором R13.

После наладки устройство готово к работе.

Похожие радиосхемы и статьи:

Автоматический зарядник для ni-mh аккумуляторов

Процесс зарядки Ni-Mh аккумуляторов в авиамоделизме немного отличается от общепринятой. Обычно моделист заряжает аккумуляторы перед выездом на поле, ставя аккумулятор на ночную зарядку. Но бывает, что при быстром сборе на полёты, аккумы борта или аппаратуры оказываются полностью или частично разряженными и зарядить обычным «ночным» зарядником просто нет время.

Плюсы современных NiMh аккумуляторов, — это возможность заряжать их большим током, до 1С без последствий для его здоровья. Единственное, чему надо уделить внимание при заряде, — это температуре и конечному напряжению заряда. Простейший зарядник можно посмотреть тут, он не автоматизирован и контроль полного заряда контролируется рукой на повышение температуры. Так же можно купить зарядное устройство для всех типов аккумуляторов.

Чтобы обезопасить аккумулятор от перезаряда, контроль по напряжению можно доверить автомату, который отключит батарею при достижении оределённого напряжения и будет поддерживать аккум в заряженном состоянии. О таком автоматическом зарядном устройстве для Ni-Mh и Ni-Cd и пойдет речь в этой статье.

Схема зарядного устройства ni-mh аккумуляторов

Мною разработано и собрано на макетной плате зарядное устройство для NiMh и Ni-Cd , схема простая, все элементы доступны.

Пороговым элементом в схеме является стабилитрон D1, он открывается при достижении напряжения стабилизации открывая тем самым ключ на транзисторах и включая реле, которое отключает аккумулятор. Делитель напряжения на R1-R2 устанавливает верхний порог, при достижении которого отключается аккум, для 5 банок гидрида он составляет 7,2v (переключатель s1 замкнут). При подключении аккумулятора на R5 падает напряжение до напряжения аккумулятора, а так как оно меньше 7,2в , то D1 закрыт и реле обесточено, при этом его контакты замкнуты и происходит зарядка. При достижении 7,2в стабилитрон открывается, реле срабатывает и отключает аккумулятор.

Напряжение аккумулятора удерживает стабилитрон открытым, а реле включённым, контакты реле остаются разомкнутыми, — это происходит какое то время пока напряжение аккумулятора не упадёт ниже 7,1в, при этом стабилитрон закроется и реле опять подключит аккумулятор на зарядку. Этот процесс постоянно повторяется. Светодиод сигнализирует об окончании зарядки.

Назначение других элементов зарядного устройства для Ni-Mh следующее:

C1 — снижает частоту переключения реле в отсутствии подключённого аккумулятора (признак работы ЗУ- щёлкание реле без подключённого аккума).
D2 — защищает транзисторы от пробоя обратным напряжением возникающим в катушке реле.
R5 мощностью не менее 2w — устанавливает ток заряда и подбирается для получения желаемого тока (вместо него можно использовать лампы накаливания 12v).
S1 — переключает режимы для заряда 5 баночных и 8 баночных батарей.
S2 — не обязательный элемент, служит он для принудительного перевода ЗУ в режим заряда.
Реле у меня стоит не известной марки, от блока управления магазинного холодильника.
D1 — можно заменить на любой другой стабилитрон 2…4v.

Вот что получилось у меня. Поставил два светодиода для красоты.

Настройка зарядника Ni-Mh

Подстроечные резисторы в среднее положение, подключаем зарядник к источнику питания 12…18v, реле начинает периодически щёлкать, S1 замкнут, подключаем ni-mh аккумулятор с подключённым к нему вольтметром. Резистором R1 добиваемся отсутствия свечения светодиода и контролируем напряжение на аккумуляторной батарее. При достижении 7,2в начинаем крутить R1 до загорания светодиода и щёлчка реле (желательно выполнить эту операцию несколько раз, для более точного позиционирования резистора). Всё, настройка для 5и баночной батарейки завершена.

Размыкаем S1 и то же самое проделываем с 8и баночной батареей, только теперь вращаем R2 и порог срабатывания 11,5…11,6v. R1 при этом крутить нельзя! При заряде 8и баночных батареек от источника 12в — светодиод не будет загораться, тут выхода два: Либо повесить светодиод на отдельную пару контактов реле, либо увеличить напряжение питания зарядника до 15…18в.

Аналогично можно настроить данный зарядник и для работы с Ni-Cd батареями.

В процессе зарядки током около 500мА нагрева Ni-Mh батарей ёмкостью 1700 мА не замечено как это бывает при зарядке малым током за ночь, при этом аккумулятор заряжается полностью, отдавая при дальнейшем разряде почти всю емкость.

Выставить конечное напряжение можно довольно точно и не сложной доработкой можно приспособить два таких зарядника для двух банок Li-Fe аккумуляторов.

Анатолий Беляев (Mr.ALB) — персональный сайт

Электроника. Источники питания

Зарядное устройство для аккумуляторов
Ni-MH типа Size 9V

Аккумуляторы Ni-MH типа Size 9V используются вместо батареек Крона и им подобных. У меня в прошлом году возникла необходимость создать простое зарядное устройство из доступных радиоэлементов. Сейчас делюсь своей разработкой, может быть кому и пригодится.

Описание схемы

Ниже на Pic 1 приведена схема зарядного устройства. Общая схема зарядного устройства строится по принципу безтрансформаторной схемы питания.

