Зарядное устройство для никель металлгидридных аккумуляторов

Зарядное устройство для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов

В наше время существует огромное количество типов зарядных устройств для никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторов типоразмера АА или ААА. Существуют различные методики зарядки. Самая древняя и она же самая щадящая по отношению к аккумулятору — это зарядка стабильным током 0,1 от емкости, выраженной в ампер-часах до достижения напряжения на элементе 1,45-1,5 В, на что обычно требуется 12-14 часов.

Способы более быстрой зарядки большими токами часто оказываются губительными для здоровья аккумулятора, потому что должны индивидуально соответствовать конкретно взятому типу аккумулятора, что далеко не всегда реализуемо в зарядном устройстве: не станет же пользователь каждый раз перестраивать зарядное устройство или закупать абсолютно одинаковые аккумуляторы во всю аппаратуру, потому без крайней надобности быструю зарядку лучше не использовать. Если аккумулятор никель-кадмиевый, то перед зарядкой его нужно разрядить до напряжения 1 В, иначе он будет терять емкость, особенно, если каждый раз его заряжать не полностью разряженным, но такие аккумуляторы уже используются очень редко, на смену им приходят NiMH элементы, обладающие большей удельной емкостью и не склонные к эффекту памяти, однако имеющие значительно меньший ресурс количества циклов заряд-разряд. Существуют конечно фирменные зарядные устройства, учитывающие все нюансы правильного заряда аккумуляторов. Они определяют степень заряженности по напряжению на аккумуляторе или (и) по небольшому спаду напряжения в конце зарядки (дельта-U чувствительные устройства), контролируют они также и температуру аккумулятора. Но такие устройства очень дороги. Кроме того, готовые зарядные устройства часто заряжают последовательно соединенные 2 или 4 аккумулятора, что есть очень неправильно, поскольку при зарядке последовательно соединенных аккумуляторов практически невозможно обеспечить одинаковую степень их заряженности. Аккумуляторы часто имеют хоть и незначительный, но все же заметный разброс в параметрах, потому обеспечить их правильный заряд можно только контролируя процесс каждого аккумулятора отдельно.

Понятно, что изготовить в домашних условиях устройство, учитывающее все тонкости заряда практически невозможно — получится дороже готового фирменного. Таким образом, ставилась задача создать максимально простое зарядное устройство, которое будет однако абсолютно безопасным для здоровья аккумуляторов и максимально универсальным, подходящим для разных аккумуляторов, имеющихся в хозяйстве. Исходя из этого был выбран алгоритм зарядки стабильным током 200 мА для элементов типоразмера АА и 75 мА для аккумуляторов ААА. Степень заряженности определяется по напряжению на одном отдельно взятом аккумуляторе. Как показала практика, для здоровья аккумуляторов не страшно довольно значительное (-50 +100%) отклонение зарядного тока от положенных 0,1 от емкости. Намного опаснее недо- или перезаряд а также разная степень заряженности аккумуляторов, которые потом будут использоваться в одном устройстве. Исходя из таких соображений собрано зарядное устройство, схема которого приведена ниже.

Рис. 1. Схема зарядного устройства

Трансформатор Т1 понижает сетевое напряжение до 7-12 В, которое потом стабилизируется импульсным стабилизатором, реализованным на транзисторах Т1-Т4 на уровне 4,9В. При одновременной зарядке четырех аккумуляторов стабилизатор выдает ток около 1 А, но благодаря импульсному режиму работы теплоотводы транзисторам не требуются.

Делитель напряжения R8R9 создает опорное напряжение 1,4В, которое сравнивается с напряжением на аккумуляторе, который заряжается, компаратором на OP1. Резистор R7 в цепи обратной связи создает гистерезис около 0,05 В, благодаря чему после достижения напряжения на аккумуляторе 1,45В зарядка прекращается и не включается до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не снизится до 1,35 В. Такой режим работы очень важен при кратковременных отключениях напряжения во время зарядки аккумуляторов: если зарядка не была завершена, то после возобновления электроснабжения она продолжится. Кроме того, устраняются повторные включения-отключения в конце зарядки.

