Зарядное устройство предназначено для зарядки NiMh и NiCd аккумуляторов (АА AAA) методом быстрого заряда. В принципе сейчас много микросхем обеспечивающих быстрый заряд (например MAX712), я сделал свою зарядку вот почему:
Если надо зарядить пару аккумуляторов, то они включаются последовательно, если у них разная емкость, то один из них перезаряжается, другой недозаряжается, затем заряд выравнивается капельной зарядкой обеспечивая дозаряд аккумулятора с большей емкостью, другой же будет рассеивать подводимую энергию в виде тепла. На пользу аккумуляторам это не идет, уменьшается срок службы.
Далее, конец заряда определяется методом дельта V.
«dV/dt – спад напряжения. Данный критерий подразумевает определение отрицательного перепада напряжения, которое возникает у некоторых типов аккумуляторов после полного заряда. Обычно используется при зарядке постоянным током. Применим к быстрой зарядке NiCd и NiMH аккумуляторов.»-AVR450.
*Здесь и далее таким образом выделены цитаты из статей.
А вот из другой статьи Немного о зарядке NiMH и NiCd аккумуляторов:
Метод –dV вызывает некоторый перезаряд аккумулятора, что ведет к снижению срока его службы.
Что и иллюстрирует следующий график.
Ниже приведены графики, полученные с помощью этого зарядного устройства.
NiMh 2200mAh зарядный ток 1000mA.
Считается, что быстрый заряд можно использовать только в диапазоне температур 0…+40°C и при напряжении на аккумуляторе 0.8…1.8 В. КПД процесса быстрой зарядки очень высок (порядка 90%), поэтому аккумулятор нагревается слабо. Однако в конце зарядки КПД этого процесса резко падает и практически вся подводимая к аккумулятору энергия начинает превращаться в тепло. Это вызывает резкий рост температуры и давления внутри аккумулятора, что может вызвать его повреждение.
Для NiMh аккумуляторов, при токах больших 0.7С, отрицательный перепад почти всегда есть, минусы — большие зарядные токи и температура в конце заряда близкая к 40°C. При зарядном токе 0.5С и емкости 2200mAh (график) , отрицательный перепад напряжения не более 2.5-5мВ, для многих аккумуляторов обычно прекращается рост напряжения.
Опять же цитата из статьи Немного о зарядке NiMH и NiCd аккумуляторов:
Как метод dT/dt, так и метод –dV вызывают некоторый перезаряд аккумулятора, что ведет к снижению срока его службы. Для того, чтобы обеспечить полный заряд аккумулятора, завершение заряда лучше проводить малым током при низкой температуре аккумулятора, так как при повышенных температурах способность принимать заряд у аккумуляторов заметно падает. Поэтому фазу быстрой зарядки желательно завершать чуть раньше. Существует так называемый inflexion метод определения окончания быстрой зарядки [3]. Суть этого метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. Т.е. быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядке раньше, когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться.
В этом устройстве конец заряда определяется по уменьшению скорости роста напряжения. Это хорошо видно при заряде NiCd аккумулятора емкостью 700mA током 1С, так как NiCd имеют ярко выраженный профиль напряжения. На графике конец заряда помечен красным перекрестьем. Однако, в зарядном устройстве определение конца заряда немного загрублено (синие перекрестие), что делает определение окончания заряда для NiCd аккумуляторов близким к методу dV=0. На NiMh аккумуляторы это не оказывает влияния, так как нет явно выраженного роста напряжения. Также в устройстве реализовано определение конца заряда методом dT/dt, по скорости роста температуры. По превышению температуры определенного порога. По методу dV/dt отрицательного перепада напряжения. Данное устройство позволяет дозаряжать не полностью разряженные аккумуляторы.
NiMh 2300mAh ток 1А. После зарядки пролежали 2 недели, были поставлены на дозаряд без предварительного разряда.