!ВНИМАНИЕ! НЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ! При повторении конструкции будьте внимательны и осторожны!

На входе блока питания зарядника стоят гасящие конденсаторы С1 и C2. Их ёмкость позволяет подавать в устройство ток до 100 мА. Замечу, что предельные токи не желательны, так как общее напряжение на схеме управления снизится и она не будет функционировать. Оптимальные токи заряда следует устанавливать до 50 мА.

* Cоздал удобный вычислитель гасящего конденсатора

. Если есть интерес поэкспериментировать со схемой, то можно рассчитать этот конденсатор под требуемые условия. Расчёт позволяет быстро ориентироваться на возможностях безтрансформаторной схемы блока питания. Значения частоты и напряжения сети можно задавать любые другие, к примеру, 60 Гц и 110 В.

Расчёт гасящего конденсатора

Параллельно конденсаторам подключен резистор R1 — для их разряда после отключения зарядника от сети ~220 В. Переменное напряжение после гасящих конденсаторов выпрямляется мостом из четырёх диодов VD1-VD4, которое накапливается на фильтрующем конденсаторе C3. Резистор R2 во входной цепи ограничивает бросок тока в момент включения зарядника в сеть. Далее за конденсатором C3 в цепи установлен балластный резистор R3 (можно не устанавливать, его роль будет выполняться компонентами входной цепи) за которым следует аналог мощного стабилитрона, выполненный на элементах VT1, R4, C4, VD5. Этот стабилитрон настроен так, чтобы на его выходе было напряжение около +13.5 В, которое необходимо для работы зарядного устройства.

Схема зарядника

Pic 1. Схема зарядника для аккумуляторов Ni-MH типа Size 9V

Схема зарядного устройства состоит из двух блоков*:

Блок контроля зарядного напряжения. Позволяет отключать заряжаемый аккумулятор при достижении на нём предельного напряжения. Собран на компараторе DD1 и ключе VT2 с сопутствующими элементами. Где: VD7 стабилизирует опорное напряжение на R6, с помощью которого выставляется пороговое напряжение отключения заряда на выводе 9 DD1. На вход 8 DD1 подаётся напряжение сравнения с делителя R12-R13.

Блок источника тока заряда аккумулятора. Собран на элементах VD7(ИОН*), VT3-VT4 (регулирующий элемент ИТ*), R11 (задаёт ток заряда), R12-R13 (делитель напряжения для компаратора).

Светодиод VD6 зелёного цвета – индикатор работы устройства. Светодиод VD7 – индикатор тока заряда. Если аккумулятор к заряднику не подключен, то VD7 не горит. При подключении аккумулятора VD7 загорается и сигнализирует о зарядке. В момент совпадения напряжений на входе 8 и 9 DD1, напряжение на его выходе 14 принимает значение низкого уровня и ключ на транзисторе VT2 отключает работу источника тока. Зарядка завершена.

Значение порогового напряжения выбирается так, чтобы на аккумуляторе было +9.8 В. Вообще этот тип аккумулятора имеет 7 банок. Каждая банка номинально имеет 1.25 В и позволяет безопасно заряжаться до напряжения 1.36 В. Предельное значение при зарядке не должно превышать 1.4 В. Это для одной банки, тогда для всей батареи предельное напряжение будет:

U_заряда_max = 1.4 * 7 = 9.8 В (1)

Ток заряда аккумулятора выставляется с помощью R11 (использовал тип СП5-3). Обычно аккумуляторы Ni-Cd, Ni-MH заряжаются током 0,1С*. Продолжительность зарядки будет 14 часов. Можно несколько ускорить заряд, повысив ток заряда. Если будете использовать зарядное устройство на более высоких токах, то желательно транзисторы VT1 и VT4 установить на небольшие радиаторы.

Расчёт времени заряда

Ниже на фото показана реализация данного устройства.

Сборка проведена навесным монтажом на двух макетных платах из электротехнического картона. Смысла разводить печатную плату я не вижу. Устройство единичное и нет смысла терять время на плату. Если сделать корпус из ABS то устройство будет вполне законченным и удобным в пользовании.

Pic 2. Стенд для проверки устройства

Замечу, что стенд в некотором роде универсальный, позволяет проводить проверку разных небольших устройств имеющих сетевое питание ~220 В.

Далее на плате, на фото ниже, собран безтрансформаторный блок питания зарядника. Видно, что использовал резисторы 0,5 Вт в параллеле. Это и мощность повышает и сопротивление получаю необходимое.

Pic 3. Плата безтрансформаторного блока питания

Далее плата самого зарядника. Светодиоды впаяны по месту, но если делать корпус, конечно их нужно будет вывести на него.

Pic 4. Плата зарядника

А это моя аккумуляторная батарейка, для которой всё и затевалось. Несколько видов.

Pic 5. Аккумуляторная батарейка. Разные виды

В заключение можно сказать, что все детали доступны и устройство легко повторяется. Показанная конструкция может быть выполнена гораздо более компактно, если использовать планарные детали и вместо выпрямительного моста из диодов 1N4007 использовать выпрямительный мост, к примеру, MB6S.

И ещё можно добавить, что созданное зарядное устройство вполне хорошо может заряжать и другие типы небольших аккумуляторов. Достаточно выставить требуемый ток заряда.

