Зарядное устройство предназначено для зарядки никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металгидридных (NiMH) аккумуляторов типоразмера АА и ААА.Оно не претендует на оригинальность или новизну. Схема зарядного устройства отличается простотой и надежностью. За время эксплуатации более 10 лет отказов в работе не было. В схеме нет каких-либо регулирующих элементов, зарядный ток устанавливается автоматически. Зарядное устройство позволяет заряжать, как один аккумулятор, так и батарею из нескольких аккумуляторов. При этом зарядный ток изменяется незначительно.

Особенность счемы является гальваническая связь с электрической сетью 220 В,что требут собледения мер электробезопасностии. В качестве диодов D1 - D7 используются диоды КД 105 или им подобные. Светодиод D8 - АЛ307 или ему подобный,желаемого цвета свечения. Диоды D1 - D4 могут быть заменены на диодную сборку КЦ405А.Резистором R3 можно подобрать необходимую яркость свечения светодиода.

Конденсатор С1 задает необходимый зарядный ток. Емкость конденсатора расчитывается по следующей эмперической формеле:

В = (220 - Uэдс) / J

где: C1 в мкФ; Uэдс - напряжение на аккумуляторной батареи в В; J - необходимый зарядный ток в А.

Пример - необходимо расчитать емкость конденсатора для зарядки батареи из 8 никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 700 mAh . Зарядный ток (J) будет составлять 0.1 емкости аккумулятора - 0.07 А. Uэдс 1.2 х 8 =9.6 В .Следовательно В = (220 - 9.6) / 0.07 = 3005.7 .Далее А = 3005.7 - 200 = 2805.7 .Емкость конденсатора составит С1 = 3128 / 2805.7 = 1.115 мкФ. Принимается ближайший по номиналу - 1мкФ.

Рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 400 В.Конденсатор должен быть только бумажный, использование электролитических конденсаторов не допускается.

Рассеиваемая мощность резистора R2 определяется величиной зарядного тока. Для зарядного тока 0.07 А она будет 0.98 Вт (P= JxJxR). Выбирается резистор с рассеиваемой мощность 2 Вт.

Конденсатор может быть составлен из нескольких конденсаторов по параллельной, последовательной или смешанной схемам.

Зарядное устройство не боится коротких замыканий. После сборки зарядного устройства можно проверить зарядный ток,подключив вместо аккумуляторной батарей амперметр.

Перед включением зарядного устройства в электрическую сеть необходимо подключить к нему аккумуляторную батарею. Если аккумуляторная батарея подключена с нарушением полярности, то будет светиться светодиод D8 (до подключения зарядного устройства к электрической сети). При правильном подключении аккумуляторной батареи и подключении зарядного устройства к электрической сети светодиод сигнализирует о прохождении зарядного тока через аккумуляторную батарею.
Скачать: Зарядное устройство для NiCd и NiMH аккумуляторов
В случае обнаружения "битых" ссылок - Вы можете оставить комментарий, и ссылки будут восстановлены в ближайшее время.

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

На этот раз речь пойдет о конструировании простейшего USB-зарядника для Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторных батарей.

Схема довольно хорошего зарядника проста и может быть реализована с бюджетом всего в 20 рублей. Это уже дешевле, чем любая китайская зарядка. Сердцем нашего зарядного устройства всем хорошо знакомая микросхема линейного стабилизатора LM317.

На вход схемы подается напряжение 5 В от любого USB-порта.

Микросхема стабилизирует напряжение до уровня 1,5 В. Это напряжение полностью заряженного Ni-Mh аккумулятора.

А работает устройство очень просто. Аккумулятор будет заряжаться напряжением 1,5-1,6 Вольт от микросхемы. Резистор R1 в качестве датчика тока одновременно ограничивает ток заряда. Путем его подбора ток можно уменьшить или увеличить.

Когда на выход схемы подключен аккумулятор, на резисторе R1 образуется падение напряжения. Его достаточно для срабатывания транзистора, в коллекторную цепь которого подключен светодиод. Последний загорается и по мере заряда аккумулятора будет потухать до полного отключения. Это произойдет в конце зарядного процесса.

Таким образом, диод горит, когда аккумулятор заряжается, и тухнет, когда последний полностью заряжен. Одновременно по мере заряда аккумулятора будет снижаться сила тока, и в конце ее значение будет равно 0.

Из этого следует, что перезаряд и выход из строя аккумулятора невозможны.

