В связи с быстрым развитием портативных устройств современной бытовой техники, в настоящее время большое распространение получили Ni-Cd и Ni-NiMh аккумуляторные батареи, срок службы которых сильно зависит от правильной эксплуатации. В связи с этим возникает необходимость в устройстве, которое имеет возможность измерять основные технические характеристики эксплуатируемых аккумуляторов, такие как емкость и внутреннее сопротивление, а так же обеспечивать аккумуляторам оптимальный режим заряда.

Автором статьи был приобретен фотоаппарат Canon А710IS, использующий в качестве источника питания две батарейки формата АА. Практически сразу выяснилось, что фотоаппарат может нормально функционировать только с дорогими алкалиновыми батарейками стоимостью от 5грн.(0,7$) С более дешевыми батарейками он или отказывался включаться, или делал всего несколько снимков, после чего выключался. В связи с этим, практически сразу, были приобретены два аккумулятора GP емкостью 2700мА/ч. С этими аккумуляторами GP фотоаппарат мог нормально функционировать на протяжении около месяца, при этом можно было сделать снимков и видео приблизительно на 2Гб.

Через год эксплуатации количество снимков, которое мог сделать фотоаппарат после полной зарядки аккумуляторов, начало катастрофически уменьшатся. Кроме этого было замечено, что увеличился саморазряд аккумуляторов.

Через полтора года эксплуатации фотоаппаратом стало практически невозможно пользоваться – после полного заряда аккумуляторов, можно было сделать не более 20-30 снимков (или 6-7 мин. видео), при этом, если фотоаппаратом не пользовались больше недели, он, как правило, даже не включался. И это при том, что реальных циклов заряда было не более 30, при указываемом ресурсе производителя до 1000…

Так как аккумуляторы заряжались зарядным устройством китайского происхождения, и циклы заряда-разряда для предотвращения сульфатации не производились, был сделан вывод о том, что возможной виной преждевременного выхода из строя аккумуляторов был неправильный зарядный режим и отсутствие разрядно-зарядных тренировочных циклов.

При попытках восстановления аккумуляторов методом разрядно-зарядных циклов выяснилось, что емкость аккумуляторов составляет немногим более 1000мА/ч и восстановлению они не поддаются (проверка емкости проводилась при помощи разряда полностью заряженных аккумуляторов на лампочку накаливания, при этом по времени свечения лампочки и току потребления ориентировочно определялась емкость). При этом проверка емкости 5-и летних аккумуляторов Energizer 2300мА/ч показала емкость около 1400мА/ч, однако в фотоаппарате они показывали результаты приблизительно аналогичные аккумуляторам GP, с одним лишь положительным отличием - саморазряд был меньшим – фотоаппарат включался и через две недели, однако мог сделать не более 10 снимков.

После всех экспериментов было решено приобрести новые аккумуляторы, и собрать зарядное устройство, которое отвечало бы следующим требованиям:
- было схемотехнически очень простым и не содержало дорогостоящих компонентов;
- имело возможность ускоренной зарядки аккумуляторов и проведения тренировочных разрядно-зарядных циклов;
- при проведении зарядки и разрядки подсчитывалась потребленная/отданная емкость в мА/ч. с непосредственным измерением тока и в конце заряда определялось внутреннее сопротивление аккумулятора;
- окончание зарядки определялось по методу ∆U и имелся контроль температуры аккумулятора;
- имелась возможность контроля зарядного процесса на компьютере для его визуализации, а так же оценки принятия решения об окончании заряда;

Довольно долго проводился поиск в интернете и различных журналах подходящей схемы, однако они были или слишком неинформативными , или слишком сложными , или не обеспечивали требуемых технических характеристик.

В конце концов, за основу зарядного устройства (в дальнейшем ЗУ) была взята схема с , приспособленная под зарядку двух однотипных Ni-Cd или Ni-Mg аккумуляторов. Кроме этого был добавлен трехзначный светодиодный индикатор и написано новое программное обеспечение. Схема зарядного устройства приведена на рис.1.

Рис. 1

Особенность схемы – постоянное измерение тока в процессе заряда-разряда, что снизило требование к его стабильности и позволило делать более точный подсчет емкости.

Для питания устройства требуются два источника питания. Первый из них, подключенный к Х2-Х4 должен иметь характеристику близкую к источнику тока, с напряжением холостого хода около 4..6В, и током, соответствующему желаемому току заряда.

Второй, подключенный к Х3-Х4, должен быть источником напряжения, с напряжением 6…11В и током не менее 50мА для питания непосредственно схемы управления и индикации. Если напряжение этого источника будет не менее 8В, тогда вместо дорогого стабилизатора с малым падением напряжения LM2940-5 (DA2) можно использовать распространенный стабилизатор L7805 (КРЕН5А).

На практике было взято зарядное устройство от неизвестного телефона, на котором было написано DC 5.0V/740mA. В действительности на холостом ходу оно выдавало 7В, а ток заряда, при подключении его к двум последовательно включенным аккумуляторам, составил 580мА. Это зарядное устройство (на схеме показано как ZU) было переделано следующим образом. Конденсатор 4,7uF 400V заменен на 10uF 400V, для безопасности добавлен предохранитель 0,25А вместо используемого для этих целей резистора, на высоковольтный транзистор 13003 в корпусе ТО-126 (как у отечественного КТ815) прикреплен небольшой радиатор, и, самое главное, на трансформаторе была домотана дополнительная обмотка из 15 витков провода диаметром 0,18мм (на схеме W2) последовательно с существующей, после чего был допаян навесным монтажом диод VD10 типа 1N5819 и конденсатор С2 220 uF 25V. Необходимо, чтобы при намотке дополнительной обмотки W2 направление намотки было таким же, как в уже существующей W1 - напряжение на обмотках должно суммироваться. Диод VD10 и конденсатор С2 были приклеены термоклеем прямо к трансформатору.

Вся переделка заняла около полутора часов. В результате даже в начале заряда полностью разряженных новых аккумуляторов напряжение на контакте Х3 не опускалось ниже 7В, при этом ток заряда составлял 640мА. В конце заряда ток снижался до 560мА. Это позволило заряжать полностью разряженные аккумуляторы 2700мА/ч за 5часов. При необходимости увеличить ток заряда, следует применить более мощный обратноходовый импульсный блок питания, переделанный аналогичным образом, или в качестве источника тока (Х2-Х4) применить отдельный блок питания (более предпочтительно).

Схема управления построена на распространенном микроконтроллере фирмы Atmel – Atmega 8A. Контроллер настроен на внутренний генератор с частотой 1МГц. Выводы PC0 и PC1 контроллера настроены как входа АЦП. Резисторы R8,R6 и R7,R5 образуют делители для согласования напряжения на аккумуляторах с внутренним опорным источником напряжения АЦП контроллера– 2,56В. Благодаря делителям, максимальное измеряемое напряжение составило 2,56/3*(3+1,5)=3,84В. Стабилитроны VD5,VD6 служат для ограничения напряжения на входах на уровне 4,5В, конденсаторы С11,С12 – для фильтрации измеряемого напряжения.