2016-07-05. Ссылка на статью: #3

Каталог радиолюбительских схем. Автоматическое зарядное устройство для Ni-Mh аккумуляторов

Автоматическое зарядное устройство для Ni-Mh аккумуляторов

При проектировании предлагаемого зарядного устройства мне хотелось решить три задачи.

Первое и основное создать конструкцию максимально простую, малогабаритную и легко повторяемую. Намой взгляд простота и понятность схемного решения значительно повышает надежность конструкции.

Второе заряжать аккумуляторную батарею (АК) постоянным и стабильным током.

Третье отслеживать степень зарядки, чтобы предотвратить перезарядку АК.

Первая задача легко реализовывается при помощи регулируемого стабилизатора напряжения LM 317 включенного как стабилизатор тока. Работает отлично ( наш аналог КР142ЕН12 работать отказался – может, попался такой экземпляр).

Вторую задачу — слежение за напряжением на заряжаемом аккумуляторе многие предлагают реализовать на операционном усилителе это не то. Напряжение на АК растет медленно и операционник начинает плавно прикрывать регулирующий транзистор. Такое «подкрадывание» к окончанию заряда ни к чему хорошему не приводит кроме разогрева транзистора и неизвестности.

Я применил банальный компаратор К554СА3 при его скорости переключения ключевой транзистор даже на радиатор можно не ставить.

Принципиальная схема зарядного устройства изображена на рис.1

Опорное напряжение снимается с делителя R2, R3 прядка 2В. Выходной делитель R10, R11, R12, R13 подключен непосредственно на АК. При достижении заданного напряжения окончания заряда, напряжение на движке регулируемого резистора R10 и соответственно на инвертирующем входе DA1 превысит опорное. Компаратор сработает и закроет ключик на транзисторе Q2 — зарядка прекратится. При разряженном АК напряжение на инвертирующем входе не достаточно для срабатывания компаратора заряд будет происходить стабильным током. Резистор R9 стоит в цепи положительной обратной связи и служит для создания небольшого гистерезиса.

Пересчитать выходной делитель под другое количество элементов я думаю, большого труда не составляет.

Регулировка: Резистором R8 задать требуемый ток заряда

Резистором R10 выставить напряжение окончания заряда

Рекомендации: Стабилизатор LM 317 установить на радиатор.

Регулируемый резистор R10 желательно многооборотный.

Запитать устройство можно от любого стандартного адаптера 9 — 12 В, мощность определяет зарядный тока, сглаживающий конденсатор не менее 2200 мкФ (компаратор не любит пульсацию).

Схема устройства проверена и полностью работоспособна.

Вопросы и замечания принимаются

Украина

Новая Каховка

Башкатов Юрий

[email protected]

Двухканальное зарядное устройство для Ni-MH аккумуляторов

Электропитание

Главная Радиолюбителю Электропитание

Это устройство разработано автором как логическое продолжение опубликованного в его статье «Зарядное устройство для Ni-MH аккумулятора» («Радио», 2017, №8, с. 18, 19).

Даже при автоматизированном производстве аккумуляторных элементов существует технологический разброс их параметров. Зарядно-разрядные характеристики однотипных аккумуляторов заметно различаются, особенно после длительной эксплуатации. Опыт эксплуатации батарей из Ni-MH аккумуляторов показывает целесообразность раздельной и независимой зарядки образующих их элементов. Это позволяет наиболее полно зарядить каждый элемент батареи.

Поскольку многие электронные устройства питают от батарей из двух Ni-MH аккумуляторов, автор решил изготовить для них двухканальное зарядное устройство. Оно позволяет заряжать как два аккумулятора одновременно, так и один, установленный в любой из двух имеющихся держателей. Канал зарядки, в держателе которого нет аккумулятора или находится полностью заряженный, автоматически отключается.

Основные технические характеристики

Напряжение питания, В …………5

Ток зарядки каждого аккумулятора, мА……………….200

Напряжение запуска зарядки, В …………………….. 1

Напряжение прекращения зарядки, В……………….1,25

Длительность цикла зарядка-измерение, с …………..90

Длительность измерения напряжения, с ……………… 1

По сравнению с прототипом принцип работы зарядного устройства остался прежним, но чтобы сделать его двухканальным, схема немного изменена, причём вместо двух сдвоенных компараторов напряжения LM393N применён счетверённый LM339N.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 1. Транзисторы VT1 и VT3 образуют управляемыйисточник тока первого канала зарядки. Таково же назначение транзисторов VT2, VT4 во втором канале. Диоды VD6 и VD7 предотвращают разрядку установленных в держатели XT1-XT4 аккумуляторов G1 и G2 через цепи зарядного устройства, если на разъём XS1 не подано напряжение питания.

Рис. 1. Принципиальная схема зарядного устройства

На компараторе DA1.1, резисторах R1-R6, конденсаторе C2 и диоде VD1 собран генератор прямоугольных импульсов низкого уровня длительностью 1 с, повторяющихся с периодом около 90 с. В паузах между импульсами происходит зарядка аккумуляторов. Импульсы выключают источники зарядного тока на время сравнения текущего напряжения заряжаемых аккумуляторов с образцовым, до которого следует зарядить каждый из них. О ходе зарядки сигнализируют светодиоды HL1 и HL2, подключённые через резисторы R14 и R16 к коллекторам транзисторов VT3 и VT4. Диоды VD10 и VD11 препятствуют попаданию на средний вывод подстроечного резистора R24 импульсов, блокирующих зарядку на время контроля напряжения аккумуляторов.

