Oпубликовано множество схем устройств для зарядки никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов. В одних упор делается на простоту, в других — на широкие эксплуатационные возможности и т. д. В предлагаемой конструкции акцент сделан на безопасность зарядки. Устройство проверяет правильность подключения аккумулятора, автоматически отключает его по окончании зарядки, прекращает зарядку при нагревании аккумулятора выше заданной температуры.

Известно, что даже алгоритм быстрой зарядки (током 1 ...2С, где С — емкость аккумулятора) предполагает длительность процесса зарядки 1...5 ч [1]. Трудно представить, что все это время за процессом будет вестись наблюдение. И это притом, что именно быстрая зарядка является наиболее опасной. Даже при небольшом несоблюдении режима возможен разрыв корпуса аккумулятора со всеми вытекающими последствиями. Существенно более безопасна стандартная зарядка током 0,1 С, но она длится чересчур долго (до 14...16ч).

Описываемое устройство обеспечивает ускоренную зарядку (4...7 ч) одного Ni-Cd или Ni-MH аккумулятора емкостью от 250 до 1000 мА-ч. Широкий интервал тока зарядки отнюдь не способствует безопасности работы устройства из-за возможных ошибок пользователя при установке тока зарядки, поэтому предусмотрены различные способы защиты аккумулятора и самого зарядного блока. В результате получилось устройство, которое может показаться излишне сложным. Однако эта сложность окупится продленным сроком службы аккумулятора и спокойствием за противопожарную обстановку в квартире.

Возможность зарядки лишь одного аккумулятора обусловлена желанием обеспечить полную и, опять же, безопасную зарядку. Из технических характеристик устройства следует отметить "мягкий" режим ускоренной зарядки, автоматическое отключение аккумулятора после окончания зарядки, защиту от неверной полярности его подключения и от перегрева, индикацию режимов, звуковое оповещение об аварийном режиме и, наконец, довольно низкое напряжение питания (от 3,5 В), что в некоторых случаях может оказаться весьма желательным.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 1. Его основная часть — стабилизатор тока — состоит из трех узлов: задающего стабилизатора напряжения и двух идентичных по схеме регуляторов тока. Основной регулятор (DA6.1, VT3) обеспечивает ток зарядки, равный 0,1C, и работает на протяжении всего цикла.

Второй регулятор (DA6.2, VT4) — его можно назвать форсированным - выдает ток, равный 0,ЗС, и включается, когда напряжение на аккумуляторе больше 0,6В, но не достигло 1,4 В. В это время работают оба регулятора и, будучи включенными параллельно, питают аккумулятор суммарным током 0,4С. Это и есть "мягкий" режим ускоренной зарядки. Ограничения на работу форсированного регулятора тока обусловлены следующим.

Если аккумулятор сильно разряжен (напряжение на нем Uакк < 0,6 В), заряжать его большим током небезопасно, поэтому зарядка производится током 0,1C с участием только основного регулятора тока. Когда же напряжение Uaкк достигает 1,4В, форсированный регулятор отключается, так как это напряжение близко к предельному, и дальнейшую зарядку целесообразно производить стандартным током 0,1C.

По достижении Uaкк = 1,48В отключается и основной регулятор — зарядка прекращается. При этом светодиод HL3 ("Зарядка") гаснет, a HL1 ("Зарядка окончена") загорается. Диоды VD1, VD2 предотвращают разрядку аккумулятора после прекращения зарядки.

Оба регулятора являются источниками тока, управляемыми напряжением. Управляющее напряжение (относительно плюсового провода питания) формируется задающим стабилизатором напряжения DA3 и регулируется переменным резистором R23 (им устанавливают необходимый ток зарядки в зависимости от емкости аккумулятора).

Особенность примененных в регуляторах тока ОУ КР1446УД1А [2] — способность работать при низких напряжениях питания (от 2,5 В при однополярном), а главное, в том, что размах входных и выходных сигналов у них практически равен сумме напряжений питания. В нашем случае DA6.1 работает с входным напряжением, равным Us - Ur25 , где Us — положительное напряжение питания, a Ur25 — падение напряжения на измерительном резисторе R25. Последнее, по сути, является "копией" управляющего напряжения (как известно, напряжения на обоих входах ОУ, охваченного ООС, совпадают с точностью до напряжения смещения нуля). Таким образом, при зарядном токе 25 мА (для аккумулятора емкостью 250 мА-ч) Ur25 = 0,2 В. Это значит, что входное напряжение может быть всего на 0,2В меньше положительного напряжения питания ОУ DA6.1. Распространенные ОУ допускают работу с входными напряжениями не более (Us- 1,5...2) В.

То же можно сказать и о выходных напряжениях. В процессе зарядки DA6.1 обеспечивает выходное напряжение, равное Us - Ur25 - Uбэ VT3, где Uбэ VT3 — прямое напряжение на эмиттерном переходе VT3 (0,6...0,8 В). Для прекращения работы регулятора тока ОУ обеспечивает напряжение, равное Us, закрывая, таким образом, транзистор.

