Микропроцессорное зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторов.

Срок службы аккумуляторов и их энергоемкость после заряда прямо зависят от точности выполнения рекомендаций производителя по режимам заряда/разряда. Описываемый ниже несложный прибор на базе микропроцессора фирмы Microchip автоматизирует процессы заряда и восстановления номинальной емкости аккумуляторов.

Эффективность зарядных устройств, в которых реализован принцип зарядки с постоянным током, общеизвестен очевиден. Однако для исключения перезарядки такие устройства должны иметь в своем составе систему контроля уровня заряда аккумулятора и предусматривать возможность автоматического отключения аккумулятора по окончании зарядки. Кроме того, общеизвестной является необходимость стабилизировать ток зарядки.

Еще одним недостатком многих зарядных устройств является невозможность разрядить частично разряженный аккумулятор, а частая зарядка не полностью разряженного аккумулятора ведет к постепенному снижению величины его номинальной емкости

Предлагаемый вниманию читателей прибор реализует принцип зарядки постоянным током. В приборе имеется программно реализованная функция полной разрядки аккумулятора, что позволяет проводить контрольно-тренировочный цикл для восстановления емкости в автоматическом режиме. Контроль уровня заряда и разряда аккумулятора производится встроенным в микропроцессор компаратором на протяжении всего времени заряда/разряда при подключенной к аккумулятору нагрузке Прибор может независимо производить заряд/разряд одного или двух аккумуляторов. После завершения зарядки автоматически производится отключение зарядно-разрядных цепей от аккумулятора путем перевода управляющих транзисторов в выключенное состояние Питание прибора может производиться от сетевого нестабилизированного источника постоянного напряжения 7... 12В. что удобно в быту. Максимальный ток источника напряжения должен превышать суммарный ток зарядки аккумуляторов.

Принципиальная схема прибора изображена на рис. 1.

Основа прибора— микропроцессор DD1PIC16C620, запрограммированный для работы с тактовым RC-генератором. Его времязадающая цепочка C2R2 задает частоту порядка 100 кГц.

Индикация режимов работы прибора производится с помощью светодиодов VD2, VD3.

Светодиод VD2 работает при подключении одного аккумулятора (контакты 1, 2 контактной колодки ХЗ), а светодиод VD3 работает при подключении второго (контакты 3. 4 контактной колодки ХЗ).

Длинные вспышки светодиодов обозначают режим разряда, короткие одиночные вспышки — режим заряда, пачки по три коротких вспышки — окончание заряда и отключение зарядно-разрядных цепей.

В случае отсутствия аккумуляторов зарядное устройство находится в режиме ожидания, и светодиоды не светятся.

В процессе заряда/разряда измерение напряжения на аккумуляторе производится каждые 10 ..20 с под нагрузкой (при включенной разрядной цепи). Напряжение на аккумуляторе сравнивается с эталонным. которое устанавливается на выводе 1 микропроцессора с помощью переменных резисторов R5 и R6 раздельно для режимов заряда и разряда.

Источниками тока для заряда аккумуляторов служат транзисторы VT1 и VT3. Если пренебречь падением напряжения на полевых буферных транзисторах микропроцессора, ток I заряда можно определить по формуле:

I зар = h21Э(Uпит - Uакк - Uбэ)/ Рб, (1)

где Uпит — напряжение питания 5 В; U21э — коэффициент передачи тока базы транзисторов VT1, VT3; Uакк — напряжение на аккумуляторах, которое в процессе зарядки будет изменятся в пределах от 0,9 до 1,5 В: Uбэ — напряжение база-эмиттер транзисторов VT1, VT3 (около 0,6 В): Рб —суммарное сопротивление резисторов в цепи базы транзистора VT1 или \/ТЗ.

Описанный выше упрощенный подход к расчету и конструированию источника зарядного тока не учитывает изменение U21э и Uбэ при нагреве транзисторов и изменение напряжения аккумулятора в процессе заряда. На практике это приводит к дополнительному ухудшению стабильности

зарядного тока. Вместе с тем на опытном экземпляре прибора при измерении величины зарядного тока в начале и в конце заряда аккумулятора емкостью 700 мА/ч разница токов составила 9 мА {при токе заряда 61.. .70 мА и при установке каждого транзистора на радиатор в виде прямоугольной пластины площадью 150 мм2). Очевидно, что погрешность, не превышающая 14%, вполне допустима для бытового зарядного устройства.