Компараторы DA1.2 и DA1.3 сравнивают напряжения на аккумуляторах с заданным. Для правильной работы узлов сравнения с коллекторов транзисторов VT3 и VT4 через цепи задержки R17C6, R18C7 и диоды VD8, VD9 на инвертирующие входы компараторов поступают сигналы, блокирующие их.

По достижении напряжением на аккумуляторах значений, заданных подстроечным резистором R24, на выходах компараторов DA1.2 и DA1.3 устанавливаются высокие логические уровни напряжений, которые через диод VD12 поступают на инвертирующий вход компаратора DA1.1, блокируя этим работу генератора. Одновременно высокий уровень напряжения приходит на инвертирующий вход компаратора DA1.4, поэтому светодиод HL3 включается, сигнализируя о завершении зарядки.

Эмиттеры транзисторов VT1 и VT2 подключены к выходам компараторов DA1.2 и DA1.3. Поэтому высокий уровень напряжения на этих выходах закрывает транзисторы, и оба канала зарядки прекращают работу. О прекращении зарядки сигнализирует выключение светодиодов HL1, HL2.

Однако процессы в зарядном устройстве соответствуют описанным выше только при одинаковой начальной заряженности обоих аккумуляторов, одинаковой их ёмкости и одинаковом токе зарядки. На практике это случается очень редко. Предположим, что зарядка аккумулятора G1 уже завершена, а напряжение на аккумуляторе G2 ещё не
достигло нужного значения. В этом случае внутренний выходной транзистор компаратора DA1.2 закрыт, и цепь, соединяющая эмиттер транзистора VT1 разорвана. Поэтому канал зарядки аккумулятора G1 заблокирован, а светодиод HL1 погашен.

Но поскольку напряжение на аккумуляторе G2 ещё не достигло предельного значения, выходной транзистор компаратора DA1.3 открыт и зарядка аккумулятора G2 продолжается. Открыт и диод VD14, благодаря чему уровень напряжения в точке соединения диодов VD12- VD14, резистора R25 и инвертирующего входа компаратора остаётся низким. На генератор не поступает блокирующее напряжение, и он продолжает работать. Светодиод HL3 погашен.

Когда аккумулятор G2 тоже полностью зарядится, закроется выходной транзистор компаратора DA1.3, а с ним и транзистор VT2. Уровень в точке соединения диодов VD12-VT14 станет высоким, поэтому работа генератора будет заблокирована. Состояние компаратора DA1.4 изменится, и светодиод HL3 будет включён, свидетельствуя об окончании зарядки обоих аккумуляторов.

А теперь рассмотрим ситуацию, когда в держателях аккумуляторов зарядного устройства находится только один аккумулятор, например G1. В этом случае при включении зарядного устройства сигнал на неинвертирующий вход компаратора DA1.3 поступает по цепи коллектор транзистора VT4, диод VD7, резистор R20. А по цепи коллектор транзистора VT4, резистор R18, конденсатор C7, диод VD9 на его инвертирующий вход этот же сигнал приходит с небольшой задержкой, определяемой постоянной времени цепи R18C7.
Это приведёт к выключению канала зарядки с отсутствующим аккумулятором. Триггер на компараторе DA1.3 останется в прежнем состоянии благодаря обратной связи с выхода на неинвертирующий вход через резистор R22. Аналогичный процесс происходит в цепи коллектора транзистора VT3. Учитывая, что к контактам XT 1, XT2 подключён аккумулятор, напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA1.2, будет ниже, чем на инвертирующем. Следовательно, канал зарядки останется включённым. Поэтому светодиод HL1 будет светиться, а HL2 нет. Когда аккумулятор G1 будет заряжен, его канал выключится, светодиод HL1 погаснет, а светодиод HL3 включится, извещая об окончании зарядки.

Микросхему LM339N можно заменить на DBL339 или HA17339 из старых компьютерных блоков питания, которые отличаются от неё в основном допустимым интервалом рабочей температуры. Вместо транзисторов КТ312В подойдут другие этой серии, а также серий КТ315 и КТ316, а вместо КТ816В — КТ814В. Замена диодов Д9Е — любые маломощные германиевые диоды, кремниевые диоды здесь не годятся, так как прямое падение напряжения на них больше. Диоды КД522Б допустимо заменить другими серии КД522 или КД521, а диоды 1N4007 — любыми выпрямительными с допустимым прямым током не менее 300 мА. Светодиоды взамен указанных на схеме следует выбирать по цвету и яркости свечения.

Чертёж печатной платы зарядного устройства изображён на рис. 2. На ней установлены импортные оксидные конденсаторы С1 и С2, но можно применить и отечественные, например, К50-16 или К50-35 такой же ёмкости с номинальным напряжением не менее 10 В. Остальные конденсаторы — любые керамические или плёночные. Подстроечный резистор R24 — импортный или отечественный РП1-302. Постоянные резисторы — любого типа. Для микросхемы DA1 на плате установлена панель. Разъём XS1 — стандартное гнездо питания 5,5×2 мм.