Все сказанное выше относится и к форсированному регулятору на DA6.2. Выключаются оба регулятора транзисторами VT1 и VT2 соответственно (точнее, это делает VT1, так как открывшись, он шунтирует резисторы R21, R23, с которых подается напряжение на входы обоих ОУ).

В выключенном состоянии выходной ток регулятора не равен нулю, так как не равно нулю напряжение на резисторе R25. Тому две причины. Во-первых, отлично от нуля сопротивление канала открытого полевого транзистора VT1, поэтому и напряжение Ucи VT1 составляет несколько милливольт. Вторая причина — напряжение смещения нуля ОУ DA6.1. В результате напряжение на резисторе R25 зависит от знака напряжения смещения нуля и равно Ucи VT3 ± Ucм DA6.1. В данном случае лучше использовать ОУ КР1446УД1А, у него напряжение смещения не превышает ±3 мВ, поэтому в выключенном состоянии регулятор выдает небольшой остаточный ток 1...3мА.

Точно так же ведет себя и форсированный регулятор тока. В результате после окончания зарядки стабилизатор тока поддерживает на аккумуляторе некоторое напряжение, препятствующее его разрядке за счет саморазрядки и тока утечки через цепи устройства. Причинить аккумулятору вред столь малый ток не может. Кроме того, такая особенность обеспечивает устройству стабильность при извлечении аккумулятора и поданном входном напряжении.

Ток, задаваемый основным регулятором, равен Uper/R25, где Uper — падение напряжения на резисторах R21+R23 (без учета напряжения смещения нуля ОУ DA6.1, его входного тока и тока утечки закрытого канала VT1). Uрег зависит от напряжения стабилизации DA3 (2,5 В) и коэффициента деления делителя напряжения R21—R23 (как отмечалось, оно отсчитывается от "плюса" питания). Ток, задаваемый форсированным регулятором, определяется аналогично. Обратимся теперь ко второй части устройства, состоящей из формирователя образцовых напряжений, компараторов, в качестве которых использованы ОУ микросхем DA4, DA5, и логического узла.

Как видно из схемы, напряжение с аккумулятора подается на входы компараторов DA4.1—DA4.4 не непосредственно, а через резисторы R14, R16—R18, чтобы избежать повреждения ОУ при вставленном аккумуляторе и отключенном питании зарядного устройства. Резисторы на "образцовых" входах устраняют погрешность, вызванную входными токами ОУ (но не разностью входных токов). "Образцовый" вход ОУ DA4.3 такого резистора не имеет, так как от этого компаратора высокой точности не требуется.

Компаратор DA4.1 определяет момент отключения форсированного регулятора тока (при достижении напряжения на аккумуляторе 1,4 В), DA4.2 — момент окончания зарядки и выдает сигнал на отключение основного регулятора тока. Резистор R24, создающий положительную обратную связь, формирует небольшой (около 40 мВ) гистерезис, позволяющий избежать неустойчивого состояния компаратора после прекращения зарядки.

Компаратор DA4.3 выдает сигнал на включение форсированного регулятора тока, когда напряжение на аккумуляторе превысит 0,6В, a DA4.4 "проверяет" правильность подключения аккумулятора: при неверной полярности регуляторы тока отключаются и пьезоэлектрический звонок НА1 выдает предупреждающий звуковой сигнал. Для определения полярности использована способность ОУ КР1401УД2А работать с входными напряжениями, меньшими напряжения питания отрицательной полярности.

Важная особенность описываемого устройства — контроль температурного режима заряжаемого аккумулятора. Он осуществляется с помощью датчика температуры DA2 и ОУ DA5.1. LM335Z — интегральный стабилизатор напряжения с линейной температурной характеристикой: его выходное напряжение увеличивается на 10 мВ при повышении температуры на каждый градус Цельсия. При температуре +25°С (298 К) выходное напряжение равно 2,98В. При разогреве аккумулятора примерно до +33°С срабатывает компаратор DA5.1, зарядка прекращается, загорается светодиод HL2 ("Перегрев") и раздается звуковой сигнал (такой же, как и при неправильной полярности подключения аккумулятора). Образцовые напряжения на компараторы поступают с формирователя, выполненного на DA1.

Логическое устройство на элементах микросхемы DD1 обрабатывает сигналы, поступающие с компараторов, управляет светодиодными индикаторами, звонком и регуляторами тока. Вместо К1401УД2А в устройстве можно применить микросхему К1401УД2Б, а также ее зарубежный аналог LM124. КР1446УД1А заменима микросхемой этой серии с индексом Б или В, однако при этом не исключена ситуация, когда остаточный ток (после отключения регуляторов тока) либо будет слишком большим, либо его не будет вовсе. И то, и другое нежелательно. КР142ЕН19А можно заменить зарубежным аналогом TL431 в любом исполнении.