Зарядный ток стабилизируется генератором стабильного тока на Т5 Т6, зарядный ток задается резистором R13. Пока напряжение на аккумуляторе не достигнет установленного порога, напряжение на выходе операционного усилителя практически равно напряжению питания, следовательно транзистор Т5 открыт, генератор стабильного тока работает, светодиод LED1 (оранжевый) светится, индицируя нормальный режим заряда. Когда напряжение на аккумуляторе повысится до 1,45 В, напряжение на выходе операционного усилителя снизится почти до 0, Т5 закроется, светодиод погаснет, зарядка прекратится. Особенностью схемы является то, что светодиод LED1 кроме функций индикации играет роль источника опорного напряжения для генератора стабильного тока.

Импульсный стабилизатор напряжения может использоваться один на несколько аккумуляторов (до 4 без теплоотвода на Т1, и до 8 с теплоотводом, при соответствующей мощности сетевого трансформатора и диодного моста). Количество модулей, обведенных линией и обозначенных на схеме А1 должно быть равно количеству одновременно заряжаемых аккумуляторов.

Настройка.

Сразу после сборки приступают к налаживанию устройства. Сначала подбирая сопротивление R5 в пределах сотен Ом, устанавливают напряжение стабилизации 4,9В, в точке, обозначенной на схеме. Проверяют стабильность напряжения, при изменении нагрузки от 20 мА до 1 А оно не должно изменяться более чем на 0,05В. Если планируется заряжать не более 2 аккумуляторов, верхний предел тока может быть 0,5 А. Проверяют, чтобы не перегревался транзистор Т1. Его сильный нагрев более 50-60 o С говорит о неправильной работе стабилизатора. Потом проверяют образцовое напряжение 1,4 В, при необходимости подбирают сопротивление R9. Далее, установив в разъем разряженный аккумулятор, подбирают сопротивление R13 для обеспечения нужного зарядного тока. При использовании оранжевых светодиодов сопротивлению 3,6 Ом соответствовал зарядный ток 200 мА, при 10 Омах ток был 75 мА. На этом настройка закончена. Если зарядный ток не превышает 200 мА, то теплоотвод на Т6 не нужен.

Читать еще: Вулканизация шин что это такое

О деталях.

Транзистор Т1 может быть любым высокочастотным, с небольшим напряжением насыщения эмиттер-коллектор в открытом состоянии. Ток коллектора должен быть более 2 А, напряжение эмиттер-коллектор не менее 40 В. В качестве этого транзистора также неплохо применить n-канальный ключевой полевой транзистор типа IRFZ44, IRF510, но тогда надо менять полярность подключения к диодному мосту на противоположную, а транзисторы Т2 и Т3 должны быть структуры n-p-n, например, КТ815 и КТ3102 соответственно, а Т4 — p-n-p, например, КТ3107. Диод D1 должен быть обязательно высокочастотным, можно с барьером Шоттки, например, 1N5819. Дроссель L1 мотают проводом диаметром около 0,8 мм (20 витков) на ферритовой чашке Б18-Б22 из феррита 1500-2500НМ с немагнитным зазором 0,1 мм. Можно с успехом использовать тороидальный сердечник из прессованного железного порошка (используются выходных в фильтрах компьютерных блоков питания). Дроссель L2 — марки ДПМ или любой готовый около 100 мкГн, обязательно на ток более 1А. Можно также намотать самому проводом не тоньше 0,8 мм на любой подходящий сердечник. Индуктивность этого дросселя может отличаться в большую сторону в несколько раз, важно, чтобы он имел очень маленькое сопротивление постоянному току. Операционный усилитель в данной конструкции применяется счетверенный, но если устройство будет на 2 аккумулятора, то можно применить и сдвоенный. Трансформатор любой сетевой, с напряжением на вторичной обмотке от 7 до 12 В, мощность примерно 1,5-2 Вт на каждый заряжаемый аккумулятор.

Диодный мост может использоваться любой подходящий на ток 1 А и более, можно и на отдельный диодах типа 1N4001.
Вариант компоновки и печатной платы устройства на 4 аккумулятора (2 АА и 2 ААА) смотрите на фото.

Зарядное устройство для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов.

Сейчас мы с вами будем заряжать аккумуляторы, просто, качественно, а главное — быстро. Для чего воспользуемся микросхемой MAX713 от компании MAXIM. Это специализированная микросхема, заточенная именно под зарядку указанных типов аккумуляторов.

