В радиолюбительских журналах и Интернете опубликовано огромное число статей, посвящённых зарядным и разрядным устройствам для аккумуляторов. Кроме того, сегодня можно приобрести зарядно-разрядное устройство на любой вкус. Тем не менее интерес к самодельным устройствам не иссякает. Поэтому автор решил внести и свой вклад в эту тему - предложить ещё один вариант разрядно-зарядного устройства.
При изготовлении устройства ставилась задача доразряжать каждый аккумулятор индивидуально. Известно, что при разрядке батареи из последовательно соединённых аккумуляторов они все отдают одинаковый ток. При этом, естественно, "плохие" разряжаются быстрее, а "хорошие" - медленнее. Когда при разрядке суммарное напряжение батареи падает до минимально допустимого значения, "плохие" аккумуляторы оказываются переразряжен-ными, а "хорошие" - недоразряженны-ми. Причём эта разница возрастает с каждым циклом "зарядка - разрядка". Со временем напряжение на "плохих" элементах в конце разрядки может даже изменить полярность. В итоге эти элементы выходят из строя без возможности восстановления. Метод борьбы с этим явлением - индивидуальная разрядка каждого аккумулятора.
Изготовив разрядное устройство для одного аккумулятора, описанное в [1], и немного усовершенствовав его, я в целом остался доволен результатами его работы. Но начав им пользоваться, понял, что разряжать аккумуляторы по очереди очень неудобно и к тому же занимает много времени. Судите сами. Многие приборы питаются от трёхчетырёх аккумуляторов. И разряжать их по очереди довольно утомительно, ведь длительность этого процесса может находиться в пределах от нескольких минут до десятков минут. На это время приходится отставлять другие дела, потому что по окончании разрядки одного аккумулятора его необходимо вынуть из разрядного устройства, а затем вставить следующий. Итакстоль-ко раз, сколько имеется аккумуляторов.
В итоге стало понятно, что необходимо уделить внимание удобству пользования устройством. Ведь если устройством пользоваться сложно или неудобно, то большинство людей перестанут со временем им пользоваться вообще.
Исходя из изложенного, было разработано автоматическое разряднозарядное устройство для четырёх аккумуляторов, предлагаемое вниманию читателей. Естественно, его можно изготовить и для другого числа аккумуляторов. Пользоваться им очень просто и удобно. Достаточно вставить в него от одного до четырёх аккумуляторов, выбрать переключателем ток зарядки, нажать на кнопки "Пуск" и заняться своими делами, пока не включится зелёный светодиод, означающий, что каждый из вставленных в разряднозарядное устройство аккумуляторов индивидуально разряжен до 0,9...1 В, а затем они все вместе заряжались необходимым током в течение необходимого времени.
Устройство состоит из двух независимых частей - разрядного и зарядного устройств. Можно собрать только разрядное устройство и просто доразряжать аккумуляторы, а затем вставлять их в имеющееся зарядное устройство. Если же соединить обе части, получится автоматическое разрядно-зарядное устройство, которое само разрядит вставленные в него аккумуляторы, а затем перейдёт в режим их зарядки установленным током.
Поскольку в предлагаемом разрядно-зарядном устройстве все аккумуляторы соединены последовательно, в случае зарядки менее четырёх аккумуляторов, контакты их держателей, в которых аккумуляторы отсутствуют, необходимо замкнуть между собой. Я остановился на варианте установки в неиспользуемые держатели изготовленных из отслуживших свой срок элементов перемычек.
Можно, конечно, применить вместо перемычек выключатели, замыкающие контакты держателей, но этот вариант кажется мне менее безопасным для аккумуляторов. Каким бы внимательным ни был человек, довольно часто будет возникать ситуация, когда он сначала вставит аккумуляторы и лишь затем, спохватившись, разомкнёт выключатели. Такая доразрядка принесёт больше вреда, чем пользы. Впрочем, при изготовлении устройства каждый может выбрать вариант, который ему покажется предпочтительным.
Схема разрядного устройства с узлом определения окончания разрядки, состоящего из четырёхнезависимых каналов, представлена на рис. 1. За основу взято устройство, описанное в [1]. Там же подробно описаны принцип его работы и налаживание.