Рис. 2. Чертёж печатной платы зарядного устройства

Плата помещена в пластиковый корпус от стоматологического наконечника. С открытой крышкой и установленной платой он показан на рис. 3. Держатели аккумуляторов с контактами XT1-XT4 вклеены в крышку. На ней же находятся светодиоды HL1-HL3. Эти контакты и выводы светодиодов соединены с печатной платой монтажными проводами. После проверки монтажа собранного устройства необходимо отрегулировать ток зарядки аккумуляторов и напряжение прекращения зарядки. Прежде чем регулировать ток зарядки, микросхему DA1 извлеките из панели, а её гнёзда 2 и 13 соедините перемычками с гнездом 12. Не устанавливая аккумулятор G1 в его держатель, подключите к контактам XT1 и XT2 мультиметр в режиме измерения постоянного тока. Подав на разъём XS1 напряжение питания, подборкой резистора R11 установите показание мультиметра равным 200 мА. Аналогичную процедуру проведите и во втором канале зарядного устройства, чтобы подобрать резистор R12.

Рис. 3. Плата устройства в копусе

Регулировка напряжения прекращения зарядки сводится к установке напряжения 1,25 В между гнёздами 4 или 10 и гнездом 12 панели микросхемы DA1 c помощью подстроечного резистора R24. Сделав это, отключите от устройства напряжение питания, удалите из панели перемычки и вставьте в неё микросхему. Зарядное устройство готово к работе.

Автор: Г. Косолапов, г. Кирово-Чепецк Кировской обл.

Дата публикации: 15.04.2018

Автоматическое зарядное устройство для Ni-Mh аккумуляторов — Зарядные устройства (для батареек) — Источники питания

При проектировании предлагаемого зарядного устройства мне хотелось решить три задачи.

Второе заряжать аккумуляторную батарею (АК) постоянным и стабильным током.

Третье отслеживать степень зарядки, чтобы предотвратить перезарядку АК.

Принципиальная схема зарядного устройства изображена на рис.1

Пересчитать выходной делитель под другое количество элементов я думаю, большого труда не составляет.

Регулировка: Резистором R8 задать требуемый ток заряда

Резистором R10 выставить напряжение окончания заряда

Рекомендации: Стабилизатор LM 317 установить на радиатор.

Регулируемый резистор R10 желательно многооборотный.

Схема устройства проверена и полностью работоспособна.

Вопросы и замечания принимаются

Украина

Новая Каховка

Башкатов Юрий

[email protected]

Зарядное устройство Ni-MH на контроллере AVR.

Не очень уверен в какой блог публиковать, но вроде про питание тут больше, чем про AVR 🙂

Preamble

Есть у меня замечательная подруга — любительница велосипеда. В прошлом году она купила для своего двухколёсного транспорта фару. Вот такую (фото с tripemma.info):

Фонарь изумительный, оснащённый мощным светодиодом с рефлектором, драйвером для диода и встроенным аккумулятором 4.8V/780mAh. Так как фонарь был приобретён ближе к концу велосезона, хозяйка не успела ещё посадить “батарейку”, как пришло время зимней парковки. Соответственно, поскольку аккумулятор не сел, то и заряжать его не пришлось. Как следствие, зарядное устройство было среди зимы ненароком выброшено, по причине “Интересно, а это от чего? Не помню… Ааа, нафиг его!” 🙂

Зима прошла, снова стало тепло и сухо, снова велосипед стал основным транспортом, снова понадобился фонарь. И, конечно, аккумулятор сел, хоть и не сразу. Эта история и привела к разработке следующего девайса, который может быть с небольшими изменениями использован для зарядки любых Mi-MH и Ni-Cd аккумуляторов.

Сразу отмечу, что хотя устройство уже собрано и вручено хозяйке, сейчас оно проходит стадию боевого тестирования, так что возможны мелкие недочёты. Если оные всплывут, я, конечно о них упомяну. На данный момент тестирование показало, что автоматическое включение режима разрядки в зависимости от напряжения на батарее не работает как предполагалось и требует доработки (ну или ампутации). Об этом ещё вспомню по ходу изложения.

Ещё один момент: я тупо не нашёл ни в одном магазине города ни MAX713, ни какого-либо другого контроллера зарядки, иначе бы не парился. А может и парился бы, интересно всё же 🙂

Theory

Теорию изложу так, как я её понял в процессе разработки девайса и в том объёме, которого мне хватило. Возможно, где-то я не совсем прав, или даже совсем не прав. В таком случае буду рад комментариям и пояснениям.

Ещё одна важная деталь: всё нижесказанное относится только к Ni-MH аккумуляторам. Ni-Cd имеют некоторые особенности, но в целом теория справедлива и для них. К Li-Ion, Li-Pol, свинцовым аккумуляторам теория не относится. Они работают по другому, и методы зарядки/контроля у них свои, не знаю какие. Так что, если при попытке зарядить описанным способом автомобильный, например, аккумулятор, у вас сломается зарядка/аккумулятор, пострадает мебель, кошка/собака/попугай/рыбки, или ещё чего-нибудь приключится, то я за это ответственности не несу )

В разработке девайса я руководствовался статьями на cxem.net и далее по ссылкам. Спасибо им! В основном, излагаемый материал я почерпнул там, но, разумеется, пишу всё своими словами и через призму своего понимания.

