Для питания переносных устройств нередко используют аккумуляторные элементы и батареи из них. Их ёмкость может быть различной, поэтому для зарядки требуется разный зарядный ток. А ЭДС, достижение которой означает полную заряженность, зависит от числа последовательно соединённых элементов в батарее. Возникает потребность в зарядном устройстве с широкими интервалами изменения этих параметров.
Предлагаемое устройство позволяет заряжать щелочные аккумуляторные элементы ёмкостью от 5 до 10000 мА·ч и батареи из них, содержащие 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14 или 16 элементов, соединённых последовательно. Далее в статье для обозначения и заряжаемых элементов, и батарей используется один термин - аккумулятор.
Устройство предоставляет возможность заряжать аккумулятор как прерывистым постоянным током, так и асимметричным током переменной полярности. Способ зарядки асимметричным током довольно часто рассматривался в литературе, например, в [1-3]. О его преимуществах и недостатках сказано много. Иногда он позволяет восстановить аккумулятор, потерявший ёмкость. Зарядный ток задают галетным переключателем на 11 положений. Значения этого тока фиксированы: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500 и 1000 мА. Нужное значение обычно численно равно десятой доле выраженной в миллиампер-часах номинальной ёмкости аккумулятора.
Структурная схема зарядного устройства показана на рис. 1. Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы. Они поступают на вход распределителя, формирующего интервалы времени для измерения ЭДС аккумулятора, его зарядки и разрядки. Эти три интервала образуют один зарядный цикл. Их длительности при зарядке асимметричным током относятся как 1:2:2, где первая цифра - относительная длительность измерения ЭДС, вторая - относительная длительность протекания зарядного тока 1з, третья - относительная длительность протекания разрядного тока 1р. Когда асимметрия выключена, это соотношение равно 1:2:0 (интервал разрядки исключён), зарядный ток при этом прерывистый.
Рис. 1. Структурная схема зарядного устройства
Измерение ЭДС заряжаемого аккумулятора происходит при отключённых стабилизаторах зарядного и разрядного тока. За ней следит компаратор напряжения. По достижении номинальной ЭДС он срабатывает, в результате чего узел управления останавливает распределитель в состоянии измерения ЭДС. В нём он может оставаться неограниченное время. Если ЭДС аккумулятора снизится, распределитель вновь будет запущен и начнётся зарядка.
Значения зарядного и разрядного тока задают соответствующие стабилизаторы в зависимости от положения имеющегося в устройстве переключателя. При этом ток зарядки всегда в десять раз больше тока разрядки. Чтобы упростить сопряжение микросхем зарядного устройства со стабилизаторами тока, их питание сделано двухполярным относительно общего провода. Сами стабилизаторы тоже питают двухполярным напряжением, причём положительное напряжение - регулируемое в зависимости от числа элементов в заряжаемой батарее. Это позволяет снизить мощность, рассеиваемую стабилизатором зарядного тока при зарядке аккумуляторов большой ёмкости, но малого напряжения.
Схема зарядного устройства показана на рис. 2. На элементах DD1.1, DD1.3, DD1.4собран генератор импульсов частотой около 150 Гц. Они поступают на счётчик DD3, на котором выполнен распределитель импульсов. Диоды VD5 и VD6 выполняют логическую функцию ИЛИ для сигналов с выходов 0 и 1 счётчика (выводы 3 и 2), формируя этим интервал времени для измерения ЭДС аккумулятора. Четыре диода VD7-VD10, выполняющих ту же функцию для сигналов с выходов 2-5 счётчика (выводы 4, 7, 10, 1), формируют интервал протекания зарядного тока. Ещё четыре диода VD11-VD14 объединяют сигналы с остальных выходов счётчика, формируя интервал разрядки.
Рис. 2. Схема зарядного устройства
Как уже было сказано, измерение ЭДС заряжаемого аккумулятора выполняется, когда цепи зарядки и разрядки от него отключены. По достижении номинальной ЭДС уровень напряжения на выходе компаратора напряжения на ОУ DA1 становится высоким (около +15 В). Это напряжение через ограничитель из резистора R22 и диодов VD3 и VD4 поступает на один из входов элемента DD2.2. На нём и на элементах DD1.2, DD1.5 и DD2.1 собран узел управления распределителем. Логически высокий уровень, установленный на входе (выводе 5) элемента DD2.2 компаратором, и такой же уровень, пришедший на второй вход (вывод 6) того же элемента с распределителя в интервале измерения ЭДС, переводят элемент DD2.2 в состояние с низким уровнем на выходе, что останавливает распределитель в положении измерения ЭДС.