Благодаря измерению напряжения до и после резистора R13, появилась возможность измерять ток заряда, и снизилось требование к стабильности тока заряда. При подсчете емкости устройство каждую секунду измеряет ток заряда в мА и суммирует его. На дисплее отражается значение суммы, разделенное на 3600, т.е. потребленная (отданная) емкость в мА/ч. Резистор R13 состоит из трех резисторов 1Ом 0.25Вт соединенных параллельно.

В устройстве HL2 применен трехзначный светодиодный индикатор с общим катодом KOOHI E30361LC8W. При проверке оказалось, что даже при токе 2 мА на сегмент, яркость свечения была достаточно интенсивной. Это позволило обойтись без дополнительных транзисторов, подключив катоды непосредственно к портам контроллера, так как суммарный ток не превышал разрешенные даташитом 40мА на порт. Как оказалось позже, без диодов VD7,8,9 индикатор тоже нормально работает. Возможно применение любого аналогичного индикатора. При недостаточной интенсивности свечения возможно уменьшение гасящих резисторов до 560Ом.

L1,C3,C4 служат для дополнительной фильтрации питания контроллера. Разъем Х1 предназначен для подключения зарядного устройства к компьютеру. Детали R1,R2,R25,R26,VD1,VD2 служат для защиты контроллера от неправильного подключения к внешнему устройству (компьютеру). Если такое подключение не планируется, их использование не обязательно.

Кнопка SA1 служит для выбора режима работы ЗУ при его включении. Светодиод VD4 служит для дополнительной индикации о текущем режиме работы ЗУ. Его наличие позволяет пользоваться ЗУ без индикатора HL2 (если нет необходимости в дополнительной информации о процессе заряда). Порт РВ6 используется программно и как вход, для опроса кнопки (когда светодиод погашен), и как выход – для индикации режима работы.

Датчик DS18B20 служит для измерения температуры аккумуляторов. Его необходимо располагать как можно ближе к аккумуляторам. В авторском варианте датчик был закреплен между аккумуляторами непосредственно в держателе, полусферой к аккумуляторам. При его отсутствии устройство тоже работает, но соответственно, температура не отображается.

Элементы VT1,VT2,VT3,R11,R12,R9,R10 образуют ключ зарядного тока. В качестве транзистора VT1 возможно применение любого маломощного n-p-n транзистора (например, КТ315Б), при этом необходимо увеличить резистор R9 до 4,7кОм. VT2 может быть любым аналогичным с коэффициентом передачи тока не менее 50.

VT4,R14,R15,R16 образуют разрядный ключ. При включении транзистора VT4 ток разряда аккумулятора протекает через резисторы R13,R16 и ограничивается ими на уровне около 410мА. Так как ток разряда протекает через резистор R13, имеется возможность измерять разрядный ток и подсчитывать отданную аккумулятором емкость, отпадает необходимость в разрядных источниках тока. В качестве транзистора VT4 возможно применение составного n-p-n транзистора, например КТ972, КТ827, при этом необходимо увеличить сопротивление R14 до 1,5кОм.

Разъем ХS1 предназначен для внутрисхемного программирования контроллера.

При частичном использовании SMD элементов размер платы составил 69х50мм. Светодиодный индикатор был закреплен непосредственно в корпусе ЗУ термоклеем, и соединялся с платой с помощью проводов МГТФ. Корпус для всего устройства был взят от блока питания приставки SEGA размером 80х55х50мм. В корпусе был выпилен паз под держатель аккумуляторов, который был вклеен термоклеем с внутренней стороны. Внешний вид платы показан на фото 1, компоновка компонентов внутри корпуса на фото 2, внешний вид всего ЗУ на фото3.

Фото 1

Фото 2

Фото 3

Для подключения схемы к компьютеру необходим адаптер (дата-кабель) собранный на MAX232 или ее аналоге. У автора схема была собрана согласно рис.2. Вывод Тх адаптера необходимо соединить с выводом Rx устройства, а Rx адаптера соответственно с Тх устройства.

Рис. 2

При разработке программы для устройства был использован алгоритм, описанный в .

Алгоритм работы зарядного устройства состоит из нескольких фаз:
1. Определение наличия аккумулятора.
2. Выбор режима работы.
3. Разряд (если был выбран)
4. Пред-зарядка (pre-charge).
5. Быстрая зарядка (fast charge).
6. Дозарядка (top-off charge).
7. Поддерживающая зарядка (maintenance charge).

В фазе определения наличия аккумулятора включается ключ подачи зарядного тока VT2, при этом измеряется напряжение на зажимах держателя. Если напряжение выше 3,3В, значит аккумуляторы отсутствуют. На индикаторе при этом высвечиваются прочерки "---". Снижение напряжения ниже 3,3В, расценивается как появление аккумуляторов, при этом индикатор HL2 гаснет, а светодиод VD4 начинает мигать с частотой пять раз в секунду.

Если в течение 25сек. кнопка SA1 не будет нажата, устройство «вспоминает» последний свой режим, хранящийся в ЕЕПРОМ, и начинает его отрабатывать. Т.е. если был сбой в питании, устройство продолжит заряжать аккумуляторы, если последний режим был зарядка, или перейдет в капельный режим подзарядки, если зарядка была окончена. Единственное «но» - информация о емкости заряда (разряда) будет утеряна, ЗУ начнет подсчет сначала. Это предотвращает повторный заряд полностью заряженных аккумуляторов при пропадании напряжения в сети.

Если же кнопка SA1 в течение первых 25сек. будет все же нажата, на индикаторе HL2 сначала высвечивается напряжение аккумуляторов (общее напряжение делится на два, т.е. высвечивается усредненное напряжение на один аккумулятор), затем начнет мигать «ЗР1» - режим заряда без разрядного импульса. Если повторно нажать кнопку высветится режим «ЗР2» - режим заряда с разрядным импульсом. При следующем нажатии высветится «РАЗ» - режим разряда с последующим зарядом в режиме «ЗР2». Дальше - по кругу, при этом светодиод VD4 мигает в соответствии с выбранным режимом (см. далее). На выбор режима дается 10сек. с момента последнего нажатия кнопки.

Если был выбран режим разряда, аккумуляторы сначала разряжаются, до напряжения менее 0,8В на один аккумулятор. При этом на индикаторе в цикле выводится следующая информация: «РАЗ» (режим), « U », «напряжение на один аккумулятор» (в вольтах), « А », «ток разряда» (в амперах), «АcH», «емкость разряда» (в ампер-часах). Светодиод VD4 при этом мигает с частотой два раза в секунду. Если разряд длится более девяти часов, высвечивается «ErH» - ошибка по времени. После разряда, ЗУ всегда переходит в режим быстрого заряда «ЗР2».

Режиму быстрого заряда (и ЗР1 и ЗР2) всегда предшествует фаза предзарядки. При этом ток заряда подается на 300мс., далее следует пауза 700мс. Т.е. средний ток составляет 30% от измеренного в момент подачи тока. При этом на индикаторе выводится следующая информация: «НЗР» (режим начального заряда), « U », «напряжение на один аккумулятор», « А », «ток в амперах» (средний ток), « t », «температура» (в град. Цельсия). Последние два значения не выводятся, если датчик не подключен, или измеренная температура менее 1°С. Светодиод VD4 при этом мигает с частотой раз в две секунды с короткими вспышками. Фаза предзарядки длится не менее 1мин. Основное условие перехода к основному режиму заряда – повышение напряжения на аккумуляторах более 1В на один аккумулятор. Если в течение 30 мин. не удается «раскачать» аккумуляторы, высвечивается ошибка «ErU» - ошибка по напряжению.