У аккумулятора или аккумуляторной батареи есть такая характеристика как ёмкость. И есть связанное с ней понятие зарядного тока. Если обозначить ёмкость аккумулятора как C, то зарядный ток может составлять от 0.1С (медленная зарядка) до 0.2C-C а то и выше (быстрая зарядка). Понятно, чем выше ток, тем быстрее происходит зарядка аккумулятора. Но в то же время тем активнее протекающие в нём химические реакции, тем больше на нём выделяется тепла и тем быстрее он склеит клеммы. Поэтому выбор тока зарядки это поиск компромисса между временем зарядки и временем жизни аккумулятора.

Отдельное значение имеет момент прекращения зарядки. Дело в том, что к окончанию зарядки выделение тепла на аккумуляторе усиливается, и, прозевав момент, можно угробить аккумулятор или нанести существенный ущерб его здоровью. Поэтому дешёвые зарядные устройства как правило держат ток зарядки в пределах 0.1C — такой ток не сможет существенно нагреть аккумулятор и вывести его из строя. Но тем не менее, постепенно аккумулятор всё таки гробится. Поэтому крайне желательным свойством зарядного устройства является талант определять момент окончания зарядки и автоматически выключаться.

Существует несколько методов определения окончания зарядки. Два самых ходовых: время и анализ изменения напряжения на батарее. С временем всё просто: зная ток зарядки и напряжение на батарее можно прикинуть, сколько времени понадобится, чтобы зарядить эту батарею. И можно, дав небольшой запас, просто отключать зарядку по таймеру. Способ хороший, но имеет недостаток: при зарядке не полностью севшей батареи, время нужное на зарядку сокращается, о чём зарядное устройство не знает. Это чревато перегревом аккумулятора и его дальнейшим выходом из строя. Поэтому в моём устройстве этот способ используется как аварийный, то есть зарядка прекращается в любом случае через n минут, если она по каким-то причинам не закончилась раньше.

Способ второй заключается в определении конца зарядки по изменению напряжения на клеммах аккумулятора. По мере зарядки напряжение на аккумуляторе растёт, к окончанию зарядки рост напряжения останавливается, или оно начинает падать. Это и есть признак того, что аккумулятор полностью заряжен. То есть можно просто мерять напряжение на аккумуляторе и выключать зарядку как только оно начнёт падать? Не совсем. Дело в том, что характер изменения напряжения сильно зависит от типа аккумулятора, его ёмкости, степени его разряженности к началу зарядки, тока зарядки и ещё кучи факторов. К тому же в начале зарядки бывают перепады напряжения, которые могут быть неверно истолкованы. Но общая закономерность есть, её можно использовать, её и используют большинство “умных” контроллеров зарядки, и моё устройство не исключение.

Также существует понятие “предварительная зарядка”. Предварительная зарядка применяется для сильно или давно севших аккумуляторов, которые могут не выдержать сразу большого тока. Предварительная зарядка состоит в пинании аккумулятора импульсами тока с перерывами, пока он не выйдет на приемлемое напряжение, и уже тогда начинается обычная зарядка.

Помимо всего вышесказанного, существует такая проблема как “эффект памяти”. Заключается о вот в чём: если начать заряжать аккумулятор не посадив его до конца, то на его электродах внутри что-то там кристаллизуется из электролита, снижая эффективную площадь электродов, эффективный объём электролита, и наверняка что-нибудь ещё 🙂 Отчего аккумулятор, само собой, лучше не работает, а тот порог заряженности, с которого его начали заряжать, становится его нижним порогом, то есть ёмкость падает.

Чтобы избежать такого развития событий, аккумулятор следует хотя бы периодически сажать “в ноль”, то есть до напряжения 0.8-1V на элемент, для Ni-MH. При этом вражеские кристаллы разрушаются и освобождают пленные электроды. В своём девайсе я решил реализовать такую стратегию: при напряжении на аккумуляторе ниже некоторого порога, он перед зарядкой полностью разряжается. Эта функция работает не очень, даже при напряжении ниже этого порога, аккумулятор начинает заряжаться практически сразу. Может я где-то накосячил с замерами, не знаю, но во всех рассмотренных мною конструкциях режим разрядки включался вручную. Я попробовал его автоматизировать, но это дело требует доработки. В случае с велофонарём это не так критично, поскольку в фонаре есть DC-DC драйвер, который гарантированно высосет из аккумулятора всё что можно.

Recipe

Принципиальная схема устройства ничем не оригинальна, и почти повторяет кучу других подобных (схема в приложенном архиве в нормальном разрешении):

Так как аккумулятор следует заряжать постоянным током, в схеме применён интегральный стабилизатор IC2 — LM317 в режиме стабилизации тока. Ток, который этот стабилизатор имеет на выходе определяется резистором R7, и составляет примерно 1.25/R, в моём случае где-то 125mA. Помимо этого полезно знать, что на стабилизаторе падает 1.25V своих, плюс все лишние, которые не уходят на питание нагрузки. И чем больше падает, тем больше стабилизатор греется. То есть питание стабилизатору нужно давать как минимум на 1.25V больше чем от него потребуется на выходе, но и не слишком много, так как на все лишние вольты он будет отапливать квартиру и, неровен час, помрёт от такого стресса. У меня питание обеспечивается трансом от китайского адаптера, в сочетании с диодным мостом и конденсатором он даёт вольт 12-13 под нагрузкой, чего за глаза хватает. Можно бы даже поменьше.

