В далёком 1991 г я приобрёл радиоприёмник "Меридиан РП-248". Питался он от встроенной батареи, составленной из четырёх гальванических элементов 316 или аккумуляторов ЦНК-045 (по современной терминологии - типоразмера АА). Чтобы питать приёмник от аккумуляторов, необходим был сетевой блок питания, способный заряжать их номинальным током в течение времени, необходимого для полной зарядки.
Для удобства пользования приёмником с питанием от батареи аккумуляторов в нём был замкнут перемычкой контакт, отсоединяющий встроенную батарею при подключении внешнего источника питания, стало возможным заряжать аккумуляторы без извлечения их из приёмника. Для аккумуляторов определены условия зарядки: это ток 0,1Q (Q - номинальная ёмкость аккумулятора) в течение 15 ч (напряжение на каждом аккумуляторе в конце зарядки - 1,5 В). Следить за этим, как правило, не получается, возникает необходимость в автоматическом зарядном устройстве (АЗУ), не требующем никакого внимания, работающем по принципу "включил и забыл". Для этого зарядное устройство должно обеспечить указанный режим зарядки до достижения на каждом аккумуляторе напряжения 1,5 В, затем уменьшить зарядный ток до значения 0,01...0,02Q и оставаться в таком состоянии неограниченное время, поддерживая аккумуляторную батарею (АКБ) всегда готовой к работе [1]. Будет удобно, если режим работы АЗУ будет отображаться световой индикацией. Исходя из этой задачи, было разработано автоматическое устройство (рис. 1), содержащее минимум деталей широкого применения - всего потребовались четыре транзистора, которые уже в то время были устаревшими, но подходящими по параметрам для работы в данном устройстве.
Рис. 1. Схема зарядного устройства
Устройство работает по сей день, причём постоянно включённое, по крайней мере, около 20 последних лет. Радиоприёмник уже с перестроенным УКВ-диапазоном используется ежедневно как радиоточка на кухне. Практикой подтверждается высокая надёжность полупроводниковых приборов, если только они не работают в запредельных режимах и не имеют заводского брака или подделки. Однако при сборке устройства необходимо проверить и измерить параметры каждого элемента, особенно оксидных конденсаторов, которые оказываются самыми ненадёжными элементами. При повторении этого устройства можно применить множество других транзисторов и диодов, чьи предельно допустимые параметры превышают величины, действующие в устройстве.
Питание АЗУ от сети осуществляется через понижающий трансформатор, чем обеспечивается электробезопасность, далее следует выпрямительный мост VD1 -VD4. Если АЗУ будет использоваться для питания радиоприёмника, то для устранения так называемого мультипликативного фона диоды следует шунтировать керамическими конденсаторами. Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, его ёмкость должна быть не менее 1000 мкФ на каждые 100 мА потребляемого тока. Образцовое напряжение (9 В) снимается с прецизионного стабилитрона VD5. Резистор R1 определяет его номинальный ток стабилизации (10 мА). Ограничение напряжения на аккумуляторной батарее (АКБ) при достижении полной зарядки осуществляется дифференциальным каскадом VT1VT2 следующим образом. Заданное напряжение, при котором требуется ограничить ток зарядки, определяется делителем напряжения R2R3 и подаётся на базу транзистора VT1, а на базу VT2 поступает напряжение с АКБ, с учётом падения напряжения на диоде VD7, который отключает АЗУ от АКБ при пропадании напряжения в сети. Пока АКБ не зарядилась, напряжение на базе VT2 меньше, чем на базе VT1, и, следовательно, VT2 закрыт и светодиод HL2 не светится. Светится HL1, поскольку VT1 находится в активном режиме. Величина тока определяется сопротивлением резистора R5 и напряжением на базе VT1 и не зависит от напряжения на его коллекторе. Такая схема известна как источник тока (ИТ) [2]. Следовательно, и падение напряжения на резисторе R4 будет стабильным, при этом будет светиться HL1, указывая, что идёт процесс зарядки АКБ. Ток её зарядки стабилен и не зависит от напряжения на АКБ, поскольку транзисторы VT3 и VT4 образуют ИТ.
Особая точность поддержания зарядного тока не требуется, решающее значение имеет ограничение напряжения АКБ при достижении полной зарядки. Точности дифференциального каскада и параметрического стабилизатора напряжения вполне достаточно для решения этой задачи. При достижении напряжения на АКБ, соответствующего полной зарядке, транзистор VT2 переходит в активный режим, появляется его коллекторный ток, начинает светиться светодиод HL2, указывая, что АКБ зарядилась, соответственно ток через VT1 уменьшится, соответственно уменьшится и ток зарядки до величины 0,01...0,02Q, что исключает перезарядку и порчу АКБ. Конденсатор С2 устраняет возможное самовозбуждение, резистор R6 снижает напряжение на коллекторе VT2, а следовательно, и рассеиваемую на нём мощность. Диод VD6 обеспечивает надёжное закрывание транзистора VT4.
Транзистор VT4 можно заменить любым из серий КТ973, КТ814, КТ816 и другими (учитывая ток зарядки и рассеиваемую при этом мощность), VT3 - любым транзистором из серий КТ3102, КТ315, КТ503, а VT1, VT2 - любыми из серий КТ203, КТ208, КТ209, КТ502. Коэффициент передачи тока базы транзисторов - не менее 50.