Рис. 1. Схема разрядного устройства
Остановлюсь на внесённых изменениях. Речь пойдёт об одном канале, верхнем по схеме. В оригинале транзистор VT1 был кремниевым. Поэтому аккумулятор разряжался до напряжения 0,9...1 В только при разрядном токе не более 80...90 мА, совершенно недостаточном для современных аккумуляторов большой ёмкости. При попытке увеличить разрядный ток, уменьшая сопротивление резистора R3, растёт напряжение прекращения разрядки. Уменьшением сопротивления резисторов R1 и R2 уменьшить порог отключения, к сожалению, невозможно. Поэтому в качестве VT1 применён германиевый транзистор ГТ403Б, а сопротивление резистора R3 уменьшено с 10 до 3,6 Ом, что позволило добиться разрядного тока от 290 мА (при напряжении аккумулятора 1,2 В) до 220 мА (при его напряжении 0,95 В). Напряжение завершения разрядки установлено равным 0,9 В.
Сигнальная лампа HL1 служит индикатором состояния аккумулятора и завершения разрядки. Подключив аккумулятор G1 и нажав на кнопку SB1, по яркости свечения этой лампы можно судить о том, насколько он недоразря-жен. При напряжении около 0,9 В свечение еле заметно, а при 1,2 В оно гораздо ярче. Когда по завершении разрядки транзистор VT1 закроется, лампа HL1 погаснет.
Узел определения завершения разрядки состоит из питающего излучающий диод оптрона U1, повышающего преобразователя напряжения на транзисторе VT9 и трансформаторе T1. Изучение оптрона АОД101А показало, что при токе излучающего диода 5 мА его фотодиод вырабатывает напряжение 0,4...0,5 В. Причём это напряжение практически не зависит от питающего преобразователь напряжения, если оно 0,8 В и выше.
Вырабатываемое фотодиодами оптронов напряжение в рассмотренном ниже устройстве зарядки открывает германиевый транзистор. Благодаря такому режиму работы оптронов узлы определения окончания разрядки не нуждаются в налаживании - их фотодиоды будут вырабатывать напряжение даже при минимальном напряжении на аккумуляторах, пока все разрядные ячейки не выключатся.
Схема зарядного устройства с таймером представлена на рис. 2. Пока не завершена разрядка всех аккумуляторов, на базу транзистора VT2 поступает напряжение с фотодиодов, благодаря чему он открыт, а транзистор VT3 закрыт. На коллекторе транзистора VT3 действует напряжение высокого логического уровня, поступающее через резистор R7. Это напряжение поступает на входы R счётчиков DD1 и DD2, удерживая их в начальном нулевом состоянии.
Рис. 2. Схема зарядного устройства с таймером
Это же напряжение через резистор R8 и диод VD12 поступает на базу транзистора VT4, открывая его. Открывшись, этот транзистор соединяет управляющий вход стабилизатора напряжения DA1 с общим проводом. Поэтому стабилизатор закрыт, тока зарядки нет.
Таймер зарядки выполнен на трёх двоичных счётчиках, соединённых последовательно. На резисторах R1-R3 и диодах VD1-VD3 выполнен узел, формирующий прямоугольные импульсы с периодом следования 0,02 с, поступающие на базу транзистора VT1. С его коллектора импульсы с амплитудой, практически равной напряжению питания, поступают на вход CP счётчика DD1.1. Его выход 23 соединён с входом CP счётчика DD1.2, выход 23 которого, в свою очередь, соединён с входом C счётчика DD2. В результате три счётчика объединены в один с коэффициентом пересчёта 4194304.
После разрядки всех аккумуляторов транзистор VT2 закроется, а VT3 откроется. На входах R счётчиков DD1 и DD2 будет установлен низкий уровень напряжения, разрешающий их работу. При этом закроется и транзистор VT4, что включит стабилизатор DA1. Через аккумуляторы потечёт заданный переключателем SA2 ток.
На транзисторе VT7 выполнен датчик зарядного тока - при наличии этого тока падение напряжения на включённых в цепь зарядки резисторах R16, R17, R19 откроет этот транзистор. При этом светодиод HL3 в цепи его коллектора станет мигать с частотой около 1,6 Гц, поскольку катод светодиода соединён с общим проводом через транзистор VT6, на базу которого с выхода 20 счётчика DD1.2 поступают импульсы с такой частотой.
Упрощать схему, удаляя транзистор VT7 и соединяя резистор R18 непосредственно с выходом стабилизатора DA1, не стоит. В этом случае светодиод HL3 будет мигать даже в отсутствие зарядного тока вследствие нарушения контакта в цепи аккумуляторов.
На диодах VD8-VD11 и резисторе R13 выполнен дешифратор, на выходе которого высокий уровень напряжения появится спустя 14 часов после начала зарядки аккумуляторов. В результате через диод VD4 и резистор R4 потечёт ток, который откроет транзистор VT1, прекратив этим поступление счётных импульсов на вход CP счётчика DD1.1 и остановив дальнейший счёт.