Режимы быстрой зарядки ЗР1 и ЗР2 происходят следующим образом. Включается зарядный ток. Раз в секунду зарядный ток выключается и делается небольшая пауза 5мс. для стабилизации. Далее на протяжении 16мс. делается подряд шесть замеров напряжения на аккумуляторах, после чего напряжение усредняется. Если выбран режим ЗР1, то после замеров снова включается зарядный ток. Если выбран режим ЗР2, тогда после замеров включается транзистор VT4, и через аккумуляторы протекает разрядный ток на протяжении 5мс., после чего VT4 отключается, и снова включаются VT1,VT2,VT3 – снова начинает протекать зарядный ток.

Как преимущество метода ЗР1 называют лучшее выравнивание концентрации активных веществ по всему объему, меньшую вероятность образования крупных кристаллических образований на электродах и их пассивации. Дополнительным преимуществом этого метода является то, что измерение напряжения происходит без протекания зарядного тока, практически исключается влияние сопротивления контактов и внутреннего сопротивления аккумуляторов на точность измерения. Режим с разрядным импульсом (ЗР2) называют FLEX negative pulse charging или Reflex Charging. Преимуществом такого метода называют более низкую температуру аккумулятора в процессе зарядки и способность устранять крупные кристаллические образования на электродах (вызывающих эффект «памяти»).

В процессе заряда на индикатор HL2 выводится в цикле следующая информация: «ЗР1» (или «ЗР2», если режим ЗР2), « U », «напряжение на один аккумулятор», « А », «ток в амперах», «АcH», «емкость заряда», « t », «температура», « dt », «приращение температуры». Последние четыре значения не индицируются, если температурный датчик DS18B20 отсутствует. В режиме ЗР1 светодиод VD4 моргает раз в секунду с равными интервалами паузы и засветки. В режиме ЗР2 – тоже раз в секунду но с длинной паузой и короткой засветкой.

Через 15 мин. после начала процесса быстрого заряда ЗУ запоминает начальную температуру аккумуляторов. В дальнейшем, устройство показывает параметр dt – увеличение температуры с начала заряда. Начальная температура запоминается через 15 мин. для того, чтобы уменьшить влияние нагрева от блока питания, после включения его на полный ток заряда. Увеличение параметра dt до 15°С является одним из условий окончания заряда. Дело в том, что в конце заряда энергия, передаваемая ЗУ перестает поглощаться аккумуляторами, и практически полностью переходит в тепловую. Это вызывает нарушение теплового баланса, и температура начинает расти до некоторого нового значения, при которой энергия принятая аккумуляторами от ЗУ не станет равной отданной аккумуляторами в окружающую среду. Энергия, отданная аккумуляторами в окружающую среду, в первом приближении зависит от геометрии аккумуляторов (которая не менялась с начала заряда), и разности температур аккумуляторов и окружающей среды. Таким образом, для каждого тока заряда, будет свое, достаточно постоянное значение приращения температуры в конце заряда. Именно приращение, а не какое-либо конкретное значение температуры. Экспериментально было определено, что для тока заряда 600мА и формата аккумуляторов АА приращение температуры в конце заряда составляет 11…13°С. Так как этот метод использовался автором как дополнительный, значение приращения было выбрано с запасом - 15°С. На практике окончание заряда по dt происходит достаточно редко, как правило, у старых аккумуляторов большой емкости.

Основным критерием определения окончания зарядки является снижение или постоянство напряжения на 10-и минутном интервале, т.е. dV£0. В памяти ЗУ организован массив из десяти ячеек. ЗУ проводит каждую секунду замер напряжения и суммирует его с предыдущими значениями. Раз в 60 сек. проводится усреднение, т.е. полученная сумма делится на 60, затем массив сдвигается, и в освободившуюся ячейку записывается полученное значение, при этом счетчик суммы обнуляется. Таким образом, всегда доступны значения напряжений в течение последних десяти минут, с минутным интервалом. После этого проводится проверка на dV£0, т.е. все предыдущие значения напряжений должны быть больше или равны последнему U i ³U 10 . Однако после испытаний устройства пришлось несколько дополнить условие. Дело в том, что АЦП дискретное, и в данном устройстве имеет 1024 ступеньки, относительно опорного напряжения, 2,56В. С учетом резистивных делителей шаг ступеньки составляет около 3,7мВ. Таким образом, если даже напряжение на аккумуляторе не растет, но находится на середине ступеньки, АЦП выдает «плавающее» напряжение на величину ступеньки. За счет многократных усреднений (за минуту усредняется 360 измерений) реальное колебание напряжения в массиве при постоянном напряжении аккумуляторов составляло 2мВ. Это затягивало момент определения окончания зарядки, что часто приводило к окончанию зарядки по условию превышения температуры dt. В связи с этим, условие было несколько смягчено – из девяти проверок условий, 5 должны были точно соблюдать условие U i ³U 10 , а четыре могли отклоняться от него не более чем на 2мВ, т.е. если U i 10, то (U 10 - U i) £2мВ. После этого изменения многократный анализ зарядных кривых показал стабильность срабатывания ЗУ.

В процессе быстрой зарядки ЗР1 и ЗР2 возможны следующие аварии: при времени зарядки более 9ч. – ошибка по времени «ErH», при отдаче в аккумулятор более 3800мА/ч – ошибка по емкости – ErA, если после детектирования окончания заряда напряжение на двух аккумуляторах менее 2,5В – ошибка по напряжению «ErU». В режиме ошибки светодиод VD4 мигает пять раз в секунду.

После детектирования окончания зарядки (dV или dt), или если в процессе зарядки аккумуляторы нагрелись до критической температуры 50°С, ЗУ переходит в режим дозарядки. Этот режим длится 20мин. и служит для выравнивания заряда аккумуляторов в батарее. Если температура аккумуляторов более 40°С, ток дозарядки составляет 5%, если менее 40°С – 20% от тока зарядного источника. Величина тока дозарядки регулируется импульсным методом, так же как и в режиме предзарядки.

В процессе дозаряда на индикатор HL2 выводится в цикле информация аналогичная режиму основного заряда, только режим индицируется как «dЗР», и не выводится информация превышения температуры « dt ». Светодиод VD4 при этом мигает с частотой раз в две секунды с длинными засветками.

После окончания режима дозаряда, ЗУ переходит в режим поддерживающего капельного заряда 0,5% током. При этом один раз, непосредственно после окончания дозаряда, производится ориентировочный расчет внутреннего сопротивления аккумуляторов, на основании замера напряжения аккумуляторов без нагрузки, а так же под нагрузкой разрядным сопротивлением, по формуле R вн =(Е эдс *5,97)/U наг –5,97, где 5,97 – сопротивление нагрузки (0,33+5,1+0,54(сопротивление транзистора)). На индикатор выводится следующая информация: « ОК»; « dU» - если было срабатывание по методу dV£0, или « dt» - если было срабатывание по условию превышения температуры dt; « U »; «напряжение на один аккумулятор в конце заряда»; «Е-З»; «емкость заряда»; «Е-Р» (если был режим разряда); «емкость разряда» (если был режим разряда) ; «rВН»; «внутреннее сопротивление в конце заряда» (в Омах). Светодиод VD4 при этом постоянно светится. Процесс заряда окончен.