Вы можете посмотреть, как устройство отрабатывает такой случай. Но надо заметить, на мой взгляд, это не идет на пользу аккумуляторам. В устройстве предусмотрена фаза дозарядки в течение 30 минут.
NiCd 700mAh зарядный ток 700mA.
Устройство.
Это зарядное устройство рассчитанно на зарядку двух аккумуляторов. Состоит из двух одинаковых каналов, dc/dc преобразователя и схемы измерения температуры.
Схема измерения температуры.
Подробно описана в другом моем устройстве Уменьшение шума от кулеров компьютера.
Схема dc/dc преобразователя.
Такие навороты для управления MOSFET транзистором нужны для того, что бы быстро заряжать/разряжать емкость затвора, для транзистора IRF9530 около 1Нф. Резистор R3 немного затягивает этот процесс, но защищает Q2 и Q3 от больших токов. Применение «драйвера» для управления MOSFET транзистора в этой схеме обязательно. Во первых уменьшает потери на переключение, а значит и нагрев транзистора. Во вторых, зарядное устройство должно обеспечивать режим до заряда, ток trickle, если не принимать мер для разряда емкости затвора, то выходной импульс будет сильно затянут, получить маленькие токи на выходе преобразователя будет затруднительно. К примеру, в первой собранной схеме, емкость затвора, разряжалась на резистор 800 ом, при значении OCR1 = 1 входном напряжении 15V индуктивности дросселя L=240U, выходной ток был около 300мА. При этих же значениях с «драйвером» 7-10мА.
Резистор R5, при выключенном канале и отсутствующем аккумуляторе, предотвращает рост напряжения на конденсаторе C2 . Связано это с тем, что MOSFET транзистор имеет емкость сток-исток, и при работающем соседнем канале, импульсные просадки по питанию будут проходить через эту емкость и заряжать конденсатор С2.
Транзистор M2 (на разряд), должен быть из серии Logic-level gate drive (IRL).
Вторая «трудная вещь» — это дроссель. Что читать что бы разобраться?
Мне очень помогли книги
«Б. Ю. Семенов Силовая электроника для любителей и профессианалов».
В.С. Попов, С.А. Николаев Общая электротехника с основами электроники. Глава «Электромагнитизм».
«Начальная школа построения импульсных DC/DC преобразователей» журнал «Электронные компоненты» начало в 06 номере за 2002 год.
Хорошая статья, конкретно расчеты и рекомендации:
(с) 1996, 2000, 2002 А.Кузнецов. ТРАНСФОРМАТОРЫ И ДРОССЕЛИ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Хорошие расчеты есть в книге У. Титце К. Шенк Полупроводниковая схемотехника.
Свои дроссели я мотал на чем было. Феррит N48 RM5, немагнитный зазор 0,3мм, 50 витков 0,4мм, индуктивность ~280U. Индуктивность получилась выше расчетной — 80u, но это и хорошо, так как на выходе преобразователя будет меньше пульсаций (то, что преобразователь стал более инерционным, роли не играет, для аккумуляторов это не существенно).
Микроконтроллер работает от внутреннего RC генератора 8 мег. Режим шима — Fast PWM, 8-bit и значит частота 31250Гц, максимальный ток дросселя 1,5А.
Схема устройства.
Настраивается устройство с помощью программы на компьюторе через компорт, она же принимает данные с устройства.
- Страница статистики. Посмотреть скриншот (15kb)
- Страница графиков. В программе строятся графики напряжения и температуры есть возможность включить/выключить любой график и выбрать цветa. Посмотреть скриншот (15kb)
- Страница настроек:
Поле «R=» и «Шаг ADC» в микроконтроллере не сохраняются.