Итак, что же она умеет — подходите ближе, сейчас увидите.
Итак MAX713 позволяет:

заряжать Никель-Кадмиевые и Никель-МеталлоГидридные аккумуляторы в количестве от 1 до 16 штук одновременно;
в режиме быстрого заряда регулировать ток заряда от С/3 до 4С, где С — емкость аккумулятора;
в режиме медленного заряда доводить аккумуляторы до кондиции током С/16;
отслеживание состояния аккумулятора и автоматический переход от быстрого заряда к медленному;
в отсутствии зарядного тока через микросхему «утекает» всего 5мкА от аккумуляторов;
возможность отключения заряда по температурным датчикам или по таймеру;

Ну и хватит — и так вон сколько получилось.
Как обычно, чтобы разговаривать предметно, смотрим на схему:

Вообще говоря, как мы помним еще со староглиняных времен, заряжать аккумуляторы рекомендовалось током 0,1С, где С — емкость аккумулятора. Однако, с тех пор утекло много пива и производители научились делать более совершенные аккумуляторы, позволяющие учинять над собой такое безобразие, как быстрый заряд (Fast Charge).
«It’s okey», говорят они — вы можете заряжать наши аккумуляторы гораздо большим током — главное не превышать значение 4С, иначе может случиться big-bada-bum.

Разумеется, чем больший зарядный ток используется в процессе зарядки, тем меньше времени нужно на эту самую зарядку. Однако, все же, увлекаться сильно не стоит — ток током, а долговечность аккумулятора тоже не последнее дело. Поэтому, в MAX713 реализован не только быстрый, но и медленный заряд (Trickle Charge), который включается по достижении аккумулятором полного заряда большим зарядным током.

Схема, показанная выше позволяет заряжать два аккумулятора, ёмкостью по 1000мА/ч каждый, током С/2, то есть 500мА.
Имеется индикация включения питания — HL1 и индикация быстрого заряда — HL2.
Аккумуляторы включаются последовательно.
Входное напряжение должно быть равно 6 вольтам. Вы еще тут? А ну бегом за паяльником!

Что? Вам надо заряжать четыре аккумулятора сразу? И не 1000мА/ч, а 1200?
Ну ладно, тогда не бежим за паяльником, а слушаем дальше.

Как я уже говорил, эта микросхема позволяет заряжать до 16 аккумуляторов, током до 4С. Итак, что же от нас требуется, чтобы спроектировать зарядное устройство под наши конкретные цели?

Определиться с зарядным током аккумуляторов. Неплохо было бы узнать, какой максимальный зарядный ток рекомендует производитель. Ну а если не узнали, тогда уж на свой страх и риск. Для начала, я бы не стал превышать С/2.
Решить сколько аккумуляторов нужно заряжать одновременно. После этого, согласно Таблице 1 определить, куда припаивать выводы PGM0 и PGM1. Разумеется, чтобы не перепаивать каждый раз микросхему, нужно предусмотреть переключатель, если нужно заряжать разное количество аккумуляторов.
Подобрать входное напряжение на зарядное устройство. Оно может быть рассчитано по формуле:
U=2+(1,9*N),
где N — количество аккумуляторов
Но это напряжение не может быть меньше 6 вольт.
То есть, если вы будете заряжать даже один аккумулятор — входное напряжение должно составлять 6 вольт.
Определить мощность выходного транзистора, после чего по справочнику подобрать подходящий. Мощность определяется так:
P=(U in — U batt )*I charge ,
где:
U in — максимальное входное напряжение,
U batt — напряжение заряжаемых аккумуляторов — суммарное, разумеется,
I charge — зарядный ток.
Посчитать сопротивление R1. R1=(V in -5)/5 — сопротивление получается в килоомах, чтобы получить Омы надо посчитанное значение умножить на 1000.
Определить сопротивление R5. R5=0.25/I charge Если I charge подставляется в амперах, сопротивление мы получим в Омах, если а миллиамперах, то в килоомах. Не теряйтесь.
Выбираем время заряда. Это нужно для того, чтобы в случае неисправного аккумулятора, зарядное устройство не гоняло его, бедолагу бесконечное число часов, а отключило по таймеру, даже если аккумулятор и не зарядился. Для выбора времени заряда пользуемся Таблицей 2. И прикручиваем ноги PGM2 и PGM3 согласно этой таблице. Разумеется, не забудьте учесть при этом зарядный ток, который был выбран, а то может случиться так, что устройство отключится раньше, чем зарядится аккумулятор.