Если потребуется заряжать АКБ больших ёмкости и (или) напряжения, то можно собрать АЗУ по схеме, изображённой на рис. 2, с применением транзисторов другой структуры как более распространённых. Образцовое и сравниваемое с ним напряжение подают на базы транзисторов дифференциального каскада через делители или непосредственно, в зависимости от напряжения АКБ. Так, если её напряжение меньше 9 В (напряжение стабилизации Д818 = 9 В), то исключают резисторы R9, R11, на базу VT2 напряжение подают через резистор R8, а требуемое значение напряжения окончания зарядки АКБ устанавливают делителем R3R4R5.
Рис. 2. Схема АЗУ для АКБ больших ёмкости и (или) напряжения
Если же напряжение АКБ более 9 В, то исключают резисторы R4, R5, а напряжение окончания зарядки устанавливают делителем R8R9R1 1. Ток делителей выбирают в интервале 0,5...1 мА. Резистором R6 выставляется ток зарядки около 10 мА после определения напряжения на базе транзистора VT1. Подбором резистора R1 устанавливают номинальный ток стабилизации стабилитрона VD5 - 10 мА. Диод VD6 ограничивает обратное напряжение на эмиттерном переходе VT2, что может произойти при коротком замыкании в цепи АКБ.
Транзисторы VT3, VT4, VT5 образуют мощный источник тока [2]. Благодаря первому из них падение напряжения на резисторах R7, R12 можно задать порядка 1 В, что может потребоваться, если напряжение АКБ соизмеримо с напряжением на выходе выпрямителя. При напряжении на АКБ менее 9 В можно исключить транзистор VT3, а падение напряжения на резисторах R7, R12 выбрать равным нескольким вольтам, при этом уменьшится мощность, рассеиваемая на транзисторе VT5, но потребуется резистор R12 соответственно с большей мощностью рассеяния.
Мощность и напряжение на вторичной обмотке понижающего трансформатора Т1, электрические параметры диодов VD1-VD4, VD7, транзистора VT5 определяются ёмкостью и напряжением АКБ. Для обеспечения длительной безотказной работы устройства предельные значения параметров полупроводниковых приборов и резисторов должны превосходить действующие в устройстве значения в 2...3 раза. Если предполагается, что устройство будет работать круглосуточно без надзора, особое внимание следует уделить пожарной безопасности. Трансформатор должен быть достаточной мощности, с надёжной изоляцией и небольшим током холостого хода, свидетельствующем об отсутствии насыщения магнитопровода и достаточном числе витков первичной обмотки. Для определения максимально допустимого сетевого напряжения и выявления короткозамкнутых витков полезно снять характеристику намагничивания трансформатора (зависимость тока холостого хода от напряжения на сетевой обмотке). Резкий рост тока холостого хода допустим только при напряжении на обмотке, превышающем номинальное сетевое на 10% (при номинальном 230 В - это 253 В), что свидетельствует о достаточном числе витков первичной обмотки. Корпус АЗУ также должен удовлетворять требованиям пожарной и электробезопасности.
При налаживании следует нагрузить выпрямитель АЗУ током 0,01...0,02Q и установить подбором резистора R6 номинальный ток зарядки (примерно 10 мА), поскольку именно при таком режиме должно происходить ограничение зарядного тока. Затем, в зависимости от напряжения АКБ, выбирают конфигурацию схемы устройства и устанавливают предварительно напряжение ограничения зарядки АКБ. Если это напряжение более 9 В, то, согласно вышеизложенному, базу транзистора VT1 подключают к стабилитрону VD5 через резистор R3, в этом случае напряжение на его эмиттере будет меньше примерно на 0,65 В, т. е. около 8,4 В. Следовательно, при токе около 10 мА ближайший номинал резистора R6 - 820 Ом. Затем определяют номиналы резисторов R7, R12 и необходимость в транзисторе VT3 для достижения требуемого тока зарядки. При измерении тока зарядки светодиод HL1 не должен гореть. Для выполнения этой работы АЗУ нагружают цепью по схеме на рис. 3. Далее подстроечным резистором R11 устанавливают ток 0,01 ...0,2Q
при напряжении на выходе АЗУ, соответствующем 1,5 В на каждый аккумулятор АКБ.
Рис. 3. Схема дополнительной цепи
Если напряжение АКБ менее 9 В, то исключают R9, R11, с помощью делителей R3R4R5 устанавливают предварительно напряжение, соответствующее заряженной АКБ плюс падение напряжения на диоде VD7, затем, согласно вышеизложенному, определяют сопротивление резисторов R6, R7, R12 и окончательно устанавливают напряжение ограничения зарядки АКБ подстроечным резистором R5.
Литература
1. Немного о зарядке никель-кадмиевых аккумуляторов. - Радио, 1996, № 7, с. 48.
2. Семушин С. Источники тока и их применение. - Радио, 1978, №1, с. 39; №2, с. 44.
Автор: С. Тихонов, г. Калтан Кемеровской обл.