RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/radiofan/power_supply/device_battery_recovery.html

Прибор для восстановления аккумуляторов (часть 1)

Это устройство построено в основном из готовых модулей (в том числе Arduino Nano), продаваемых в интернет-магазинах. Его основное назначение - тренировать аккумуляторы и их батареи, восстанавливая утраченную ёмкость, но оно может и просто разряжать или заряжать их. К нему можно подключить одновременно до восьми однотипных аккумуляторов (батарей). Информация о ходе процессов и их результатах, в том числе об отданном при разрядке или полученном при зарядке электрическом заряде, выводится на ЖКИ. Пользуясь этой информацией, можно вычислить внутреннее сопротивление аккумулятора.

Устройство работает с аккумуляторами и их батареями (в дальнейшем будем называть их просто аккумуляторами) всех типов с номинальным напряжением от 1 до 12 В, обеспечивая ток разрядки и зарядки 0,07...2 А. Полезную информацию о свойствах различных аккумуляторов и оптимальных режимах работы с ними можно найти в [1-5].

Прибор разряжает аккумуляторы заданным током разрядки до заданного минимального напряжения и заряжает их заданным током зарядки до заданного максимального напряжения. Для предотвращения аварийных ситуаций продолжительность этих процессов ограничена. Предусмотрено также автоматическое выполнение от одного до 20 циклов разрядка-пауза-зарядка-пауза с индикацией заданных и текущих параметров. Заданные параметры, в том числе длительность пауз, можно изменять в процессе работы. При одновременной работе с несколькими (до восьми) аккумуляторами их параметры контролируются индивидуально.

Текущее значение напряжения каждого аккумулятора устройство определяет при временно отключённых источниках разрядного и зарядного тока. Это позволяет более точно контролировать состояние аккумуляторов разной степени изношенности. Информацию о длительности процессов разрядки и зарядки аккумуляторов и количестве отданного или полученного ими электрического заряда устройство выводит на ЖКИ и запоминает в энергонезависимой памяти, содержимое которой можно передать для обработки в компьютер.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов прибор не измеряет. Однако этот параметр можно оценить по результатам измерения напряжения аккумулятора при подключённой нагрузке и без неё. У "плохих" аккумуляторов разница результатов этих измерений, как правило, существенно увеличена, что соответствует повышенному внутреннему сопротивлению.

Схема аналоговой части прибора изображена на рис. 1, а его цифровой части - на рис. 2. Галетный переключатель SA2 (ПГ3 3П6Н) имеет три положения: предварительная установка тока разрядки (У1), предварительная установка тока зарядки (У2), работа (Р) (разрядка-зарядка аккумуляторов). Предварительно устанавливать ток необходимо для того, чтобы не повредить аккумуляторы недопус-тимым током. Действие кнопок SB1 - SB6 в различных положениях переключателя SA2 соответствует табл. 1.

Рис. 1. Схема аналоговой части прибора

Рис. 2. Схема цифровой части прибора

Таблица 1

Источником зарядного и разрядного тока служит готовый модуль 5A XL4015 (рис. 3). Из него выпаяны подстроечные резисторы установки выходного напряжения и тока, а вместо них к показанным на рис. 3 точкам а-е подключены внешние цепи регулировки. Переменные резисторы R11 "Ток зарядки грубо", R14 "Ток зарядки точно" и R4 "Напряжение" размещены на передней панели прибора. Подстроечные резисторы R5, R6 и R13 служат для установки пределов регулирования тока и напряжения.

Рис. 3. Модуль 5A XL4015

В переключении режимов, задаваемых переключателем SA2, участвуют также реле модуля HL-54S (рис. 4), управляемые командами модуля Arduino Nano. Их состояние в разных режимах работы прибора указано в табл. 2. В ней же показаны логические уровни сигнала на выходе A3 модуля Arduino Nano. Низкий уровень (0) соответствует измерению микроконтроллером напряжения аккумулятора, высокий (1) - его зарядке или разрядке.

Рис. 4.  Реле модуля HL-54S

Таблица 2

Пользователь контролирует напряжение аккумулятора, ток его разрядки и зарядки с помощью цифрового ампервольтметра P1 (рис. 5). Первоначально я установил его для удобства налаживания прибора, но он оказался очень полезным и при работе с ним.