Нагрузкой в режиме разряда и при измерении уровня заряда аккумуляторов служат транзисторы VT2, VT4. Для установки тока разряда справедлива формула (1), но напряжение Uакк следует подставить равное нулю.

Элементы J1, J2, VD1, С1, DA1 образуют устройство коммутации и стабилизации напряжения. Если совместно с зарядным устройством предполагается использовать сетевой источник постоянного напряжения, у которого центральный контакт разъема соединен с плюсом, то разъем J2 на плату можно не устанавливать, а вместо VD1 можно установить перемычку. Если предполагается использовать сетевой источник со стабилизированным постоянным напряжением 4,5. .5В, то его можно подключить непосредственно к цепи +5 В, не устанавливая на плату DА1 и VD1.

Детали зарядного устройства смонтированы на двусторонней печатной плате размером 57 x 35 мм. Все транзисторы и стабилизатор напряжения DA1 расположены вдоль края платы и установлены на один Г-образный радиатор, но с обязательной изоляцией через слюдяную или фторопластовую прокладку

При установке переменных резисторов R7, R8 на внешнюю панель прибора и использовании соответствующей шкалы с указателем на оси движка резистора можно быстро менять ток заряда, перенастраивая прибор для заряда разных по номинальной емкости аккумуляторов. Такой технический прием расширит возможности прибора

Настройка зарядного устройства производится в специальном режиме. Для его включения необходимо нажать и удерживать кнопку SB2 “ Разряд”, перезапустить программу микропроцессора, кратковременно нажав кнопку SB1 “Сброс”, затем отпустить кнопку SB2.0 включении режима настройки будет сигнализировать непрерывное свечение светодиода УОЗ. Далее следует отрегулировать эталонныe напряжения заряда и разряда на выводе 1 микропроцессора. Для этого при светящемся светодиоде VD3 с помощью резистора R5 надо установить напряжение заряда 1,5 В. Далее следует нажать и отпустить кнопку SB2, при этом погаснет светодиод VD3 и начнет светиться светодиод VD2. С помощью резистора R6 необходимо установить напряжение разряда 0,9В.

Регулировка необходимого тока заряда производится с помощью резисторов R7, R8 в режиме заряда. Для перевода зарядного устройства в этот режим достаточно кратковременно нажать кнопку SA1 “Сброс”, а последовательно с аккумулятором подключить миллиамперметр.

При пользовании зарядным устройством включение режима заряда производится автоматически при подключении к разъему J3 разряженного аккумулятора или после его полного разряда в режиме разряда. Режим разряда включается кратковременным нажатием на кнопку SB2 “Разряд”. Принудительно прекратить разряд можно, временно отсоединив аккумулятор или нажав на кнопку SB1 “Сброс”. Во втором случае прекращение разряда произойдет сразу для двух аккумуляторов.

Изготовленный автором экземпляр прибора показал высокую надежность и практичность. За два-три контрольно-тренировочных цикла прибор восстанавливал емкость практически безнадежных аккумуляторов, тем самым, продлевая их ресурс.

Температурную нестабильность токов зарядки и разрядки можно значительно уменьшить, если резисторы R7, R8, R10. R11 перенести из базовых цепей транзисторов VT1 и VT3 в цепи их эмиттеров, при этом их сопротивление следует уменьшить примерно в 50 раз, а допустимая мощность рассеяния должна составлять 0,5 Вт. В цепи коллекторов транзисторов VT2 и VT4 следует включить резисторы, которые будут определять токи разрядки аккумуляторов, а сопротивление резисторов R12 и R14 уменьшить до величины, обеспечивающей работу транзисторов VT2 и VT4 в режиме насыщения (примерно 1 кОм) Расчет тока зарядки можно будет производить по формуле (1), исключив из нее коэффициент передачи тока базы U21Э.

Максим Гришко.

Обсудить на форуме