Поле «R=» — это сопротивление резистора датчика тока, поэтому их сопротивление в канале А и В должно быть одинаковым, что бы не было больших разбросов токов. Так как сопротивление довольно низкоомное померить трудно, надеемся на удачу 🙂
Поле «Rd=» (Rdecharge) сопротивление разрядного резистора. Данное значение участвует в расчете приблизительного внутреннего сопротивления аккумулятора. Расчет производится по формуле
(Uэдс-Ur)/(Ur/Rразр)
Uэдс — напряжение на аккумуляторе без нагрузки.
Ur — напряжение на аккумуляторе с включенным разрядным резистором.
Ur/Rразр — ток через разрядный резистор.
Рассчитанное значение очень приблизительно, большое влияние оказывают контакты удерживающие аккумулятор.
Поле «Fast» — ток быстрого заряда.
«Trickle» — Фаза дозарядки В этой фазе ток зарядки устанавливают в пределах 0.1…0.3C. При токе дозарядки 0.1C производители рекомендуют длительность дозарядки 30 мин. Более длительная дозарядка приводит к перезаряду, что увеличивает емкость аккумулятора на 5…6%, но сокращает количество циклов заряд-разряда на 10…20%. В устройстве можно отключать ток дозаряда.
Температура.
Поле «максимальная температура аккумулятора» — при превышении этой температуры заряд останавливается. Рекомендуется ставить 40°C.
Поле «Максимальный прирост температуры за 1 минуту». чаще используют не саму температуру, а скорость ее изменения dT/dt. Считается, что при зарядном токе 1C процесс зарядки нужно завершать, когда скорость роста температуры dT/dt достигнет 1°C/мин. Нужно отметить, что при токах зарядки менее 0.5C скорость роста температуры почти не меняется и этот критерий использовать нельзя. Ввиду тепловой инерции метод dT/dt склонен вызывать некоторый перезаряд аккумулятора.
Настройка датчиков. Как сказано выше, здесь: уменьшение шума от кулеров компьютера можно прочитать подробнее. Кратко, расположить датчики (диоды) вместе, подождать немного что бы их температура выровнялась, внести эту температуру в поле «Темп», нажать кнопку присвоить. Удобно настраивать так, связать датчики вместе с датчиком ds18b20. Настроить датчики, как написано выше, затем проверить, например поднести к датчикам настольную лампу, температура доходит до 40 гр. Если датчики врут в верхнем диапазоне, то скорей всего у Вас «хорошие» диоды, их надо поменять на попроще, также надо подобрать шаг ADC на 1 градус Цельсия, обычно равен 7 или 8, зависит от коэффициента усиления ОУ. При температуре выше 40 гр. показания датчика DS18B20 и программы (диода) будут отличатся из за разных корпусов. Температуры были бы приблизительно равны, если датчики закрепить на общем радиаторе и его разогревать.
Датчики (выяснено практическим путем)надо располагать у минуса аккумулятора.
Связь с устройством ведется через ком порт, в программе можно выбирать номер порта. Скорость 38400 бит/c. Шнур из 4х или 3х проводов, TXD, земляной, RXD, земляной. При длине 1,5 метра сбоев не наблюдалось. Связь ведется короткими посылками, поэтому кварц для работы с UART здесь не нужен, микроконтроллер тактируется от внутреннего RC генератора, 8 мег.
Управление устройством.
Переключатели.
Устройство содержит четыре переключателя (джампера).
Переключатели замкнуты:
- Аккумуляторы NiCd. Режим малых емкостей, когда зарядный ток близок к 1С.
- Включен дозаряд.Следующие переключатели работают только при включенном первом переключателе «Аккумуляторы NiCd» .
- Алгоритм выключен, заряд останавливается только по времени или ошибкам.
- В текущей версии не используется.
Первый переключатель Предназначен для заряда аккумуляторов маленьких емкостей, NiCd, NiMh AAA. Ток заряда, при этом, обычно близок к 1С и время заряда не больше 1 часа 30 минут.
Если переключатель не замкнут, то включен режим заряда аккумуляторов больших емкостей NiMh AA, зарядный ток в этом случае равен 700мА-1500мА, время от 2 до 4 часов.