Рис. 5. Цифровой ампервольтметр

Модуль Arduino Nano выводит на ЖКИ HG1 заданные и текущие значения параметров. Он же управляет разрядкой и зарядкой аккумуляторов, отсчитывает паузы между этими процессами, измеряет напряжение на аккумуляторах, включает и выключает текущий через них ток. ЖКИ подключён к модулю Arduino Nano через преобразователь параллельного интерфейса ЖКИ в последовательный интерфейс I²C (рис. 6), который стыкуется непосредственно с разъёмом ЖКИ. Это позволило сократить до двух число линий, по которым модуль Arduino Nano управляет ЖКИ.

Рис. 6. Преобразователь параллельного интерфейса ЖКИ

Зарядка организована с помощью упомянутого выше модуля 5A XL4015. При работе с аккумуляторами желательно не допускать слишком большого напряжения на них. Максимальное напряжение на выходе источника зарядного тока должно быть лишь на 20 % больше напряжения заряженного аккумулятора.

Стабилизатором тока разрядки служит узел на ОУ DA3 и полевом транзисторе VT2, которые охвачены отрицательной обратной связью по току. Транзистор VT2 установлен на игольчатом алюминиевом теплоотводе, установленном снаружи корпуса на его боковой стенке иглами к ней. Размеры теплоотвода - не менее 50x30 мм.

Датчик тока образуют резисторы R18 и шунт амперметра P1. Ток разрядки регулируют выведенными на переднюю панель прибора переменными резисторами R10 и R12. Сигнал с датчика тока, усиленный ОУ DA4, поступает также на вход A2 модуля Arduino Nano для измерения. Результат этого измерения программа использует для расчёта принятого или отданного аккумулятором электрического заряда.

Напряжение 5 В для питания модуля Arduino Nano, ЖКИ HG1, микросхем DD1-DD4 и реле получено из напряжения первичного источника 18 В с помощью импульсного стабилизатора напряжения - модуля DSN-MINI-360 (рис. 7). Поскольку этот стабилизатор регулируемый, нужное напряжение (+5 В) на его выходе ещё до подачи его на питаемые узлы прибора следует установить имеющимся в модуле подстроечным резистором.

Рис. 7. Модуль DSN-MINI-360

Напряжение на выходе интегрального стабилизатора DA1 78L05 повышено с +5 В до +9 В с помощью стабилитрона VD1 КС147Г и использовано для питания ОУ DA3 и DA4. Таймер DA2 КР1006ВИ1 служит задающим генератором источника отрицательного напряжения питания, необходимого этим ОУ. Его импульсы усилены полевым транзистором VT1 и преобразованы в отрицательное постоянное напряжение выпрямителем на диодах VD2 и VD3. Его ограничивает до -9 В стабилитрон VD4.

Аналогичным образом с помощью транзистора VT3 и диодов VD5, VD6 получено напряжение -1,5 В для питания цепи управления электронным ключом на сборке полевых транзисторов VT4. Стабилизатор этого напряжения - полевой транзистор VT6, работающий как низковольтный стабилитрон.

Реле K1-K8, объединённые в релейный модуль (рис. 8), поочерёдно подключают аккумуляторы G1-G8 к цепям разрядки-зарядки. Модуль Arduino Nano формирует сигналы управления этими реле в виде последовательного кода, который затем преобразует в параллельный код микросхема DD3 (74HC595N). С её выходов управляющие сигналы поступают на входы релейного модуля.

Рис. 8. Релейный модуль

Кроме того, сигналы с этих выходов через электронные ключи микросхемы dD4 (ULN2803APG) управляют двухцветными светодиодами HL3-HL10. Свечение каждого из них свидетельствует о том, что идёт разрядка или зарядка соответствующего аккумулятора. Цвет свечения (красный при разрядке, зелёный при зарядке) зависит от состояния полевых транзисторов сборки VT7. Когда идёт работа с аккумуляторами, включён светодиод HL2.