Микросхема LM317 работает в линейном режиме, поэтому небольшой теплоотвод не помешает. Хотя при токе 300 мА нагрев микросхемы в пределах нормы. Светодиод желательно подобрать с минимальным рабочим напряжением. Цвет абсолютно не важен. Вместо BC337 допускается использование любого маломощного транзистора обратной проводимости, хоть на КТ315. Желательная мощность резистора R1 0,5-1 Ватт. Все оставшиеся резисторы – 0,25 и даже 0,125 Ватт. Поскольку диапазон напряжений очень узкий, то даже погрешность резисторов может повлиять на работу схемы. Поэтому резистор R2 настоятельно рекомендуется заменить на многооборотный сопротивлением 100 Ом.

С его помощью можно очень точно отрегулировать нужное выходное напряжение.

Сперва нужно найти все необходимые компоненты, а также слот для батареек.

Устройство может заряжать аккумуляторы практически любого стандарта, если приспособить соответствующий слот. При сборке можно не использовать печатную плату. Монтаж делается навесным способом. Компоненты приклеиваются под слот батареек и заливаются термоклеем, поскольку схема очень надежна в работе.

Собранное устройство выглядит примерно так:

Но может выглядеть гораздо лучше.

Только необходимо подобрать светодиод с минимально возможным напряжением свечения, в противном случае он может вообще не светиться. По этой схеме можно заряжать несколько аккумуляторов, но рекомендуется использовать только для заряда одного.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи получили довольно широкое распространение.

известно много способов эффективной зарядки никель-кадмиевых (аккумуляторных) батарей, описываемая схема уникальна тем, что объединяет почти все их преимущества. Так, она вырабатывает постоянный зарядный ток, значение которого может лежать в диапазоне 0,4-1,0 А.

Схема может работать либо от сети переменного тока 220 В, либо от 12-В батареи.

Заряжаемая батарея защищена от перезаряда благодаря автоматическому отключению схемы при достижении заданного уровня напряжения на батарее. Более того, этот уровень можно подстраивать. Наконец, схема недорога и защищена от коротких замыканий.

Если батарея разряжена, то напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя U1 будет ниже напряжения на неинвертирующем входе, устанавливаемом посредством потенциометра R1 (см. рисунок). Вследствие этого выходное напряжение U1 будет примерно равно положительному напряжению питания, что приведет к отпиранию транзистора Q1, а также транзистора Q2, который будет работать в режиме генератора постоянного зарядного тока. Уровень этого тока можно найти из соотношения (Vd-Vbe)/R6, где Vd-напряжение между его базой и эмиттером. Этим током, протекающим далее через диод D8, и заряжается Ni-Cd-батарея. При этом будет гореть светодиод D7, индицируя тем самым протекание процесса зарядки, и являясь индикатором рабочего режима.

По мере зарядки батареи напряжение на ней увеличивается, что приводит к возрастанию напряжения на инвертирующем входе U1, пока оно не сравняется с Vin. В этот момент выходное напряжение U1 падает до потенциала земли, и транзисторы Q1 и Q2 запираются, предотвращая тем самым перезаряд батареи. Задаваемый предельный уровень выходного напряжения, Vout, можно вычислить из соотношения Vout=Vin(R7+R8)/R8.

При приведенных значениях компонентов схема вырабатывает зарядный ток 400 мА, который можно изменять, подбирая R6 до достижения максимального значения, равного 1 А. Задаваемый уровень зарядного напряжения следует устанавливать при отключенной батарее.

Диод D8 предотвращает разряд в обратном направлении в случае отключения сети или 12-В источника питания. Для 7,2-В Ni-Cd-батареи, задаваемое значение зарядного напряжения равно 7,9-8,0 В. Мощный транзистор Q2 следует установить на большой радиатор.

Как заряжать Ni-Cd аккумуляторы, зарядные устройства, параметры

Сегодня Ni─Cd аккумуляторы используются в большинстве портативных инструментов и различных электронных устройствах (фотоаппараты, плееры и т. п.). Правда, в последнее время наблюдается тенденция замещения их литий─ионными аккумуляторами. Для того чтобы аккумулятор вашей аппаратуры служил долго, никель─кадмиевые батареи нужно правильно эксплуатировать, вовремя и своевременно заряжать и время от времени проводить циклы разряда-заряда. Тогда Ni─Cd аккумулятор будет служить вам долго. Сегодня мы поговорим о том, как заряжать никель─кадмиевые аккумуляторы по всем правилам.