Для визуализации процесса было создано приложение в бесплатной графической среде программирования Hi-Asm (http://hiasm.com). На сайте автора среды Hi-Asm и в интернете находится достаточное количество примеров, автору этой статьи понадобилось всего четыре вечера для создания приложения ЗУ без каких либо навыков программирования на языках подобного уровня. Для запуска всего комплекса необходимо сначала подсоединить кабель адаптера к ЗУ и COM1 порту компьютера, запустить приложение СHARGER.exe, после чего установить аккумуляторы в ЗУ и подать питание. После индикации на дисплее напряжения, выбрать необходимый режим зарядки: ЗР1, ЗР2 или РАЗ с помощью кнопки SA1. После начала соответствующего режима необходимо нажать кнопку «ЦИКЛ» в приложении CHARGER, в результате начнут строиться графики изменения температуры и напряжения аккумуляторов в процессе заряда. После нажатия кнопки «ЦИКЛ» приложение раз в минуту отправляет запрос на ЗУ в виде кода 0x0F. В ответ ЗУ отсылает пакет из восьми байт: четыре байта напряжения аккумуляторов в мВ (без запятой), затем три байта температуры (первые два целые, затем десятые без запятой), в конце код CR (13). Все данные отправляются в коде ACS||. Когда процесс заряда окончен, ЗУ передает во всех данных нули, в результате появится окно с надписью «Заряд окончен».

Для примера приведены графики заряда аккумуляторов GP 2700мА/ч (возраст 1,5лет) - Рис. 3, DURACEL 2650мА/ч (новые) - Рис. 4., неизвестного происхождения с надписью 700мА/ч от радиоуправляемой машинки (возраст полгода) - Рис. 5.

На рис.3 приведены графики заряда аккумуляторов от фотоаппарата, описанных в начале статьи. Как видим аккумуляторы смогли отдать сразу после зарядки всего 1210мА/ч, КПД зарядного процесса составило всего около 67%, у аккумуляторов достаточно высокое внутреннее сопротивление – 0,52Ом (на два последовательно включенных аккумулятора). Снижения напряжения в конце быстрого заряда не было. Так как КПД процесса был низким, температура росла достаточно интенсивно на протяжении всего времени, хотя увеличение температуры в конце заряда все равно достаточно очевидно.

Рис. 3. GP 2700мА/ч (возраст 1,5лет) R вн =0,52 Ом, Е зар =1,79А/ч, Е раз =1,21А/ч

На рис. 4 приведены графики заряда аккумуляторов DURACEL приобретенных взамен GP. Здесь графики как из учебника – явный пик напряжения со спадом в 5мВ. Температура в процессе заряда практически не увеличивается, и имеет очень выраженный резкий рост в конце заряда, со скоростью роста 0,3°С/мин. КПД процесса около 90%, а сопротивление аккумуляторов 0,21Ом. Фотоаппарат на одном заряде этих аккумуляторов смог отснять 7Гб фото и видео на протяжении двух месяцев интенсивной эксплуатации!

Рис. 4 DURACEL 2650мА/ч (новые) R вн =0,21Ом, Е зар =2,95А/ч, Е раз =2,66А/ч

Ну и последние графики на рис. 5 показывают процесс заряда аккумуляторов неизвестного китайского производителя. Радиоуправляемая машинка, которая комплектовалась этими аккумуляторами, через полгода практически перестала функционировать – заряда аккумуляторов хватало на 1-2мин. Как видим, их реальная емкость всего 110мА/ч, вместо обещанных 700мА/ч. По графику напряжения видно, что аккумуляторами их уже назвать трудно...

Рис. 5 Неизвестные 700мА/ч (возраст вн =0,27Ом, Е зар =0,23А/ч, Ераз=0,11А/ч

Зарядное устройство практически не требует наладки. Возможно, будет необходимо подстроить делители напряжений, так как возможна довольно большая погрешность в связи с разбросом номиналов. Для этого необходимо в ЗУ установить заранее заряженные аккумуляторы, и включить его в режим разряда. В этом режиме подбором R6 или R8 откалибровать индицируемое напряжение аккумуляторов, отображаемое на индикаторе HL2 по эталонному вольтметру, подключенному непосредственно к аккумуляторам. После этого включить последовательно с аккумуляторами эталонный амперметр, и подбором R5 или R7 (тоже в режиме разряда) откалибровать индицируемый ток. Второй способ – откалибровать поправочным коэффициентом внутри программы, как и где менять – есть в примечаниях исходника.

Прошивка микроконтроллера производилась с помощью обычного LPT программатора, состоящего из 4-х резисторов (в интернете находится без особого труда). Запрограммированные фьюзы: CKSEL3=CKSEL2=CKSEL1=SUT0=0 – галочки. Вместо Atmega 8A можно применить Atmega 8.

При планировании компоновки элементов ЗУ внутри корпуса, необходимо максимально уменьшить влияние нагрева аккумуляторов от компонентов блока питания и платы!

При эксплуатации ЗУ вместе с аккумуляторами DURACEL выяснился интересный факт: если аккумуляторами практически не пользоваться более полутора месяцев, их емкость после разряда-заряда оказывается всего 1700…1800мАч, однако после одного-двух циклов разряда-заряда емкость восстанавливается до 2600мАч. А вот старым аккумуляторам GP и Energizer уже ничего не помогало – со временем их емкость неукоснительно снижалась. Вывод напрашивается сам – если не пользуетесь аккумуляторами, то хотя бы раз в месяц делайте им тренировочные циклы.

Hex-коды прошивки контроллера, исходный проект на Си (для ), схема и разводка платы (), приложение СHARGER.exe, его исходник на Hi-Asm (v.4.03) прилагаются к статье.

Литература

1. Дмитрий Мосин. Умная зарядка NiMh AA аккумуляторов // www.radiokot.ru/circuit/power/charger/10/
2. Абрамов С.М. Зарядное устройство для пальчиковых батареек //Радиоаматор. – 2010. - №9. – С.36.
3. Ридико Л.И. Немного о зарядке NiMH и NiCd аккумуляторов // http://caxapa.ru/lib/charge_nimh.pdf

Список радиоэлементов

Особенности зарядки Ni─MH аккумуляторов, требования к зарядному устройству и основные параметры

Никель─металлогидридные аккумуляторы постепенно распространяются на рынке, и совершенствуется технология их производства. Многие производители постепенно улучшают их характеристики. В частности, увеличивается количество циклов заряд-разряд и снижается саморазряд Ni─MH батареек. Этот тип батарей выпускался на замену Ni─Cd аккумуляторов и понемногу они вытесняют их с рынка. Но остаются некоторые направления использования, где никель─металлогидридные батареи не могут заменить кадмиевые. Особенно там, где требуются высокие разрядные токи. И тот и другой тип батареек для продления срока службы требуют грамотной зарядки. Мы уже рассказывали о зарядке никель─кадмиевых батарей, а теперь пришла очередь заряжать Ni─MH аккумуляторы.