Работой устройства управляют с помощью кнопок SB1-SB6 и DIP-переключателей SA3 "Тип аккумуляторов", SA4 "Число аккумуляторов". Параллельные коды состояния кнопок и переключателей сдвиговые регистры DD1 и DD2 (CD4014BE) преобразуют в последовательный код для загрузки в модуль Arduino Nano.

Для контроля температуры аккумуляторов и теплоотвода транзистора VT2 в приборе имеются два датчика температуры DS18B20. Их информационные входы-выходы подключены к одной и той же линии D2 модуля Arduino Nano. Программа микроконтроллера модуля различает эти датчики по хранящимся в их постоянной памяти идентификационным кодам. Какой из них должен измерять температуру теплоотвода, а какой температуру аккумуляторов, определяют в процессе налаживания прибора. В случае превышения допустимой температуры аккумулятора (+45 ^оС) или теплоотвода транзистора (+80 ^оС) ток зарядки или разрядки прерывается до тех пор, пока температура не понизится до допустимой.

В правом нижнем углу экрана ЖКИ прибор выводит номер режима в цикле (1 или 3 - разрядка; 2, 4 или 6 - пауза; 5 или 7 - зарядка) и состояние реле K9, K10, К11 модуля HL-54S. Символ подчёркивания означает, что соответствующее реле выключено, символы p, a, m - включены соответственно реле K9, K10, К11.

Поскольку на аналогово-цифровой преобразователь модуля Arduino Nano нельзя подавать напряжение более +5 В, для работы с аккумуляторами большего напряжения применён делитель напряжения R29R30. Реле K9 при необходимости по сигналу модуля Arduino Nano включает его в цепь измерения. Конденсатор С11 сглаживает выбросы измеряемого напряжения и коммутационные помехи.

Для подключения к прибору аккумуляторов различных типов предусмотрены два не показанных на схеме разъёма, с которыми соединяют контактные устройства. Их конструкция может быть любой. Главное, чтобы были обеспечены хороший контакт и допустимый ток не менее 3 А.

Процесс работы с аккумулятором состоит из интервалов измерения напряжения на нём в отсутствие тока и интервалов подачи установленного переменными резисторами R11 и R14 тока зарядки или переменными резисторами R10 и R12 тока разрядки. При этом аккумуляторы, число которых задано DIP-переключателем SA4, по очереди включаются в работу контактами реле K1.1-K8.1. Коммутация зарядка-разрядка организована с помощью ключей на сборках полевых транзисторов VT4 и VT5, управляемых с выхода A3 модуля Arduino Nano.

В процессе работы в EEPROM микроконтроллера модуля Arduino Nano записываются в формате с плавающей запятой текущие параметры выполняемой процедуры, каждый из которых занимает в нём по четыре ячейки. Это даёт возможность просмотреть результаты не только во время работы, но и после отключения питания прибора. Адреса ячеек EEPROM и их содержимое соответствуют указанным в табл. 3. В ячейках, соответствующих аккумуляторам с номерами, большими, чем набранное на DIP-переключателе SA4 число, хранятся нули.

Таблица 3

Продолжение следует

Литература

1. Особенности зарядки Ni-MH аккумуляторов, требования к зарядному устройству и основные параметры. - URL: http://akbinfo. ru/shhelochnye/ni-mh-akkumuljatory-kak-zarjazhat-zarjadnoe-ustrojstvo-i-parametry. html (03.05.2018).

2. Импульсная зарядка для Li-ion аккумуляторов. - URL: http://electro-shema.ru/chertezhi/pulse-charger-li-ion.html (03.05.2018).

3. NiMH аккумуляторы, их тренировка и восстановление. - URL:http://www. electrosad.ru/Sovet/NiMH.htm (03.05.2018).

4. Виды заряда никель-кадмиевых аккумуляторов. - URL: http://samodelka. info/zaryadnie-akb/princip-zaryada-nikel-cadmievih-akb.html (03.05.2018).

5. Аккумуляторы типоразмера 18650. Не дай себя обмануть! - URL: http:// uceleu.ru/blog/snaraga/2041.html (03.05.2018).

Автор: Н. Осницкий, г. С.-Петербург