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
Литература
- Найдёров В.З. Функциональные устройства на микросхемах. — М.: Радио и связь, 1985.
- Шило В.Л. Функциональные аналоговые интегральные схемы. — М.: Радио и связь, 1982.
Автор: Олег Белоусов, г. Черкассы