Разновидности зарядных устройств для никель─кадмиевых аккумуляторов

Сегодня на рынке можно выделить две основные группы устройств, предназначенных для заряда никель кадмиевых аккумуляторов:

• Автоматические ЗУ;
• Реверсивные импульсные ЗУ.

Автоматические зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторных батарей. Это простые и доступные по цене устройства. Они менее сложные и выпускаются в конструкции, которая позволяет заряжать по два или 4 батарейки одновременно. Чтобы запустить заряд никель кадмиевых аккумуляторов, вставьте в батарейки в зарядное устройство. Переключателем ЗУ нужно установить количество заряжаемых батареек и подключить устройство к сети.

Как правило, автоматическое зарядное устройство для никель─кадмиевых аккумуляторов имеет следующую цветовую индикацию. Красный цвет индикатора показывает, что идёт процесс заряда батареек. Чтобы сделать разряд аккумуляторов, на устройстве имеется переключатель «разряд». В процессе разряда индикатор будет иметь жёлтый цвет. После того, как пройдёт разряд, зарядное устройство для Ni─Cd аккумуляторов само запустит зарядку. Зелёный цвет индикатора говорит о том, что цикл разряд-заряд закончен.

В данном случае речь идёт о заряде никель─кадмиевых батареек по отдельности. Если это аккумуляторы для шуруповёрта или другого электроинструмента, то с ними в комплекте идёт штатное зарядное устройство, которое позволяет заряжать всю батарею сразу от бытовой электросети.

Реверсивное импульсное ЗУ. Эти устройства более сложные и стоят дороже, чем модели первого типа. Обычно производители позиционируют их как профессиональные. Такое зарядное устройство для Ni─Cd аккумуляторов циклически проводит разряд-заряд с разным временным интервалом.

Устанавливается аккумулятор, выставляется режим и запускается работа. Индикатор даст сигнал об окончании зарядки. С помощью таких ЗУ можно не только выполнять заряд никель─кадмиевых аккумуляторов, но и поддерживать их в рабочем состоянии. В качестве примера можно привести широко распространённое универсальное зарядное устройство .

Никель─кадмиевые АКБ менее требовательны к характеристикам зарядного устройства, чем . Но экономить на нём нельзя, поскольку дешевые устройства сокращают срок эксплуатации батарей. Теперь, давайте, разберёмся, как зарядить никель кадмиевый аккумулятор.

Процесс разряда и заряда Ni─Cd аккумуляторов

Процесс разряда никель─кадмиевых батарей

Для этого типа батарей (как впрочем, и для других) разрядные характеристики зависят от особенностей аккумуляторов, которые определяют его внутреннее сопротивление. Среди таких особенностей можно отметить структуру и толщину электродов. На разрядные характеристики влияют:

• толщина сепаратора и его структура;
• плотность сборки;
• объём электролита;
• некоторые характеристики конструкции.

При работе в условиях продолжительного разряда используются дисковые батарейки с прессованными электродами большой толщины. Для них разрядная кривая показывает постоянное медленное снижение напряжения до величины 1,1 вольта. Разрядная ёмкость в случае дальнейшего разряда до 1 вольта равна от 5 до 10 процентов от номинального значения. Особенностью этого типа батарей является существенно падение разрядной ёмкости и напряжения при увеличении тока до 0,2*С. Объяснение этому достаточно простое ─ невозможность разряда активной массы равномерно по всей электрода.

Если уменьшить толщину электродов и увеличить их количество до четырёх, то ток разряда для дискового аккумулятора может быть увеличен до величины 0,6*С.

Аккумуляторные батареи с электродами из металлокерамики имеют малое внутреннее сопротивление и высокие энергетические характеристики. На их разрядных характеристиках заметно меньшее падение напряжения. У этого типа аккумуляторов величина напряжения держится выше 1,2 вольта до отдачи 0,9 от номинальной ёмкости. При дальнейшем разряде и падении напряжения с 1,1 до 1 вольта отдаётся около 3 процентов номинальной ёмкости. Допускается разряжать этот тип аккумуляторов разрядными токами величиной до 3─5*С.

Ni─Cd аккумуляторы цилиндрической формы можно разряжать более высокими токами. В них используются рулонные электроды, что позволяет разряжать их максимальным током 7─10*С.

На изображениях ниже можно видеть влияние тока разряда и температуры на значение разрядной ёмкости.