Самый оптимальный ток заряда — 0,5С. Соблюдая это условие, в этом режиме можно заряжать любые аккумуляторы. Для больших емкостей, я рекомендую ток не более 1200мА.
Второй переключатель. После детектирования окончания заряда включает ток дозаряда продолжительность 30 мин. Ток «trickle».
Третий переключатель. Работает только при включенном первом переключателе. При включении третьего переключателя алгоритм определения окончания заряда выключается. В этом режиме заряд останавливается только по времени или по ошибке (например, превышении максимально допустимой температуры и т. д.). Предназначен для проведения тренировочных циклов 16 часов током 0,1С. Старт зарядки, в этом режиме нужно начинать всегда с разряда акк. до 1 вольта. Настройки времени и зарядного тока берутся с режима маленьких емкостей. Поэтому включение этого режима возможно только при замкнутом переключателе «Аккумуляторы NiCd». Максимальное время заряда Ni-Cd следует установить 16-00, ток Ni-Cd Fast 0.1C.
Кнопки и индикация.
Каждый канал управляется двумя кнопками и имеет индикацию двумя светодиодами.
При включении, проверяется контрольная сумма всех параметров сохраняемых в EEPROM, если контрольная сумма не совпадает, то горят все светодиоды. Работа устройства запрещена, необходимо подключение к компьютеру и переиницилизация параметров. Если контрольная сумма в норме, то светодиоды горят одну секунду затем гаснут. Устройство переходит в режим «ожидание/настройка параметров».
- Первая кнопка — старт. Соответственно первый зеленый светодиод.
- Вторая кнопка — разряд. Соответственно красный светодиод.
- Нажатие кнопки старт, включает программу заряда.
Зажигается зеленый светодиод, при импульсе разряда мигает красный светодиод. - При нажатой кнопке разряд нажать кнопку старт — разряд до одного вольта и вкл. программы заряда.
Если в режиме разряда, нажать кнопку разряд, то разряд выключается и программа переходит в режим ожидания.
Мигают зеленый и красный светодиоды с периодом 2 сек. При достижении на аккумуляторе одного вольта, гаснет красный, включается зеленый светодиод. Включается программа заряда.
По окончании заряда, горит красный светодиод. Зеленый выключен.
Eсли включен переключатель 2 «дозаряд», то включается красный светодиод, зеленый мигает с периодом 0,2 сек.. В страницу статистики добавляется строка «End». По истечении ~30 минут, дозаряд прекращается, горит красный светодиод. Зеленый выключен.
Во всех режимах данные на компьютер посылаются примерно раз в минуту.
При индикации конца заряда или ошибок, нажатие кнопки разряд переводит устройство (А или В) в режим ожидания.
Индикация ошибок.
Зеленый светодиод выключен. Мигает красный светодиод.
Количество миганий красного светодиода
- Превышено максимальное время заряда.
- Большая температура или большой рост температуры за одну минуту.
- Высокое напряжение аккумулятора. (U>1.6V)
- Высокое сопротивление аккумулятора. (напряжение, при вкл. токе больше 1,85V)
- Ошибка при установлении тока. (OCR1>200)
- Низкое напряжение аккумулятора. (U<0.4V)
- Нет роста напряжения на аккумуляторе.
При индикации конца заряда или ошибок, нажатие кнопки разряд переводит устройство (А или В) в режим ожидания.
Описание алгоритма.
При включении программы, проверяется напряжение на аккумуляторе, если оно ниже 0,4В генерируется ошибка «низкое напряжение аккумулятора». Если выше 0,9В измеряется внутренние сопротивление аккумулятора, затем включается ток около 200 mА. Проверяется напряжение при включенном токе, если оно выше 1,85 в., то генерируется ошибка «высокое сопротивление аккумулятора». Ток отключается, измеряется напряжение при включенном разрядном резисторе. Если напряжение на аккумуляторе ниже 1 в., включается ток ~200mA и программа ждет пока напряжение достигнет 1 вольта, если этого не происходит за 30 минут, генерируется ошибка «превышено максимальное время заряда». Все время контролируется температура аккумулятора.