В процессе заряда в аккумуляторе проходит ряд химических реакций, на которые идёт часть подаваемой энергии. Другая часть энергии преобразуется в тепло. КПД процесса зарядки ─ это та часть подаваемой энергии, которая остаётся в «запасе» у батареи. Значение КПД может отличаться в зависимости от условий заряда, но никогда не бывает равным 100 процентов. Стоит отметить, что КПД при зарядке Ni─Cd аккумуляторов выше, чем в случае с никель─металлогидридными. Процесс зарядки Ni─MH аккумуляторов происходит с большим выделением тепла, что накладывает свои ограничения и особенности. Подробнее о том, читайте в статье по указанной ссылке.

• Капельная (ток заряда 0,1С);
• Быстрая (0,3С);
• Ускоренная (0,5─1С).

По большому счёту типов зарядки всего два: капельная и ускоренная. Быстрая и ускоренная – это практически одно и то же. Отличаются они лишь методом остановки процесса заряда.

Вообще, любая зарядка Ni─MH аккумуляторов током больше 0,1С является быстрой и требует отслеживания каких-то критериев окончания процесса. Капельная зарядка этого не требует и может продолжаться неопределённое время.

Виды зарядки никель─металлогидридных аккумуляторов

Теперь, давайте, рассмотрим особенности разных видов зарядки подробнее.

Капельная зарядка Ni─MH аккумуляторов

Здесь стоит сказать, что этот тип зарядки не способствует увеличению срока службы Ni─MH аккумуляторов. Поскольку капельная зарядка не отключается даже после полного заряда, ток выбирается очень маленьким. Это сделано для того, чтобы при длительной зарядке не происходило перегрева батареек. В случае Ni─MH батарей значение тока может быть даже снижено до 0,05С. Для никель─кадмиевых подойдёт 0,1С.

При капельной зарядке отсутствует характерный максимум напряжения и ограничением этого типа зарядки может выступать только время. Чтобы оценить необходимое время, потребуется знать ёмкость и начальный заряд батареи. Чтобы рассчитать время зарядки более точно, нужно разрядить батарею. Это исключит влияние начального заряда. КПД при капельной зарядке Ni─MH аккумуляторов находится на уровне 70 процентов, что ниже остальных видов. Многие производители никель─металлогидридных батарей не рекомендуют использовать капельную зарядку. Хотя в последнее время появляется всё больше информации о том, что современные модели Ni─MH аккумуляторов не деградируют в процессе капельного заряда.

Быстрая зарядка никель─металлогидридных аккумуляторов

Производители Ni─MH аккумуляторов в своих рекомендациях приводят характеристики для заряда с величиной тока в интервале 0,75─1С. Ориентируйтесь на эти значения, когда будете выбирать, каким током заряжать Ni─MH аккумуляторы. Значения тока заряда выше этих значений не рекомендуются, поскольку это может привести к открытию аварийного клапана для сброса давления. Быструю зарядку никель─металлогидридных батарей рекомендуется проводить при температуре 0─40 градусов Цельсия и напряжении 0,8─,8 вольта.

КПД процесса быстрой зарядки значительно больше, чем капельной. Он составляет около 90 процентов. Однако к моменту окончания процесса КПД резко снижается, и энергия переходит в выделение тепла. Внутри батарейки резко растёт температура и давление. имеют аварийный клапан, который может открыться при увеличении давления. В этом случае свойств аккумулятора будут безвозвратно потеряны. Да и сама высокая температура оказывает пагубное влияние на структуру электродов батарейки. Поэтому нужны чёткие критерии, по которым процесс заряда будет останавливаться.

Требования к зарядному устройству (ЗУ) для Ni─MH батарей мы представим ниже. Пока отметим, что такие ЗУ ведут заряд по определённому алгоритму. Стадии этого алгоритма в общем виде следующие:

• определение наличия аккумуляторной батареи;
• квалификация батареи;
• пред-зарядка;
• переход на быструю зарядку;
• быстрая зарядка;
• дозарядка;
• поддерживающая зарядка.

На этом этапе подаётся ток 0,1С и выполняется проверка напряжения на полюсах. Для старта процесса заряда напряжение должно составлять не более 1,8 вольта. Иначе процесс не стартует.

Стоит отметить, что проверка наличия аккумулятора проводится и на других стадиях. Это необходимо на тот случай, если аккумулятор вынимается из зарядного устройства.

Если логика ЗУ определяет, что величина напряжения больше 1,8 вольта, то это воспринимается, как отсутствие аккумуляторной батареи или её повреждение.

Квалификация батареи

Здесь определяется примерная оценка заряженности аккумулятора. Если напряжение будет менее 0,8 вольта, то быстрый заряд аккумулятора запускать нельзя. В этом случае зарядное устройство включит режим пред-зарядки. При нормальной эксплуатации Ni─MH батарейки редко разряжают до напряжения ниже 1 вольт. Поэтому пред-зарядка включается только в случае глубоких разрядов и после длительного хранения батареек.

Пред-зарядка

Как уже говорилось выше, пред-зарядка включается при глубоком разряде Ni─MH аккумуляторов. Ток на этой стадии устанавливается на уровне 0,1─0,3С. По времени этот этап ограничен и составляет где-то около 30 минут. Если за это время аккумулятор не восстанавливает напряжения 0,8 вольта, то заряд прерывается. В этом случае батарейка, скорее всего, повреждена.

Переход к быстрой зарядке

На этом этапе происходит плавное увеличение зарядного тока. Наращивание тока происходит плавно в течение 2─5 минут. При этом, как и на других стадиях, ведётся контроль температуры и отключение заряда при критических значениях.

Ток заряда на этой стадии находится в интервале 0,5─1С. Самое главное на стадии быстрой зарядки является своевременного отключение тока. Для этого при зарядке Ni─MH аккумуляторов используется контроль по нескольким разным критериям.

Для тех, кто не в курсе, при зарядке используется метод контроля по дельте напряжения. В процессе зарядки оно постоянно растёт, а по окончании процесса начинает падать. Обычно окончание заряда определяется по падению напряжения на 30 мВ. Но этот способ контроля с никель─металлогидридными аккумуляторами работает не очень хорошо. В этом случае падение напряжение не так сильно выражено, как в случае Ni─Cd. Поэтому для срабатывания отключения нужно увеличивать чувствительность. А при повышенной чувствительности повышается вероятность ложного срабатывания из-за шумов аккумулятора. Кроме того, при зарядке нескольких батареек срабатывание происходит в разное время и весь процесс размазывается.

Но всё равно остановка зарядки по падению напряжения является основной. При заряде током 1С падение напряжения для отключения составляет 2,5─12 мВ. Иногда производители устанавливают детектирование не по падению, а по отсутствию изменения напряжения в конце заряда.