Для надёжной фиксации распределителя в остановленном состоянии компаратор DA1 охвачен положительной обратной связью через резистор R20.
Эта связь создаёт небольшой гистерезис в характеристике переключения компаратора, что увеличивает его помехоустойчивость. ЭДС, при которой зарядка прекращается, равна 1,35...1,4 В на один аккумуляторный элемент. Этот уровень регулируют подстроечным резистором R19.
Заряжать можно и аккумуляторы с ЭДС, при которой зарядку следует прекращать, отличающейся от установленной в зарядном устройстве, но тогда за процессом зарядки придётся следить самостоятельно. Выключатель SA2 в замкнутом состоянии исключает воздействие компаратора DA1 на работу распределителя, в результате чего тот продолжает работу независимо от ЭДС заряжаемого аккумулятора.
Диоды VD1, VD2 и резистор R21 защищают входную цепь ОУ от повреждения высоким напряжением. Источник образцового напряжения для компаратора состоит из резисторов R1-R11 и переключателя SA1.1. Числа, обозначающие положения переключателя, соответствуют числу элементов в заряжаемой батарее.
Логический элемент DD2.3 инвертирует разрешающий зарядку сигнал с распределителя, элемент DD1.6 ещё раз инвертирует его, усиливает по току и подаёт на базу транзистора VT6, управляющего стабилизатором зарядного тока. О разрешении зарядки сигнализирует светодиод HL1 зелёного цвета свечения.
Элемент DD2.4 инвертирует сигнал интервала разрядки с распределителя перед подачей его на базу транзистора VT7, управляющего стабилизатором разрядного тока. О том, что работа этого стабилизатора разрешена, сигнализирует светодиод HL2 жёлтого цвета свечения. Когда зарядка аккумулятора завершена, светодиод HL1 гаснет, а если она выполнялась в режиме асимметричного тока, то гаснет и светодиод HL2. Диоды VD15 и VD16 ограничивают обратное напряжение на базах транзисторов VT6 и VT7, когда они закрыты.
Отключить асимметрию зарядного тока можно выключателем SA3. Когда его контакты замкнуты, элемент DD2.4 блокирует сигнал включения стабилизатора разрядного тока, а элементы DD1.2, DD1.5 и DD2.1 формируют сигнал, переводящий распределитель в состояние измерения ЭДС. Поэтому интервал разрядки в цикле работы зарядного устройства отсутствует, а ток зарядки прерывистый. Светится только светодиод HL1.
На транзисторах VT1, VT3 и VT4 собран стабилизатор зарядного тока. Значение тока зависит от сопротивления резисторов R29-R42, выбранных переключателем SA4.1. Транзисторы VT2 и VT5 стабилизируют разрядный ток, зависящий от сопротивления резисторов R47-R59, выбранных переключателем SA4.2.
Схема узла питания зарядного устройства показана на рис. 3. Большинство питающих напряжений получают из переменного напряжения обмотки 3-5 трансформатора T1, выпрямленного диодами моста VD19. Стабилизатор напряжения +/-15 В для питания ОУ DA1 выполнен на стабилитронах VD21-VD24 и резисторах R62, R63. Стабилитроны VD26, VD27 и резисторы R64, R65 образуют стабилизатор напряжения +/-4,7 В для цифровых микросхем .
Рис. 3. Схема узла питания зарядного устройства
Для питания стабилизатора зарядного тока предназначен выпрямитель на диодном мосте VD20 со ступенчатой регулировкой выпрямленного напряжения. Она производится переключением отводов вторичной обмотки 6-10 трансформатора T1 переключателем SA1.2, спаренным с SA1.1. Стабилизатор разрядного тока питается от обмотки 11-12 трансформатора T1 через нестабилизированный выпрямитель на диодном мосте VD25.
Собрано зарядное устройство в стальном корпусе размерами 180х200х х165 мм. На его передней панели размещены все переключатели, светодиоды и зажимы для подключения аккумулятора. На задней панели установлен держатель плавкой вставки ВПБ6-1 (FU1) и выведен сетевой шнур. Внутри корпуса находятся трансформатор T1 и монтажная плата размерами 170x190 мм. К плате прикреплён ребристый с одной стороны теплоотвод размерами 80х80 мм, с плоской стороны которого закреплены без каких-либо прокладок транзисторы VT3-VT5.