Кроме указанных на схеме, в устройстве допустимо использование полевых транзисторов серии КПЗ0З с другими буквенными индексами, однако их напряжение отсечки должно быть не более 3 и, желательно, не менее 0,5 В. КТ814А могут быть заменены транзисторами этой серии с индексами Б, В. Экземпляр, который будет использоваться в форсированном регуляторе тока (VT4), должен иметь статический коэффициент передачи тока базы не менее 70 при токе эмиттера 300 мА. При соблюдении этого условия возможно применение транзистора серии КТ816. КТ3107А заменимы любыми из этой серии.

Диоды КД212 — с любым буквенным индексом. Светодиоды L-53LYD (желтого цвета свечения) и L-53LID (красного) фирмы Kingbright характеризуются малым рабочим током (светотехнические параметры нормированы при токе 2 мА) и могут быть заменены аналогичными с предельно допустимым прямым током не менее 7 мА. HL3 — любой светодиод зеленого цвета свечения. Пьезоэлектрический излучатель НА1 — НРМ14АХ фирмы JL World с встроенным генератором 34 (потребляемый ток — не более 7 мА). Для установки зарядного тока (R23) рекомендуется использовать проволочный переменный резистор, например, ППЗ-40, ППЗ-41, а для установки образцовых напряжений (R3, R6, R11) — проволочные многооборотные СП5-2, СП5-3 и им подобные.

Рис.2.

Детали зарядного устройства смонтированы на печатной плате, помещенной в пластмассовый корпус. Отсек для заряжаемого аккумулятора — открытый, в качестве контактов использованы контакты того же назначения от отечественного авометра М4317. Особое внимание необходимо уделить креплению термодатчика DA2 (рис. 2, поз. 4). Микросхема LM335Z имеет пластмассовый "транзисторный" корпус КТ-26 (ТО-92).

Его крепят плоской стороной к положительному контакту 2 аккумуляторного отсека через тонкий слой невысыхающей теплопроводящей пасты. Если между положительным выводом аккумулятора 1 и контактом 2 обеспечено низкое электрическое сопротивление, то и тепловой контакт будет хорошим. Необходимо помнить, что масса и площадь поверхности контакта и примыкающих к нему металлических частей должны быть как можно меньше.

Это обеспечит меньшую потерю тепла "по пути" от аккумулятора к датчику и, следовательно, увеличит точность определения температуры. Именно с этой целью под головки винтов 6, крепящих контакт 2 к основанию 8, подложены шайбы 7 из диэлектрика. Датчик 4 "прихвачен" к контакту отрезком провода МГТФ 5 (его концы припаяны к контакту) и по периметру корпуса залит тонким слоем эпоксидного клея. Стенка корпуса 3 служит упором, ограничивая отгиб контакта 2.

При зарядке на транзисторе VT4 выделяется мощность до 1,5 Вт, поэтому он установлен вертикально на дюралюминиевой пластине размерами 20x30x0,8 мм. На верхней стенке корпуса устройства расположены светодиоды HL1 — HL3 и переменный резистор R23, ручка управления которого снабжена круглой шкалой установки зарядного тока. В авторском варианте шкала проградуирована в значениях емкости (от 250 до 1000 мА-ч), так проще избежать ошибок в установке тока. Пьезоэлектрический звонок НА1 имеет небольшие размеры и жесткие выводы, поэтому установлен на плате без какого-либо дополнительного крепления.

Налаживание устройства начинают с калибровки термодатчика DA2. Вначале устанавливают на выводе 3 DA5.1 образцовое напряжение UT. Для этого подают на вход постоянное напряжение 4,5...5,5В, измеряют температуру Т (в градусах Кельвина) в месте установки зарядного устройства и вычисляют образцовое напряжение Uо6p = Т/100, соответствующее этой температуре. Напомним, что температура в градусах Кельвина равна температуре в градусах Цельсия + 273. Затем измеряют реальное напряжение Uизм на выводе 2 DA2 (или, что то же самое, на одноименном выводе DA5.1) и рассчитывают сдвиг температурной характеристики DA2 по формуле ∆ = Uo6p - Uизм . После этого резистором R3 устанавливают образцовое напряжение Uт = 3,06 - А (с учетом знака сдвига).

Затем подстроечными резисторами R6 и R11 последовательно устанавливают образцовые напряжения 1,4 и 1,48В соответственно (допустимое отклонение — не более ±0,02 В).

В заключение градуируют шкалу переменного резистора R23. Для этого к контактам аккумуляторного отсека подключают амперметр, подают на вход напряжение 4,5...5,5В и поворотом движка резистора R23 добиваются тока, равного 25 мА. На шкале отметку, соответствующую этому значению тока, обозначают как 250 мА-ч. Аналогично калибруют отметки 350, 500, 750 и 1000 мА-ч.

М. Богданов

Литература:

1. Виноградов Ю. А. Радиолюбителю-конструктору: Си-Би связь, дозиметрия, ИК техника, электронные приборы, средства связи. — М.: ДМК, 1999.

2. Бирюков С. Применение микросхем серии КР1446. — Радио, 2001, № 8, с. 47.

Материал подготовил С. Струганов (UA9XСN).