При этом в период первых 5─10 минут зарядки контроль по дельте напряжения отключается. Это объясняется тем, что при старте быстрой зарядки напряжение аккумулятора может сильно меняться в результате процесса флуктуации. Поэтому на начальном этапе контроль отключается, чтобы исключить ложные срабатывания.

Из-за не слишком высокой надёжности отключения зарядки по дельте напряжения используется контроль и по другим критериям.

Ещё существует метод контроля процесса заряда по анализу производной напряжения. В этом случае ведётся мониторинг не дельты напряжения, а скорость его максимального роста. Метод позволяет прекращать быструю зарядку несколько раньше завершения заряда. Но такой контроль сопряжён с рядом сложностей, в частности, более точного измерения напряжения.

Некоторые зарядные устройства для Ni─MH аккумуляторов применяют для заряда не постоянный ток, а импульсный. Он подаётся продолжительностью 1 секунда с интервалами 20─30 миллисекунд. В качестве преимуществ такого заряда специалисты называют более равномерное распределение активных веществ по объёму аккумулятора и снижение образования крупных кристаллов. Кроме того, сообщается о более точном измерении напряжения в интервалах между подачей тока. Как развитие этого метода, был предложен Reflex Charging. В этом случае при подаче импульсного тока чередуется заряд (1 секунда) и разряд (5 секунд). Ток разряда ниже заряда в 1─2,5 раза. В качестве преимуществ можно выделить меньшую температуру при заряде и устранение крупных кристаллических образований.

При зарядке никель─металлогидридных аккумуляторов очень важным является контролировать окончание процесса зарядки по различным параметрам. Должны быть предусмотрены способы аварийного завершения заряда. Для этого может быть использовано абсолютное значение температуры. Часто таким значением бывает 45─50 градусов Цельсия. В этом случае заряд должен быть прерван и возобновлён после остывания. Способность принимать заряд у Ni─MH аккумуляторов при такой температуре снижается.

Важно устанавливать ограничение по времени заряда. Его можно прикинуть по ёмкости батареи, величине тока зарядки и КПД процесса. Ограничение устанавливается на уровне расчётное время плюс 5─10 процентов. В этом случае, если не сработает ни один из предыдущих методом контроля, заряд отключится по установленному времени.

Этап дозарядки

На этой стадии ток зарядки устанавливается 0,1─0,3С. Длительность около 30 минут. Более длительная дозарядка не рекомендуется, поскольку это сокращает срок службы батареи. Этап дозарядки помогает выровнять заряд элементов в батарее. Лучше всего, если после быстрой зарядки, аккумуляторы остынут до комнатной температуры, а потом запустится дозарядка. Тогда аккумулятор восстановит полную ёмкость.

Зарядные устройства для Ni─Cd аккумуляторов часто после завершения процесса заряда переводят батареи в режим капельной зарядки. Для Ni─MH батарей это будет полезно только в случае подачи очень маленького тока (около 0,005С). Этого будет достаточно для компенсации саморазряда аккумулятора.

В идеале зарядка должна иметь функцию включения поддерживающей зарядки при падении напряжения на батарейке. Поддерживающая зарядка имеет смысл только в том случае, когда между зарядом батареек и их использованием проходит достаточно длительное время.

Сверхбыстрая зарядка Ni-MH аккумуляторов

И ещё стоит упомянуть о сверхбыстром заряде аккумуляторных батарей. Известно, что при заряде до 70 процентов своей ёмкости никель─металлогидридный аккумулятор имеет КПД зарядки близкий к 100 процентам. Поэтому на этом этапе имеет смысл увеличить ток для ускоренного его прохождения. Токи в таких случая ограничивают значением 10С. Основная проблема здесь в определении тех самых 70 процентов заряда, при которых следует понижать ток до обычной быстрой зарядки. Это сильно зависит от степени разряда, с которой началась зарядка батареи. Высокий ток легко может привести к перегреву аккумулятора и разрушению структуры его электродов. Поэтому использование сверхбыстрого заряда рекомендуется только при наличии соответствующих навыков и опыта.

Общие требования к зарядным устройствам для никель─металлогидридных аккумуляторов

Разбирать какие-то отдельные модели для заряда Ni─MH аккумуляторов в рамках этой статьи нецелесообразно. Достаточно отметить, что это могут быть узконаправленные ЗУ под зарядку никель─металлогидридных батарей. Они имеют зашитый алгоритм зарядки (или несколько) и по нему постоянно работают. А есть универсальные устройства, которые позволяют тонко настраивать параметры зарядки. К примеру, . Такие устройства могут быть использованы для заряда различных батарей. В том числе, и для , если есть адаптер питания соответствующей мощности.

Нужно сказать пару слов о том, какие характеристики и функционал должно иметь ЗУ для Ni─MH аккумуляторов. Устройство обязательно должно иметь возможность регулировки тока зарядки или его автоматическая установка в зависимости от типа батареек. Почему это важно?

Сейчас существует множество моделей никель─металлогидридных аккумуляторов, и многие батарейки одинакового форм-фактора могут отличаться ёмкостью. Соответственно, ток зарядки должен быть разный. Если заряжать током выше нормы, будет нагрев. Если ниже нормы, то процесс зарядки будет идти дольше положенного. В большинстве случаев токи на зарядных устройствах делаются в виде «пресетов» для типовых батареек. В целом же при заряде производители Ni-MH аккумуляторов не рекомендуют установку тока более 1,3─1,5 ампера для типа АА вне зависимости от ёмкости. Если вам по каким-то причинам требуется увеличение этого значения, то нужно позаботиться о принудительном охлаждении аккумуляторов.

Ещё одна проблема связана с отключением питания зарядного устройства в процессе зарядки. В этом случае при включении питания она начнётся снова со стадии определения аккумулятора. Момент окончания быстрой зарядки определяется не временем, а рядом других критериев. Поэтому если она прошла, то при включении будет пропущена. А вот этап дозарядки пройдёт снова, если он уже был. В результате аккумулятор получает нежелательный перезаряд и лишний нагрев. Среди прочих требований к ЗУ Ni-MH аккумуляторов – низкий разряд при отключении питания зарядного устройства. Ток разряда в обесточенном ЗУ не должен превышать 1 мА.

Стоит отметить и наличие в зарядном устройстве ещё одной важной функции. Оно должно распознавать первичные источники тока. Проще говоря, марганцево-цинковые и щелочные батарейки.

При установке и зарядке таких батареек в ЗУ они вполне могут взорваться, поскольку не имеют аварийного клапана для сброса давления. От зарядного устройства требуется, чтобы оно могло распознавать такие первичные источники тока и не включать зарядку.

Хотя здесь стоит отметить, что определение аккумуляторов и первичных источников тока, имеет ряд сложностей. Поэтому производители ЗУ не всегда оснащают свои модели подобными функциями.

Предлагаемое универсальное зарядное устройство обеспечивает как ускоренную зарядку никель-кадмиевых (Ni-Cd) и никель-металлгидридных (Ni-MH) аккумуляторных батарей повышенным током, так и их зарядку в так называемом обычном режиме с меньшим током зарядки. При этом в первом случае окончание зарядки происходит при падении напряжения на аккумуляторе. Благодаря использованию микросхемы MC33340D данное зарядное устройство позволяет контролировать падение напряжения с чувствительностью 4 мВ. Помимо этого, с помощью перемычек можно заранее установить определенное время зарядки. При необходимости контролируется не только напряжение на аккумуляторе в режиме ускоренной зарядки, но и напряжение источника питания

устройства. Зарядка прекращается и в случае повышения температуры аккумулятора выше установленного лимита. Питание зарядного устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 5-18 В с максимальным током 1,5 А.

