Сегодня, когда уже нужно платить серьезную цену за обычную сухую батарею, а элементы продолжительного действия чрезвычайно дороги, странным выглядит их еженедельная замена. А именно это приходится делать в детских игрушках "мигалках". Их миниатюрные моторы потребляют большой ток, и батарейки быстро "садятся".
Экономичнее было бы использование подзаряжающихся элементов-аккумуляторов, особенно тогда, когда приходится осуществлять около 1000 зарядок и разрядок. Стоимость аккумулятора (естественно, она выше, чем у батарейки) сравнительно быстро окупается. Но цена соответствующего зарядного устройства сильно "кусается", поэтому лучше собрать его самим, причем с характеристиками, не хуже чем у профессионалов [1].
Обычным зарядным устройством можно зарядить NiCd-аккумуляторы с размерами типа "карандаш", "бэби", "голиаф". Предлагаемое зарядное устройство действует по принципу т.н. медленных устройств — это означает, что зарядка происходит в течение 12...15 часов током 0,1*С (С — емкость аккумулятора). К примеру, аккумулятор на 1 А/ч заряжается током в 100 мА. Чем меньше зарядный ток, тем ниже скорость увеличения напряжения в области перезарядки. При уровне зарядного тока в 0,1*С вредное возрастание напряжения при перезарядке пренебрежимо мало.
При медленной зарядке аккумулятор не нагревается даже в случае перезарядки, так что не нужно с помощью электронных устройств следить за температурой. Заряд определяется временем (12 или 14...15 часов, в зависимости от размеров аккумулятора).
Чтобы избежать эффекта "памяти", зарядное устройство вначале разряжает аккумулятор до "глубины разрядки" в 1В на каждую секцию (элемент). Впервые эффект памяти обнаружили космонавты при полетах в космос, для них он был неприятным и опасным сюрпризом. Эффект заключается в том, что не полностью разряженный аккумулятор "помнит" свою предыдущую емкость и, будучи снова полностью заряженным, при разряде склонен отдать только такой заряд, как и в предшествующем цикле. Явление проявляется в том, что напряжение в цепи нагруженного аккумулятора внезапно, раньше времени, падает.
Если аккумуляторы полностью не разрядить, может проявиться переполяризация, приводящая к разрушению пластин. Этого можно избежать с помощью данного зарядного устройства.
Принцип работы
На рис.1 приведена принципиальная схема, с помощью которой можно проследить принцип функционирования. Из нее видно, каким образом одновременно могут заряжаться от 1 до 6 NiCd-элементов, соединенных последовательно. Однако из-за опасности переполяризации должны заряжаться аккумуляторы только одинаковой емкости (а также, насколько возможно, одного времени изготовления, одинаковой длительности использования, происходящие от одного изготовителя и одинаковой марки). Естественно, допускаются не полностью разряженные элементы.
Рис.1.
Переключателем К2 можно выбрать номер элемента, а переключателем К1 — установить соответствующий зарядный ток в 0,1С. Зарядный ток можно подстроить к уже имеющемуся набору аккумуляторов. Зарядный ток поступает от генератора тока Т6. Если в точке соединения R16, R17 нулевой потенциал — горит D5, и при включенном К1 ток течет через элементы.
Предварительная разрядка проводится также с помощью генератора тока Т7; напряжение питания этого генератора дает аккумулятор. Генератор тока берет энергию из аккумулятора только тогда, когда потенциал в точке R16, R17 близок к Uпит. В это время горит D6.Так как светится или D5, или D6, на приборе отображается режим работы — "зарядка" или "разрядка". Выбранная величина разрядного тока (примерно 200 мА), хотя и не для каждой емкости аккумулятора соответствует величине 0,2*С все-таки достаточна для сильно разряженного элемента.
При включении устройства через элементы С2, R4 производится сброс счетчика IC1. На выводе 3 IC1 устанавливается низкий уровень. На выходе 13 компаратора IC3/2 — низкий уровень. Элементы D3, D4, R15 образуют "монтажное ИЛИ" по логической "1", следовательно, на выводе 8 IC3/1 — низкий уровень. В результате этого высокий уровень напряжения с выхода 14 компаратора IC3/1 разрешает работу вентиля G3 и открывает ключ на транзисторах Т2, Т3, соединенных по схеме Дарлингтона. Этот ключ своим напряжением насыщения снижает напряжение питания генераторов тока.