Этот же высокий уровень через резистор R10 и диод VD13 поступит на базу транзистора VT4, открыв его и прервав этим работу стабилизатора DA1. Ток зарядки прекратится. Транзистор VT7 закроется, светодиод HL3 погаснет. Однако открывшийся транзистор VT5 включит светодиод HL2, сигнализирующий о завершении зарядки.
Роль конденсатора C5 - установка счётчиков в начальное состояние при включении питания. Поскольку в момент включения этот конденсатор разряжен, транзистор VT3 закрыт. Поэтому на входах R счётчиков присутствует напряжение высокого уровня, устанавливающее их в начальное состояние. После зарядки конденсатора C5 через резистор R9 транзистор VT3 откроется и установит на входах R счётчиков низкий уровень напряжения, разрешающий их работу.
Если будет решено для начала собрать просто разрядное устройство для нескольких аккумуляторов (левая часть схемы на рис. 1), рекомендую всё-таки заложить в его конструкцию разъём XS1, чтобы в дальнейшем можно было превратить его в полное разрядно-зарядное устройство. Если же решено сразу собирать устройство полностью, то разъ-ёмыXS1 иXP1 можно исключить, сделав соединения между узлами разрядки и контроля её окончания неразрывными.
Транзисторы ГТ403 могут иметь любые буквенные индексы. Вместо них можно применить транзисторы ГТ402, также с любым индексом. Подстроечные резисторы, конечно, лучше применить многооборотные СП5-2 или СП5-14. Транзисторы КТ312Б допускается заменить любыми маломощными кремниевыми структуры n-p-n, например КТ315Б.
Для трансформаторов T1 -T4 подойдут ферритовые кольца любого размера, лишь бы на них уместились по две обмотки из 20 витков провода ПЭЛ диаметром 0,15...0,23 мм. Кольца можно взять, например, из неисправного балласта КЛЛ. Если преобразователь не заработал, поменяйте местами выводы одной из обмоток.
Перед началом изготовления зарядного устройства с таймером по схеме, изображённой на рис. 2, необходимо определиться, какой максимальный ток зарядки оно должно обеспечивать. От этого зависят параметры и трансформатора T1, и теплоотвода для стабилизатора DA1. Я рассчитывал это устройство на одновременную зарядку четырёх аккумуляторов максимальным зарядным током 220 мА, поэтому применил трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 10...11 В при токе нагрузки 0,5 А.
Выпрямительный мост RC207 можно заменить на КЦ402 или КЦ405 с любыми индексами либо собрать мост из четырёх одиночных диодов с допустимым выпрямленным током не менее 500 мА и обратным напряжением не менее 50 В. Например, из диодов 1N4007, которые тоже можно выпаять из неисправного балласта КЛЛ. Требование по допустимому прямому току не менее 0,5 А предъявляется и к диоду VD15. Поэтому здесь установлен диод 1N4007, который можно заменить любым из серии КД226. Остальные диоды - любые кремниевые маломощные.
Поскольку напряжение, вырабатываемое фотодиодами оптронов, не превышает 0,5 В, транзистор VT2 должен быть обязательно германиевым МП35- МП38. К остальным транзисторам не предъявляется никаких особых требований, кроме допустимого напряжения не менее 15 В, поэтому они могут быть любыми маломощными соответствующей структуры.
Импортный интегральный стабилизатор напряжения LM317T можно заменить отечественным К142ЕН12А. Он установлен на теплоотвод с площадью поверхности рассеивания 50...100 см2. На каждый ватт рассеиваемой стабилизатором мощности необходимо иметь 15...20 см2 поверхности рассеивания теплоотвода.
Число положений переключателя SA2 зависит от числа значений тока зарядки, которые он должен устанавливать. Это необходимо решить перед изготовлением предлагаемого устройства в зависимости от имеющихся аккумуляторов. Например, у меня находятся в эксплуатации аккумуляторы ёмкостью 550 мА·ч, 1350 мА·ч и 2200 мА·ч. Поэтому в качестве SA2 я применил трёхпозиционный переключатель со средним нейтральным положением. В этом положении подвижный контакт переключателя не соединён ни с одним из неподвижных, и зарядный ток 55 мА задаёт резистор R16. В верхнем по схеме положении параллельно резистору R16 подключён резистор R17, зарядный ток равен 130 мА. В нижнем положении переключателя параллельно резистору Rl6 подключён резистор R19, зарядный ток равен 220 мА.