Данное универсальное зарядное устройство для NiCd и NiMH аккумуляторов представляет собой регулятор, выполненный на микросхеме типа MC33340D. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 7.

Сразу после подключения питающего напряжения универсальное зарядное устройство начинает работать в режиме ускоренной зарядки.

В том случае, если аккумулятор не подключен или неисправен, напряжение на выводе 1 (VSEN) микросхемы IC2 (MC33340D) будет либо меньше величины 1 В, либо больше, чем 2 В. При этом зарядное устройство автоматически переключится в обычный режим. В обычный режим работы данное зарядное устройство переключится и в том случае, если в течение 177 с на клеммах заряжаемого аккумулятора будет зафиксировано падение напряжения определенной ве* личины, что свидетельствует об окончании процесса зарядки. Помимо этого переключение в обычный режим может

осуществляться по окончании выбранного времени зарядки, или же при повышении температуры аккумулятора сверх допустимой нормы.

Время зарядки аккумуляторной батареи выбирается с помощью установки или удаления перемычек Т1-ТЗ. Зависимость времени зарядки от установки перемычек приведена в табл. 1.

Таблица 1. Зависимость времени зарядки аккумулятора от положения перемычек

При выборе режима зарядки с отключением при повышении температуры аккумулятора сверх допустимой нормы для измерения температуры аккумуляторной батареи к выводу 6 {Т2) микросхемы IC2 следует подключить терморезистор величиной 10 кОм. При этом к выводам 7 (Т1) и 5 (ТЗ) микросхемы IC2 должны быть подключены резисторы R7 и R8, с помощью которых устанавливается диапазон допустимых температур аккумулятора. Величина сопротивления резистора R7 определяет максимальную допустимую температуру, а величина сопротивления резистора R8 определяет минимальную допустимую температуру аккумуляторной батареи. Если в процессе зарядки аккумулятора его температура будет находиться в выбранном диапазоне, то аккумулятор будет заряжаться в ускоренном режиме. В этом случае напряжение на выводах 7 (Т1), б (Т2) и 5 (ТЗ) микросхемы IC2 будет в пределах от 0 В до величины (Vcc - 0,7) В, где Vcc - напряжение питания микросхемы IC2 (вывод 8). Если же температура аккумулятора во время зарядки изменится и выйдет

из выбранного диапазона, то изменится напряжение на выводе 7 (Т1) или 5 (ТЗ) микросхемы IC2, и зарядное устройство переключится в обычный режим.

Поскольку ток, протекающий через выводы 7 (Т1), 6 (Т2) и 5 (ТЗ) микросхемы IC2 составляет примерно 30 икА, рассчитать значения величин сопротивлений резисторов R7 и R8 довольно просто. Так, например, если сопротивление терми-стора R10 при минимальной выбранной температуре составляет 8,2 кОм, то и величина сопротивления резистора R8 должна быть 8,2 кОм. Если сопротивление термистора R10 при максимальной выбранной температуре составляет 15 кОм, то и величина сопротивления резистора R7 должна быть 15 кОм.

Таким образом, при выборе режима зарядки с отключением при повышении температуры аккумулятора предлагаемая схема обеспечивает ускоренную зарядку аккумуляторной батареи только в том случае, если ее температура не выходит за установленные границы. Если в процессе зарядки температура аккумулятора станет меньше минимального предела, то зарядное устройство переключится в обычный режим, и аккумулятор будет заряжаться малым током дежурного режима до тех пор, пока его температура не войдет в норму. Если же температура аккумулятора станет больше максимального предела, то зарядное устройство также переключится в обычный режим, но не выйдет из него до отключения аккумулятора.

В том случае, если выбран режим, при котором окончание зарядки определяется истечением определенного промежутка времени, резисторы R7, R8 и терморезистор R10 не устанавливаются, а время зарядки выбирается с помощью установки перемычек Т1-ТЗ в соответствии с табл. 1. Этот вариант зарядки используется как запасной, то есть в том случае, если по каким-либо причинам нельзя провести окончание зарядки с помощью контроля падения напряжения на аккумуляторе.

Микросхема IC1 (LM317) в предлагаемой конструкции используется в качестве источника постоянного тока. Такая схема включения должна обеспечить постоянное напряжение

величиной 1,2 В между выводами ADJ и OUT данной микросхемы. Поскольку между указанными выводами включен резистор R3, через который протекает ток зарядки, этот ток всегда будет иметь величину, при которой падение напряжения на резисторе R3 равно 1,2 В.

Для корректного распознавания момента окончания зарядки аккумулятора при падении напряжения на его контактах необходимо обеспечить наличие на выводе 1 (Vsen) микросхемы IC2 напряжения, соответствующего напряжению одного элемента аккумуляторной батареи. Для этого используется делитель напряжения, выполненный на резисторах R1 и R2. Так, например, если выбрать величину сопротивления резистора R1 равной 10 кОм, величину сопротивления резистора R2 следует рассиитать по следующей формуле:

VAKK- общее номинальное напряжение аккумуляторной батареи;

VSEN- напряжение на выводе 1 микросхемы IC2, которое должно составлять 1,2 В.

При этом общее напряжение аккумуляторной батареи рассчитывается по формуле:

N- количество элементов в аккумуляторной батарее; Uj - напряжение одного элемента, которое обычно составляет 1,2 В.

Так, например, при величине сопротивления резистора R1, равной 10 кОм, для аккумулятора, состоящего из шести элементов, величина сопротивления резистора R2 будет составлять:

R2 = 10 ОООх (7,2/12 -1) = 50кОм

Если же предполагается заряжать один элемент, то резистор R1 не устанавливается, а величина сопротивления резистора R2 должна составлять 10 кОм.

В то же время изменение количества элементов в заряжа-

емой аккумуляторной батарее требует изменения напряжения UnMV поступающего от источника питания данного устройства. При этом минимальная величина напряжения источника питания рассчитывается по формуле:

ипит = 3 + 2М,

N- количество элементов в аккумуляторной батарее.

Зависимость значений величин резисторов R1 и R2, а также питающего напряжения от количества заряжаемых элементов приведена в табл. 2.

Таблица 2. Зависимость значений величин резисторов R1, R2 и питающего напряжения от количества заряжаемых элементов

Необходимо отметить, что соответствующие значения величины напряжения UnHT при зарядке указанного в табл. 2 количества элементов могут быть и выше, однако это потребует дополнительного охлаждения микросхемы IC1, например, с помощью установки ее на радиатор.