После подключения к устройству элементов, требующих подзарядки, компаратор IC3/3 определяет, опустился уровень напряжения нижнего элемента ниже опорного уровня 1В или нет. Предположим, что элемент недостаточно разряжен. В этом случае на выходе компаратора — высокий уровень, так как его UBx > Uonop. Собранный на вентилях G1, G2 микросхемы IC2 RS-триггер устанавливается в нулевое состояние, следовательно на его инверсном выходе — логическая "1". Генератор времени IC1 (на основе счетчика с элементами таймера C1a, 1b, R1, R2) остановлен, так как через открытый транзистор Т1 низким уровнем запрещена генерация.
Высокий уровень с выхода триггера через G3 и G4 управляет эмиттерным повторителем на транзисторах Т4, Т5, на выходе которого также формируется высокий уровень напряжения. Чем ближе этот уровень к напряжению питания, тем лучше, т.к. тем лучше заперт генератор тока Т6. Таким образом, "нижний" генератор тока Т7 начинает разряжать аккумуляторы. Горит светодиод D6 "разрядка".
Когда напряжение нижнего элемента становится ниже опорного напряжения 1В, компаратор IC3/3 переключается и устанавливает RS-триггер в состояние "0". Вследствие этого запрещается работа вентиля G3, и эмиттерный повторитель Т4, Т5 отключает генератор Т7 и подключает Т6. Соответственно гаснет индикатор D6 "разрядка" и зажигается D5 "зарядка". Транзистор Т1 запирается, и начинает работать генератор IC1. Во время зарядки напряжение на нижнем элементе быстро превышает уровень в 1В, тогда на выходе компаратора IC3/3 снова устанавливается высокий уровень.
Через 12 часов с момента начала зарядки на выводе 3 IC1 устанавливается высокий уровень. При появлении низкого уровня на выводе 2 IC1 через элементы С3, R6 срабатывает RS-триггер, и через Т1 останавливает генератор времени. Высокий уровень с вывода 3 IC1 поступает на индикатор D1 "готов", который сигнализирует об окончании зарядки.
Через диод D3 высокий уровень поступает на компаратор IC3/1, который, переключаясь в ноль, соответственно запирает ключ на транзисторах Т2, Т3, и через элементы G3, G4 - эмиттерный повторитель на транзисторах Т4, Т5. Светодиод D5 "зарядка" и генератор тока Т6 отключаются от напряжения питания. Аккумуляторы отключены от нагрузки, так как диод D7 предотвращает попадание напряжения аккумулятора на Т6. Данное состояние сохраняется до тех пор, пока устройство не будет отключено от сети.
Если перед разрядкой или в процессе зарядки напряжение опорного элемента превышает 1,65В, состояние компаратора IC3/2 изменяется (низкий-высокий) и зажигается светодиод D2 — "перезарядка". Компаратор IC3/1 снова отключает напряжение питания генераторов тока. Таким же способом можно выявить аккумуляторы, которые до начала зарядки имеют напряжение, большее, чем 1,65 В.
Устройство получает стабилизированное напряжение питания +15В от блока питания через IC4. В блоке питания имеется выпрямительный мостик Gr с буферным конденсатором Сб. Трансформатор Тг преобразует сетевое напряжение до требуемого низкого.
Рис.2.
Детали
Печатная плата зарядного устройства приведена на рис.2. Полный аналог счетчика-делителя на 14 CD4060 отсутствует. Можно рекомендовать применение интегрального таймера КР1006ВИ1 (аналог LM555) в режиме генератора с делителем на выходе на основе счетчиков КМОП (К561ИЕ16). Для остальных элементов можно использовать следующие аналоги:
- LM339N — К1401СА1;
- 4011 — К561ЛА7;
- ВС182В —КТ3102;
- ВС212В — КТ3107;
- BD242 — КТ816А;
- ВС301—КТ817А;
- 7815 —К142ЕН8В;
- В40С1000 —КЦ405;
- 1N4151— КД522;
- 1N4001 — КД522;
- D1 — АЛ307AM (зеленый);
- D2, D5 — АЛ307АМ (красный);
- D6 — АЛ307ЕМ (желтый).
I. Kekesi
Литература:
1. Hobby Elektronika, №7/1996.