Трансформатор T1 мощностью 30...40 ВА изготовлен из предназначенного для питания галогенных ламп. Он имеет тороидальный стальной маг-нитопровод. Его первичная обмотка сохранена, а вторичная на 12 В удалена. Обмотка 3-5 намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 0,28 мм и содержит 180 витков с отводом от середины. Напряжение на каждой половине этой обмотки - 14 В. Обмотка 11-12 состоит из 39 витков такого же провода, её напряжение - 6,6 В. Многовыводная обмотка 6-10 намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 0,67 мм. Всего в ней 132 витка - по 33 в каждой из четырёх секций. Напряжение между выводами 6 и 10 - 22 В. Между выводами 9 и 10 - 5,5 В, между выводами 8 и 10 - 11 В, между выводами 7 и 10 - 16,5 В.
Переключатели SA1 и SA4 - галет-ные ПМ 11П2Н, выключатели SA2, SA3 - МТ1 или аналогичные импортные, SA5 - ТП1-2. В качестве зажимов XT1 и XT2 для подключения заряжаемого аккумулятора GB1 использован пружинный разъём для акустических колонок с двумя зажимами - красным и чёрным. К красному зажиму подключают плюсовой полюс аккумулятора, к чёрному - минусовый.
В устройстве использованы постоянные резисторы МЛТ, подстроечный резистор СП3-38а, оксидные конденсаторы К50-16 и аналогичные импортные, керамические конденсаторы К10-7в. Диодные мосты КЦ407А и RS107 можно заменить другими, аналогичными по параметрам.
Налаживание устройства начните с подборки резистора R26. Для этого подключите к зажимам XT1 и XT2 многопредельный миллиамперметр. Затем соедините двумя проволочными перемычками базу с эмиттером каждого из транзисторов VT6 и VT7. Подбирая резистор R26, добейтесь отсутствия тока через транзистор VT2.
Перед регулировкой стабилизатора тока зарядки соедините одной проволочной перемычкой коллектор и эмиттер транзистора VT6, а другой - базу и эмиттер транзистора VT7. Проследите за показаниями миллиамперметра в каждом положении переключателя SA4. Если ток значительно, более чем на ±5 %, отличается от требуемого, то подборкой соответствующего резистора доведите его до нормы.
Стабилизатор разрядного тока проверьте точно так же, но соединив перемычками базу транзистора VT6 с его эмиттером, а также коллектор с эмиттером транзистора VT7. Ток разрядки должен быть в десять раз меньше тока зарядки, устанавливаемого переключателем SA4. Если это не так, подберите соответствующие резисторы в стабилизаторе разрядного тока.
После выполнения описанных операций не забудьте удалить все перемычки. Теперь нужно отрегулировать пороговую ЭДС, при которой будет прекращаться зарядка. Для этого подключите плюсом к зажиму XT2, а минусом - к зажимуXT1 внешний регулируемый стабилизированный источник напряжения, нагруженный резистором, например, 100 Ом мощностью 1 Вт. Установите переключателем SA4 зарядный ток 2 мА, а переключателем SA1 - число заряжаемых элементов, равное шести, движок подстроечного резистора R19 переведите в положение минимального сопротивления (левое по схеме). Подстроеч-ным резистором добейтесь уверенного отключения зарядного тока при напряжении внешнего источника 8,1 ...8,4 В. Светодиод HL1, а если выключателем SA3 включён режим асимметричной зарядки, и светодиод HL2 при превышении этого напряжения должны гаснуть.
Чтобы после этой регулировки получить приемлемые значения ЭДС прекращения зарядки и в других положениях переключателя SA1, нужно подобрать резисторы R1-R11 со значениями сопротивления, максимально близкими к указанным на схеме, или использовать резисторы повышенной точности.
Литература
1. Скриндевский Н. Автоматическое зарядное устройство аккумуляторной батареи. - Радио, 1991, № 12, с. 28-30.
2. Яковлев Е. Низковольтное автоматическое зарядное устройство. - Радиоама-тор, 2005, № 7, с. 21.
3. Коновалов В. Пульсирующее зарядновосстановительное устройство. - Радиолюбитель, 2007, № 5, с. 30, 31.
Автор: А. Вишневский, г. Луганск, Украина