Питающее напряжение микросхемы IC2 должно быть в пределах 3-18 В. В том случае, если потребуется одновременно заряжать большее количество элементов, то необходимо обеспечить, чтобы питающее напряжение микросхемы на выводе 8 микросхемы IC2 не превысило величины 18 В. При этом напряжение на выводах 2 и 3 микросхемы IC2 не должно превышать величину 20 В. г

Значение величины тока зарядки в обычном режиме (1ОР) рассчитывается по формуле:

1ор - ток зарядки в обычном режиме (А);

UmT- напряжение источника питания (В);

UD2 - падение напряжения на диоде D2 (примерно 0,6В);

UAKK- напряжение аккумуляторной батареи (В);

R5- величина сопротивления резистора R5 (Ом).

Обычно величина тока зарядки в обычном режиме выбирается равной 1/100 от значения емкости аккумуляторной батареи. При этом значение мощности, рассеиваемой на резисторе R5, определяется по формуле:

При зарядке аккумулятора в ускоренном режиме значение величины тока зарядки (Iyp) рассчитывается по формуле:

1^- ток зарядки в ускоренном режиме (А);

UICJ - выходное напряжение микросхемы IC1 (В);

IADJ- ток утечки микросхемы IC1 (примерно 50 мкА).

Величину тока зарядки в ускоренном режиме следует выбирать в зависимости от типа аккумулятора. Обычно этот ток должен быть в пределах 1-2 значения емкости аккумуляторной батареи. Ток зарядки в ускоренном режиме можно регулировать изменением сопротивления регулировочного резистора R4 в пределах, определяемых значением сопротивления резистора R3, а максимальная величина этого тока (Ij^c) не может превышать максимального допустимого значения тока для микросхемы IC1, то есть величину 1,5 А.

Минимальный ток зарядки в ускоренном режиме определяет величину сопротивления резистора R3. Значение сопротивления резистора R3 можно рассчитать, воспользовавшись следующей формулой:

Так, например, если выбрать значение минимального тою зарядки в ускоренном режиме равным 0,45 А, то сопротивле ние резистора R3 составит 2,7 Ом. При этом значение мощ ности, рассеиваемой на резисторе R3 определяется по фор муле:

Чтобы можно было в определенных пределах регулировать величину минимального тока зарядки, в предлагаемом устройстве желательно установить резистор R3 мощностью не менее 2 Вт.

Максимальный ток зарядки в ускоренном режиме с учетом выбранной величины мощности, рассеиваемой на резисторе R3 (в нашем примере 2 Вт), определяется по формуле:

В результате для выбранных параметров максимальный ток зарядки 1МАКС в ускоренном режиме будет составлять 0,86 А. Таким образом, при сопротивлении резистора R3, равном 2,7 Ом, и рассеиваемой на нем мощности 2 Вт ток зарядки можно изменять с помощью регулировочного резистора R4 в пределах от 0,45 А до 0,86 А. Такой ток считается оптимальным для пальчиковых аккумуляторов емкостью 450-850 мА.

С помощью простых расчетов можно определить значения минимального и максимального тока зарядки в ускоренном режиме в зависимости от рассеиваемой мощности и величины сопротивления резистора R3. Эти данные приведены в табл. 3.

Таблица 3. Значения минимального и максимального тока зарядки в ускоренном режиме в зависимости от рассеиваемой мощности и величины сопротивления резистора R3

Все детали универсального зарядного устройства размещены на печатной плате размером 52x40 мм. Печатная плата приведена на рис. 8.

Рис. 8. Печатная плата универсального зарядного устройства

Расположение деталей на печатной плате прибора показано на рис. 9.

Рис. 9. Расположение деталей на печатной плате универсального зарядного устройства

К деталям, используемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Естественно, рекомендуется применять любые малогабаритные резисторы и конденсаторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате.

При изготовлении зарядного устройства можно использовать, например, резисторы типа МЛТ-0,125. Вполне подойдут

и другие малогабаритные резисторы. В то же время, величина рассеиваемой мощности резистора R3, в соответствии с приведенными ранее расчетами, должна составлять 2 Вт. Конденсаторы С1 и С2 могут быть металлокерамическими или керамическими.

Диод 1N4148 (D1) можно заменить на отечественные диоды КД510, КД521 или КД522, обращая особое внимание на маркировку выводов катода и анода. Вместо диода 1N4007 (D2) можно установить отечественные диоды КД105, КД208, КД209 или КД243. Светодиод D4 - любой на ток 20 мА.

Монтаж элементов на печатной плате следует начать с установки микросхемы IC1 со стороны печатных проводников. При этом сначала необходимо аккуратно припаять один из выводов микросхемы к соответствующей контактной дорожке, а затем - все остальные выводы. Остальные элементы устанавливаются в обычном порядке, то есть сначала впаиваются пассивные малогабаритные детали, затем полупроводниковые элементы, а после этого - крупногабаритные детали.

Не следует забывать о том, что микросхему IC1 желательно установить на радиатор. Тепловое сопротивление радиатора рассчитывается по следующей формуле:

1ур - ток зарядки в ускоренном режиме (А); UniiT- напряжение источника питания (В); ^аюГ напряжение аккумуляторной батареи (В); Дг - максимально допустимая разница между температурой радиатора и температурой окружающей среды (обычно примерно 80 °С).

Если в процессе эксплуатации будет выбран режим, в котором окончание зарядки наступает по истечении определенного времени, то необходимый лимит устанавливается с помощью перемычек Т1-ТЗ. В этом случае термистор R10, а также резисторы R7 и R8 не устанавливаются.

При выборе режима зарядки с контролем температуры аккумулятора, необходимо установить термистор R10, а также резисторы R7 и R8. При этом термистор R10 должен

иметь хороший тепловой контакт с заряжаемой аккумуляторной батареей. В данном случае перемычки Т1-ТЗ не устанавливаются. При использовании зарядного устройства в указанном режиме для зарядки аккумуляторных батарей мобильных телефонов устаревших типов в качестве термистора R1G можно использовать терморезистор, входящий в состав аккумулятора. К схеме этот термистор подключается через соответствующие контакты аккумуляторной батареи. В то же время желательно произвести перерасчет величин сопротивлений резисторов R7 и R8 с учетом параметров термистора для каждого типа заряжаемого аккумулятора.

После того, как все компоненты будут установлены на печатной плате, еще раз следует проверить правильность монтажа. В последнюю очередь к печатной плате припаиваются выводы для подключения источника питающего напряжения; а также контакты для подключения заряжаемого аккумулятора.

Плата с размещенными на ней деталями располагается в любой подходящей пластмассовой коробке.

Собранное без ошибок и из исправных деталей зарядное устройство не нуждается в дополнительном налаживании. Однако перед включением прибора и подключением аккумулятора необходимо еще раз проконтролировать, соответствуют ли величины сопротивлений резисторов делителя R1R2 напряжению подключаемого аккумулятора. После этого универсальное зарядное устройство можно подключить к сети и проверить его работоспособность.

При подключении источника питающего напряжения (с отключенным аккумулятором) должен начать светиться светоди-од D4. Если этого не произошло, то необходимо отключить питающее напряжение и еще раз проверить правильность монтажа и исправность элементов конструкции. Если же све-тодиод D4 светится, то к зарядному устройству можно подключать аккумуляторную батарею. После подключения аккумулятора светодиод должен начать мигать.

Окончание зарядки аккумуляторной батареи определяется в соответствии с выбранным режимом работы.

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 , 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