Зарядный ток подаётся на аккумулятор транзистором Q2. Резистор R12 держит транзистор закрытым, пока на его базу не поступит минус с транзистора Q1, который в свою очередь открывается живительным плюсом с порта PB1 контроллера.

Транзистор Q3 представляет собой ключ разряда и вся его работа состоит в том, чтобы пустить ток с аккумулятора через резистор R13, дабы аккумулятор сел побыстрее 🙂 Транзистор IRLR120 управляется логическим уровнем, то есть чтобы открыть его нараспашку хватит пяти вольт с ноги контроллера, и больше ничего городить не надо. Резистор R11 тянет затвор этого транзистора к земле, чтобы он не открылся сам от наводок, что может случаться с полевыми транзисторами.

Цепочка R8/R9 это делитель, снижающий напряжение с аккумулятора для АЦП контроллера. Опорное напряжение АЦП 1.1V, то есть АЦП может измерить от 0V до 1.1V, что даёт нам возможность мерять от 0 до 10.12V, с шагом 9.88mV, при указанных на схеме номиналах. Для аккумулятора 4×1.2V = 4.8V — самое то.

Этот делитель — первый кандидат на коррекцию при необходимости заточить устройство под другою батарею. Его надо рассчитывать так, чтобы он позволял измерить номинальное напряжение батареи с полутора- или двухкратным запасом.

Стабилитрон на 4V7 на всякий случай защищает вход от передозировки вольтами. Он, кстати, на маленьких токах срабатывает не от 4V7, а при меньшем напряжении, что меня сбивало с толку при экспериментах на отладочной плате с опорными 2.56 и 5 V. Кто не знал — возьмите на заметку, я вот не знал.

Нафиг нужен конденсатор С2 я не знаю 🙂 Нет, серьёзно, я в целом понимаю, что он там гасит помехи и всё такое, но в чём численно выражается его функция мне неведомо. Так что стоит он там потому что у всех так 🙂

Управляется всё контроллером attiny13 от atmel. Поначалу я боялся, что в 1 килобайт памяти не влезу, поэтому начинал разработку под имеющиеся attiny45, но в итоге программа получилась чуть меньше кило, так что в готовом девайсе стоит всё таки attiny13. Для того, чтобы программа заработала на attiny 25/45/85 нужно только изменить инициализацию АЦП — там биты конфигурации чуть другие. Плату или схему менять не нужно.

Контроллер измеряет напряжение на ноге PB2 и в зависимости от оного дёргает ногами PB0 или PB1 включая разрядку или зарядку соответственно. Также он дёргает ногами PB3 и PB4, к которым подключен двухцветный светодиод. Резисторы в цепи диода стоят разные, так как от природы красная половина диода при том же токе светится куда ярче зелёной. Пришлось зелёной дать фору.

Питается контроллер от стабилизатора LM7805 о пяти вольтах. К тем же пяти вольтам подтянута через резистор нога 1 контроллера (RESET) — во избежание случайных сбросов.

Про транс и диодный мост добавить нечего. Да и схема в целом ничего нового из себя не представляет, разве что, в отличие от других похожих вариантов, я не полагался на китайскую зарядку от мобилы, а поставил стабилизатор тока.

Cooking

Сначала устройство отлаживалось на отладочной плате. Так как у Mega8 другое опорное напряжение АЦП, пришлось чуть чуть поменять номиналы R8/R9. 2K7/8K2, дают примерно тот же диапазон при 2.56V опорного напряжения, что и 1K/8K2 при 1.1V.

После отладки я выбрал корпус для устройства. Такой, чтобы влез в него и девайс и транс питания. Такой, чтобы были выводы под провода. Вот такой:

Обошёлся он мне в $2, в местном магазине (на Абая-Сейфуллина). Дырки в корпусе насверлены мной самостоятельно, чтобы улучшить (вернее создать) вентиляцию. LM317 и лишние вольты, да. Также в корпус дихлорэтаном вклеены два куска пластика с отверстиями под шурупы крепления крышки (с одной стороны, со второй есть вполне живые защёлки), и два, от этого же корпуса отломанных ушка. Они служат упорами для транса, чтобы тот не болтался внутри.

На крышку корпуса, исключительно на всякий случай, было наклеено напоминание о том, что это за штука 🙂

Уже после выбора корпуса я разработал печатку, так чтобы она влезла в корпус вместе с трансом. Плата нарисована в EagleCad и изготовлена методом ЛУТ на двухстороннем текстолите. Правда, на верхнем слое всего парочка дорожек, так что при желании можно её урезать до одного слоя. У меня желания не возникло 🙂 Как водится, при разводке допустил косяк — забыл развести R11. В моей плате он висит на припое между затвором транзистора и ближайшей землёй. В проекте разумеется исправил.

Все резисторы, кроме мощных — SMD, также как и C2 и Q3. Остальные транзисторы, диоды и прочие — выводные. Чуть-чуть дырок посверлить всё же пришлось.

LM317, как показала практика неслабо греется, так что на ней висит небольшой радиатор. С радиатором она при зарядке нагревается примерно до 55-60 градусов.

Плата крепится к трансу так же, как к нему крепился родной диодный мостик, а именно: в плате просверлены два отверстия, которыми она одевается на специальные пластиковые уши на каркасе транса, а затем фиксируется на месте путём припаивания выводов с транса, которые не дают плате слететь с ушек. В принципе довольно надёжно, пару раз я уронил эту конструкцию со стола, и ничего не отвалилось.