Далее ток в течение 3-4 минут плавно нарастает до установленного значения. Время зависит от напряжения питания преобразователя, чем оно больше тем меньше время. Программа переходит к старту быстрой зарядки. В этой фазе напряжение на аккумуляторе измеряется в конце разрядного импульса. Разрядный импульс включается на 0.1 секунду, через 0.8 секунды. Данные на компьютер отсылаются примерно раз в минуту. Все время происходит контроль на все семь ошибок.
Алгоритм определения конца заряда основан на вычислении роста напряжения на аккумуляторе. В программе есть массив в котором накапливаются измерения. Новое измерение смещает старые. Затем вычисляется приращение. В программе это выглядит так:
for ( tmp_a=0; tmp_a <7 ; tmp_a++ )// вычисление приращения
prir+= (signed char)(Uakk_A[tmp_a]-Uakk_A[tmp_a+1]);
В результате имеем приращение в каждом измерении.
В таблице можно посмотреть на работу алгоритма. Первая колонка в таблице значение ADC, вторая вычисленое приращение.
| 568 570 571 573 575 577 579 581 583 586 589 591 594 596 598 601 603 606 607 609 610 611 612 612 612 612 611 611 611 610 610 609 |
7 8 8 9 10 11 12 13 13 15 16 16 17 17 17 18 17 17 16 15 14 13 11 9 6 5 2 1 0 -2 -2 -3 |
Напряжение. Приращение.  |
|---|
Для нормальной работы устройства, нужна грамотная разводка печатной платы. Разделение цифровой и силовой земель.
Хорошие статьи по этим темам:
Техника разводки печатных плат.
Внизу можно посмотреть мою монтажную плату (далекую от идеала :))и скачать файл в формате SprintLaout5. Переключатели выполнены в виде джамперов, с кнопками и светодиодами вынесены в отдельную плату «пульта».
Микроконтроллер работает от внутреннего RC генератора 8 мег. (CKSEL3..0 0100; SUT1..0 00).
Запрограммировать бит BODEN, BODLEVEL.
Для более точного отсчета времени в программе, необходимо с помощью программатора считать значение калибровочного байта для 8 мег, затем сохранить его значение во флэш-память, адрес 0x0026.
Например, для ponyprog можно создать скрипт, файл с расширением .e2s.
SELECTDEVICE ATMEGA8
CLEARBUFFER
LOAD-PROG nimh8.hex
PAUSE «Прошить мк?»
READ-CALIBRATION 0x0026 DATA 3
ERASE-ALL
WRITE&VERIFY-PROG
PAUSE «Прошить fuse биты?»
#Fuse High Byte: RSTDISBL WDTON SPIEN CKOPT EESAVE BOOTSZ1 BOOTSZ0 BOOTRST
# 1101 1111 (в формате atmel)
#Fuse Low Byte: BODLEVEL BODEN SUT1 SUT0 CKSEL3 CKSEL2 CKSEL1 CKSEL0
# 0000 0100
# note that a 1 means programmed. (для понипрог инвертируем)
WRITE-FUSE 0x20FB
Во избежание ошибок работы алгоритма, время заряда должно быть больше 40 минут. Зарядное устройство лучше работает с хорошими аккумуляторами. Старые аккумуляторы имеют высокое внутренние сопротивление и «корявый» профиль напряжения.
Немного о настройке и тестовая прошивка.
Программа для компьютера Charge5.rar (280 Kb)
Прошивка и исходник на микроконтроллер mega8_4.rar (20 Kb)
Программа, написанная для проверки алгоритма на компьютере algoritm.rar (225 Kb)
Автор проекта Дмитрий Мосин.