Зарядний пристрій для Ni-Cd акумуляторів

Хотя никель-кадмиевые аккумуляторы уступи­ли позиции другим типам аккумуляторов (металлогидридным, литий-ионным и т.п.), но все равно этот тип аккумуляторов широко применяется для питания радиоэлектронной аппаратуры, в основ­ном мобильного предназначения. Так, автор статьи использует никель-кадмиевый аккумулятор фирмы Gpbatteries уже несколько лет для питания компьютерной радиомышки Atech G7-630.

Основная характеристика аккумуляторов – ем­кость (количество запасенной в нем энергии). Ем­кость обычно указывают в мАч или Ач. Номиналь­ной емкостью называют типовое значение, приводимое в характеристиках аккумулятора. Она определяется, в первую очередь, конструкцией ак­кумулятора и технологией изготовления.

В процессе эксплуатации напряжение аккумуля­тора уменьшается от максимального до минималь­ного значения. Минимальным называют напряже­ние, при котором оставшаяся энергия аккумулятора незначительна и дальнейшая его эксплуатация не­целесообразна. Для никель-кадмиевых аккумулято­ров минимальное напряжение составляет 1,0 В, и это четкий критерий завершения разрядки. Номи­нальным называют напряжение, установившееся на аккумуляторе через некоторое время после оконча­ния зарядки. Это напряжение приводят в справоч­ных данных на аккумулятор. Оно обычно равно 1,2 В. Номинальное напряжение аккумулятора опре­деляется только его электрохимической системой, то есть гальванической парой и электролитом. Сра­зу после окончания заряда и отключения зарядно­го устройства напряжение аккумулятора макси­мально и составляет 1,5…1,55 В. Это напряжение, обычно, считают критерием окончания заряда акку­мулятора. Конструкция аккумуляторов герметична. При зарядке давление в аккумуляторе повышается. В процессе разрядки давление внутри аккумулято­ра снижается, и при напряжении ниже минимально­го оно может снизиться до уровня, который не обес­печивает герметичность. Длительное хранение аккумулятора в разряженном состоянии может вы­вести его из строя. Известно, что аккумуляторы, долго не работавшие, теряют емкость и работоспо­собность. Восстановить их можно за несколько ци­клов заряда-разряда. С течением времени эксплу­атации аккумуляторов происходят естественные процессы старения, и характеристики аккумулято­ров ухудшаются. Срок службы аккумуляторов обыч­но достигает 5 лет, но при нормальной эксплуатации они надежно работают и до 10 лет.

Схема зарядного устройства (ЗУ), позволяющая в некоторых случаях продлить срок эксплуатации никель-кадмиевых и металлогидридных аккумуля­торов, показана на рис.1. Это ЗУ производит циклический заряд-разряд аккумулятора разными по амплитуде и по длительности импульсами. Заряд- разрядные импульсы формирует генератор, вы­полненный на 555-м интегральном таймере DА1. У разных производителей в его маркировке име­ются различные префиксы: NE, SЕ, SLC, TLС и др. Российский (советский) аналог этой МС – КР1006ВИ1.

Рис. 1

Рассмотрим работу ЗУ по схеме рис.1 подроб­нее. Когда на входах 2 и 6 микросхемы DА1 напря­жение находится в пределах от 1/3 до 2/3 напря­жения Еп1, происходит заряд конденсатора С1 от плюса источника питания Еп1 через резисторы R1 и R2 на минус Еп1. При этом на выходе микросхе­мы (выводе 3 DА1) формируется высокий уровень, несколько меньший по уровню, чем напряжение питания. Этот процесс длится до момента дости­жения на конденсаторе С1 напряжения, равного 2/3 напряжения питания. Так формируется им­пульс, управляющий зарядом аккумулятора. Дли­тельность сформированного импульса заряда можно с достаточной точностью определить по формуле:

Tз=0,693(R1+R2)С.

При достижении на конденсаторе С1 напряже­ния, равного 2/3 Еп1, переключается внутренний компаратор микросхемы, и на выходе формирует­ся напряжение, близкое к потенциалу общей ши­ны. При этом также открывается внутренний тран­зистор таймера, коллектор которого подсоединён к выводу 7 микросхемы. Конденсатор С1 начина­ет разряжаться через резистор R2. Разряд проис­ходит до момента достижения на С1 напряжения 1/3 Еп1. Так формируется импульс, управляющий разрядом аккумулятора. Длительность этого им­пульса можно рассчитать по формуле:

Tр=0,693Р2С.