Резистор R13 на фотографиях одноваттный, не было 2W нужного номинала. Потом я его заменил, одноваттный сильно греется. Собранная схема была предварительно проверена с контроллером отладочной платы. Прошивка для отладочной платы, помимо прочего отправляла в UART текущие показания АЦП и историю показаний.

Также, в процессе разработки девайса я открыл для себя очевидный способ соединять папы на плате с папами на соединительных проводках:

В какой-то момент приехали проводки с мамами с DealExtreme и избавили меня от этого огорода.

Провод фонаря заканчивается подходящим разъёмом. Конструкция фонаря такова, что при подключении разъёма, земля фонаря размыкается с землёй аккумулятора, поэтому вся схема фонаря оказывается не при делах.

Также в фонаре, последовательно с аккумулятором стоит диод, видать для защиты от возможной переполюсовки зарядки. Так вот, не знаю почему, но с этим диодом моя зарядка думала, что на аккумуляторе всего около 500mV, при реальных 5.2V. Пришлось его закоротить. Если кто знает, почему он мне так мешает, расскажите, а? Я его верну и поправлю как надо.

Вся конструкция помещается в корпус следующим образом:

Провод питания закреплён стяжкой (он очень плотно садится в вывод корпуса), а провод к фонарю закреплён термоклеем. Светодиод никак не закреплён в отверстии и держится там только на трении и своих ногах, которые я зачем-то посадил на PLS разъём со штырьками на плате.

Ну и сверху всё это дело накрывается крышкой, крышка прикручивается двумя шурупчиками.

Software

Поскольку схема никакой оригинальностью не отличается, то уж хотя бы программу я решил написать сам. Впрочем алгоритм её работы тоже ничем оригинальным не отличается, я читал те же мануалы, что и другие авторы 🙂 Но хотя бы реализация полностью от себя 🙂 Писал в AVRStudio 5.

Логика работы такова:

Каждое измерение выполняется 10 раз и результатом является среднее арифметическое десяти замеров. Сначала включается ток зарядки, и измеряется напряжение на батарее. Если оно выше 10V (для данной конкретной батареи и с запасом), то делается вывод, что батареи нет. Если в прошлый замер она была, то делается вывод, что её отключили. Тут важно отметить, что источник питания устройства должен быть способен отдать не менее, чем этот порог, плюс 1.25V, которые падают на стабилизаторе.
Если напряжение меньше 10V и в прошлый раз батареи не было, то делается вывод, что её только что подключили.
Если батарея была только что отключена, то сбрасывается история напряжений, зарядка возвращается к исходному состоянию.
Если батарею только что подключили, то производится оценка её состояния. Это делается так. При выключенных всех токах измеряется напряжение на батарее. Если оно ниже вольта на элемент, то производится предзарядка короткими импульсами. Если от вольта до 1.2V, то производится разрядка. Если Выше этого порога, то зарядка.
При предзарядке программа включает ключ зарядки на 40 ms, после чего 490 ms ждёт. И делает так, пока напряжение не поднимется до 1V на элемент.
При разрядке программа включает разрядный ток на 490 ms. И делает так, пока напряжение не упадёт ниже 1V на элемент.
При зарядке программа включает зарядный ток на 490 ms. Также при зарядке собирается история напряжений батареи за последние 8 минут. В конце каждой минуты записывается среднее значение всех измерений за минуту. Если текущее значение равно или меньше семи из восьми в истории, то считается, что батарея заряжена, так как напряжение на ней падает или как минимум не растёт.
Если время работы какого-либо режима вышло за допустимые рамки, то программа переходит в режим ошибки, в котором только проверяется наличие батареи.
Текущее состояние программы выводится на светодиод.
Происходит обработка таймера
Всё сначала.

Таймер в программе неточный, он принимает один цикл программы за полсекунды (несмотря на то, что в режиме предзарядки он чуть длиннее, а в других режимах чуть короче). Я как-то подумал, что таких примерных часов для этой задачи хватит, а реализовать такую штуку проще простого.

Светодиодом индицируется текущий режим работы программы:

Зелёный — нет батареи
Красный — батарея заряжается.
Мигающий зелёный — батарея заряжена.
Мигающий красный — ошибка (таймаут).
Жёлтый — идёт предварительная зарядка.
Мигающий жёлтый — идёт разрядка.

В принципе всё. Программа подробно откомментирована, и разобраться в ней труда не составит. Прилагаю исходники, прошивку, а также схему и печатную плату. На плате слой top нужно отзеркалить для ЛУТ, а bottom уже зеркальный.

Bonus

Для прошивки attiny13 я использовал маленький ISP коннектор, к которому контроллер на время прошивки крепится прищепкой. Идея не новая и не моя, спасибо её автору за неё!

Так как устройство проходит стадию тестирования, очень приветствуются комментарии относительно его конструкции и реализации. Если у вас есть опыт изготовления таких штук, то пишите! Я хочу довести девайс до ума, и повторить его для двух своих шуруповёртов

Всё!

В прикреплённом архиве всё необходимое для повторения, включая библиотеку с элементами, которые я не нашёл в стандартных либах Eagle Cad.

Собираем по схеме автоматическое зарядное устройство ni-cd и ni-mh аккумуляторов