Наибольшее значение ёмкости достигается при температуре 20 градусов Цельсия. Ёмкость практически не снижается, если увеличивать температуру. А вот при температуре ОС ниже ноля значение разрядной ёмкости падает пропорционально увеличению разрядного тока. Уменьшение ёмкости при низких температурах объясняется уменьшением разрядного напряжения из-за увеличения сопротивления.

Увеличение сопротивления объясняется ограниченным объёмом электролита в герметичной батарейке. Состав и концентрация электролита сильно отражаются на характеристиках. От них напрямую зависит температура образования твёрдой фазы. Это могут кристаллогидраты, лёд, соли и т. п. При замёрзшем электролите разряд вообще отсутствует. Работоспособность Ni─Cd в большинстве случае ограничена температурой минус 20 градусов Цельсия. В некоторых случаях при корректировке состава электролита и его концентрации производители выпускают модели Ni─Cd батарей работоспособных при минус 40.

Процесс заряда никель─кадмиевых батарей

В процессе зарядки никель─кадмиевых аккумуляторов важным моментом является ограничение излишнего заряда. Это важный момент, поскольку при заряде никель─кадмиевых аккумуляторов внутри них растёт давление. В процессе зарядки выделяется кислород и постепенно снижается коэффициент использования тока. На графике ниже можно видеть зависимость разрядной ёмкости от скорости заряда. Данные приводятся для цилиндрических батарей.

Чтобы аккумулятор полностью зарядился, ему требуется сообщить до 160 процентов от номинальной ёмкости. Зарядка никель кадмиевых аккумуляторов должна вестись в интервале температур 0─40 С. Рекомендуемый интервал 10─30 С. При понижении температуры на отрицательном электроде снижается поглощение кислорода и растёт давление. В результате при сильном перезаряде из-за увеличения давления может открыться аварийный клапан. При увеличении температуры потенциал растёт и на положительном электроде очень рано выделяется кислород, что сокращает процесс зарядки в штатном режиме.

Если температура поддерживается стабильной, то на процесс заряда сильно влияет ток. Его увеличение вызывает рост скорости выделения кислорода. А скорость его поглощения при этом не меняется, поскольку зависит от особенностей конструкции аккумуляторной батареи. Влияние на газопоглощение оказывает компоновка, структура, толщина электродов, материал сепаратора, объем электролита.

В частности, чем плотность компоновки электродов больше и их толщина меньше, тем зарядка идёт с большей скоростью. Поэтому цилиндрические батареи заряжаются с большой скоростью. На кривых заряда можно заметить, что у таких моделей Ni─Cd аккумуляторов при токе 0,1─1С эффективность зарядки почти не меняется. Снижение тока заряда вызывает существенное уменьшение ёмкости, которую батарея отдаст при разряде.

Стандартный режим зарядки считается следующий. Никель─кадмиевый аккумулятор с напряжением 1 вольт заряжается примерно 14─16 часов током 0,1С. Детали процесса зарядки оговариваются производителями аккумуляторов. Они могут отличаться из-за особенностей конструкции или увеличенной закладки активной массы (это делается для наращивания ёмкости). Для Ni-Cd аккумуляторов может использоваться зарядка постоянным током в течение всего времени. А может использоваться схема ступенчатого или плавного снижения тока зарядки во время процесса. Это позволяет проводить длительную зарядку без риска повредить аккумулятор. При таких режимах ток зарядки на первой стадии может значительно превышать значение 0,1*С.

Часто есть необходимость в увеличении скорости зарядки. Производители решают эту проблему выпуском батарей, которые способны эффективно заряжаться большими токами. При этом используются различные системы контроля, охраняющие никель─кадмиевый аккумулятор от сильного перезаряда. Эти системы контроля могут содержать, как сами аккумуляторы, так и зарядное устройство для никель─кадмиевых аккумуляторов.

Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов рекомендуется выполнять зарядку постоянным током величиной 0,2 С в течение 6─7 часов. Также используется режим током 0,3 С в течение 3─4 часов. В последнем случае контроль по времени заряда обязателен. Если ведётся ускоренный заряд, то перезаряд должен составлять до 120─140 процентов от ёмкости и не более. В этом случае Ni─Cd аккумулятор набирает разрядную ёмкость не меньше номинальной. Для работы в ускоренных режимах производители даже предлагают аккумуляторы, которые могут заряжаться за один час. В таком режиме используются различные средства контроля за температурой и напряжением, чтобы никель─кадмиевые батарейки не деградировали в результате резкого роста давления.