Светодиод HL1 синего свечения сигнализирует о включении устройства в сеть. Светодиод HL3 красного свечения в процессе зарядки аккумуляторов мигает. Включение светодиода HL2 зелёного свечения показывает, что время зарядки истекло и она прекращена. При этом, естественно, светодиод HL3 гаснет.
Налаживание устройства начните с разрядных ячеек. Для этого необходимы источник плавно регулируемого напряжения 0,8...1,5 В и включённый последовательно с ним миллиамперметр. Установите напряжение источника 1,2 В и подключите его к налаживаемой ячейке вместо аккумулятора. Если это верхняя по схеме рис. 1 ячейка, то после нажатия на кнопку SB1 должна включиться лампа HL1, а миллиамперметр показать ток разрядки аккумулятора.
Желательно проверить, находится ли транзистор VT1 в режиме насыщения, измерив вольтметром напряжение между его коллектором и эмиттером. Оно должно быть не более 0,15 В. Если необходимо, подборкой резистора R1 установите необходимые показания вольтметра. Уменьшив напряжение источника до желаемого порога отключения, вращением движка подстроечного резистора R2 добейтесь, чтобы разрядная ячейка выключилась.
Подборкой резистора R3 можно корректировать ток разрядки аккумулятора. Не забывайте, что лампа HL1 и узел определения окончания разрядки также потребляют ток от разряжаемого аккумулятора (соответственно 5...10 мА и 15...17 мА).
Наладив разрядную ячейку, переходим к проверке соответствующего ей узла определения окончания разрядки. Необходимо убедиться, что этот узел работает даже при напряжении 0,9 В - минимальном для разряжаемого аккумулятора.
Налаживание зарядного устройства с таймером заключается в подборке резисторов R16, R17 и R19 для получения необходимых токов зарядки и расчёте выдержки таймера. Рекомендую придерживаться рекомендаций производителя аккумуляторов. На каждом аккумуляторе написано, каким током и как долго его следует заряжать. Как правило, ток зарядки численно равен 0,1 ёмкости аккумулятора, при этом зарядка должна длиться 14...16 часов.
Сопротивление резистора R16 рассчитайте по формуле
R16 = 1,25/Iзар.min
где Iзар.min - наименьшее из трёх значение тока зарядки. Формула для расчёта остальных резисторов (R17 и R19):
R = 1,25/(Iзар. - Iзар.min)
где Iзар. - ток зарядки при подключении рассчитываемого резистора параллельно R16.
Длительность выдержки таймера рассчитана по методике, описанной в статье [2], - умножением периода следования импульсов на входе C счётчика DD2 (0,02x256=5,12 с) на сумму "весов" выходов этого счётчика, к которым подключены диоды VD8-VD11:
5,12x(27+29+210+213) = 5,12x(128 + 512 + 1024 + 8192) = 5,12x9856 = 50462,72с =14ч 1мин 2,72с
Несколько слов об упрощении устройства. Транзистор VT6 вместе с резистором R12 можно исключить из него, соединив катод светодиода HL3 с общим проводом. Но после этого в процессе зарядки аккумулятора светодиод HL3 станет светиться, не мигая. Можно исключить и транзистор VT5 вместе с резисторами R11, R15, диодом VD14 и светодиодом HL2. Тогда об окончании зарядки будет свидетельствовать лишь выключение светодиода HL3.
При пропадании напряжения в сети импульсы, поступающие на вход С счётчика DD1.1, также прекратятся. Если, однако, заряжаются три или четыре аккумулятора, питание на счётчики продолжит поступать через диод VD7, и оно будет достаточным для сохранения состояния счётчиков, достигнутого к моменту пропадания напряжения в сети. После возобновления подачи этого напряжения зарядка аккумуляторов продолжится. Если же заряжались один-два аккумулятора, напряжения которых недостаточно для сохранения состояния счётчиков, то при восстановлении сетевого питания счётчики начнут отсчёт времени зарядки с нуля. Это может привести к перезарядке уже частично заряженных аккумуляторов.
Чтобы избавиться от этой опасности, нужно, отключив анод диода VD7 от источника зарядного тока и заряжаемых аккумуляторов, подать на него напряжение +4,5...9 В от резервной батареи. Пока напряжение питания поступает на микросхемы DD1 и DD2 через диод VD6 от выпрямителя, диод VD7 закрыт и энергия резервной батареи не расходуется.
Литература
1. Сучинский А. Простое устройство разрядки аккумулятора. - Радио, 2012, № 2, с. 44.
2. Мединский Л. Простое экономичное реле времени. - Радио, 1988, № 1, с. 40-43.
Автор: А. Карпачев, г. Железногорск Курской обл.