Читать еще: Распиновка мини usb разъема для зарядки видеорегистратора

Собственно говоря и все. Дальше будут таблицы.

Таблица 1. Задание количества заряжаемых аккумуляторов.

Количество аккумуляторов

Соединить PGM 1 с…

Выбираем зарядное устройство для Ni-Mh (никель-металлогидридных) аккумуляторов.

Самоделкин
21 февраля 2013
Самодельные зарядные и АКБ

Сегодня Вы узнаете как не попасться на уловки маркетологов и выбрать хорошее зарядное для никель-металлогидридных аккумуляторов.

Выбор зарядного устройства для Ni-Mh аккумуляторов гораздо более важный вопрос нежели кажется на первый раз. Сейчас вы и сами в этом убедитесь. Эта статья не будет агитировать ни за одну фирму производителя, только жесткие критерии выбора зарядного устройства, для качественного и полного заряда никель-металлогидридных аккумуляторов.

На полках супермаркетов электроники десятки различных автоматических зарядных устройств для заряда Ni-Mh АКБ, однако реально зарядить на 100% емкости аккумулятор способны единицы! Приведу пример: стоит красивая упаковка с надписью Ultra fast 1 Hour (в переводе: сверхбыстрое з/у время заряда 1 час) берем коробок с з/у в руки и читаем на обратной стороне: устройство анализирует изменение напряжения, изменение температуры аккумулятора, защита по таймеру, ток заряда 800мА. Вот Вам и крутая автоматика! Получается микроконтроллер, установленный в данном зарядном устройстве лимитирует время заряда 1 часом, по истечении которого заряд останавливается! Что мы имеем по итогу: за один час аккумулятор сможет принять всего 0,8Ач емкости. Для справки: разряженому аккумулятору емкостью 2700 мАч необходимо сообщить порядка 3700мАч для 100% заряда. Вот и получается АКБ новые, зарядное новое, а по итогу — 10 снимков фотоаппарата и он отключился. Почему так? Потому, что когда проектировалось данное зарядное устройство аккумуляторов выше 800mAh еще не было.

Идем далее! При заряде последовательно соединенных аккумуляторов, отключение заряда произойдет, когда один из них зарядится и на нем будет зафиксировано падение напряжения. Далее эта пара аккумуляторов ставится, допустим, в цифровой фотоаппарат, в котором автоматика его отключает по достижению контрольной суммы напряжения элементов питания. Если в цифровике используется 2 АКБ, он отключится, когда сумма напряжений на 2 элементах достигнет 2,2 Вольта. Что мы имеем: при заряде один из аккумуляторов недозарядился, при использовании он же первым и начал снижать напряжение. Далее опять ставим на заряд, и снова на менее разряженом аккумуляторе первым сработает скачек напряжения. После 10 таких циклов мы увидим снижение количества снимков с одного заряда, это результат разбалансировки пары АКБ.

Преамбула окончена, переходим к непосредственно критериям выбора зарядного для Ni-Mh аккумуляторов:

Наличие 4-х независимых каналов заряда. Не возможность заряжать 4 АКБ сразу, а именно 4 независимых канала. Это позволит избежать разбалансировки аккумулятора, т.к. для каждого элемента дельта V будет определена индивидуально.
Если в зарядном устройстве есть ограничение таймером, убедитесь что при указанном на упаковке токе заряда, за время ограниченное таймером аккумулятор успеет принять 140% емкости.
Наличие функции отключения заряда по дельта V (DV -изменение напряжения на элементе) и по дельте T (DT-изменение температуры аккумулятора).

Вот, впринципе, и все, что нужно знать перед тем, как идти за покупкой. Перед покупкой внимательно читайте все характеристики на этикетке!

Зарядное устройство для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов

Читать еще: Как определить избыточный вес

Рис. 1. Схема зарядного устройства