При достижении на С1 уровня 1/3 Еп1 переклю­чается внутренний компаратор нижнего уровня, и вновь на выходе микросхемы устанавливается вы­сокое напряжение. Эти переключения будут пов­торяться до тех пор, пока включено напряжение питания. Как видно из приведенных выше формул, длительности импульсов заряда и разряда аккуму­лятора совершенно не зависят от величины питаю­щего напряжения.

Далее импульсы инвертируются микросхемой с открытым коллектором типа SN74LS05 (отечественный аналог К555ЛН2). Микросхема с открытым коллектором необходима для формиро­вания двухполярных импульсов. Когда на входе эл­емента DD1.2 присутствует низкий уровень, то на выходе – высокий, и транзистор VT2 закрыт. Ког­да на входе элемента DD1.6 присутствует низкий уровень, то на выходе – высокий, и транзистор VT1 открыт. Соответственно, открыт и транзистор УЇ3. Происходит заряд аккумулятора током от плюса источника Еп2 через аккумулятор, ограничитель­ный резистор R12, участок К-Э транзистора на минус источника Еп2. Величину тока заряда можно определить по формуле:

Iз=(Еп2-UкэVТ3-Uакк)/R12.

Светодиод HL2 является индикатором режима заряда аккумулятора.

Когда на входе элемента DD1.2 присутствует высокий уровень, то на выходе – низкий, и тран­зистор VT2 открыт. Происходит разряд аккумуля­тора током от плюса источника Еп1 через участок Э-К транзистора и ограничительный резистор Р11, аккумулятор на минус источника Еп1. Вели­чину тока разряда можно определить по формуле:

Iр=(Еп1-UкэVТ2-Uакк)/R11.

Светодиод HL1 является индикатором режима разряда аккумулятора.

При этом на входе элемента DD1.6 присутству­ет высокий уровень, то на выходе – низкий, и тран­зистор VT1 закрыт. Соответственно, закрыт и транзистор VT3, отключая цепь заряда.

Как видно из схемы и приведенных формул, длительность цикла заряда относится к длитель­ности времени разряда как 10/1 и амплитуда за­рядного тока относится к амплитуде разрядного приблизительно 10/1. Амплитуды приблизитель­но имеют такое соотношение, так как не равно UкэVT2. Более точные значения можно определить, сравнивая амплитуду импульсов осциллографом на резисторе 0,1 Ом, который сле­дует включить между плюсом аккумулятора и об­щим контактом источников питания.

На схеме значения сопротивлений резисторов R10-R13 указанны приблизительно, для примера. Соотношение 10/1 не догма. Можно выбрать и ме­ньшие отношение токов заряда и разряда: крите­рий выбора – восстановление работоспособности аккумулятора. Обычно зарядный ток выбирается величиной равной 1/10 от емкости аккумулятора, но можно выбрать и больший ток заряда. Все за­висит от состояния аккумулятора. При заряде импульсом тока большой величины необходимо контролировать температуру аккумулятора во избежание его разгерметизации (бывает и со взрывом) и при значительном нагреве снизить за­рядный ток. Следует также контролировать напря­жение на нем, а при достижении максимального значения нужно отключить вовремя аккумулятор отзарядного устройства. Следует помнить, что при больших токах заряда время заряда значительно сокращается.

Необходимо заметить, что в случае, если за­рядные импульсы будут иметь значительную вели­чину, то источник питания Еп2 должен иметь повы­шенную мощность. Во избежание возникновения «эффекта памяти» следует ставить на зарядку только полностью разряженный аккумулятор.

ЗУ собрано на печатной плате из односторон­не фольгированного стеклотекстолита размерами 50х70 мм, чертеж которой показан на рис.2, а рас­положение деталей на этой плате – на рис.3.

Рис. 2

Рис. 3

Література

1. Найдёров В.З. Функциональные устройства на микросхемах. – М.: Радио и связь, 1985.
2. Шило В.Л. Функциональные аналоговые ин­тегральные схемы. – М.: Радио и связь, 1982.

Автор: Олег Белоусов, г. Черкассы