Например TDA7294

РадиоКот >Схемы >Питание >Зарядные устройства >

Теги статьи: Добавить тег

Зарядное устройство для четырех Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов размера АА и ААА.

Автор: Павлов Александр
Опубликовано 18.08.2010

Все началось с того, что потребовались аккумуляторы для фотоаппарата в количестве четырех штук, а значит нужно и зарядное устройство для их оперативного заряда и поддержания в рабочем состоянии. Было куплено китайское "чудо" за хорошие деньги в солидном магазине, под наименованием: Зарядное устройство Lenmar PRO290.
Портативное зарядное устройство. Позволяет заряжать 2 - 4 АА и ААА аккумуляторы. Современный дизайн и маленькие размеры. При зарядке избавляет аккумуляторы от "эффекта памяти". Показывает состояние процесса заряда аккумуляторов при помощи индикатора. Наилучшее решение для зарядки пальчиковых аккумуляторов. Комплектация: PRO290R (4 Ni-Mh аккумулятора AA 2500 мАч)

Описание комплекта вполне устраивало, но нельзя верить обещаниям китайцев. Вскрыл, срисовал схему:

Схема 1

Никаких защит и измерений там нет, тем более, не говоря о схеме избавления от эффекта памяти. Есть обычный таймер на 9 часов и два ключа управления током заряда. Об аккумуляторах в комплекте, отдельная тема, опишу далее.
Пережив разочарование, отложил все это в "долгий ящик", на всякий случай, ведь куплено уже и вдруг пригодится куда-нибудь. Покупать еще одно, более дорогое и навороченное не стал, никаких гарантий в том, что получу желаемое. Решено делать собственную конструкцию ЗУ. Порывшись в интернете, ничего не нашел из того, что могло заинтересовать. Встречались схемы, заслуживающие внимания, но как всегда, пусть хоть чего-то, но не доставало. По большому счету, нужно было именно независимое обслуживание аккумуляторов, а не в составе батарей. Свое пришлось делать в другом корпусе, с применением микропроцессора, с контролем всех необходимых параметров при заряде и разряде, отображением результатов на ЖКИ, или передачи в компьютер, с независимым зарядом/разрядом каждого из четырех аккумуляторов. Вопрос корпуса решен просто, купил за 130р. еще одно зарядное устройство, выкинул все внутренности, кроме клемм подключения, заплавил ненужные отверстия, ну и добавил нужные. Получилось достаточно миниатюрно, значит можно брать в дорогу, вопрос подключения к компьютеру, сам собой отпал (но может со временем реализую).
Внешний вид, из чего все собиралось:

(тестовый вывод на ЖКИ, питание от программатора)
Схема приведена ниже.
Алгоритм работы зарядного устройства задуман следующий: При включении питания производится проверка наличия аккумуляторов, подачей тока заряда и измерение напряжения на клеммах, если в пределах от 0,8В до 2.2В то считаем, что аккумулятор есть. Проверяем, было ли аварийное отключение питания, если было, то загружаем из памяти EEPROM сохраненные ранее параметры (в цикле заряда сохраняем все каждые 10 минут). Если отключения не зафиксировано, то начинаем новый цикл, режимы которого выбираются из памяти EEPROM, такой же, который был выбран ранее. Его можно изменить нажатием кнопки, после этого, новые параметры сохраняются в памяти. Выбор одного из 16 записанных режимов, позволяет заряжать и тренировать большой ассортимент существующих аккумуляторов. При желании можно корректировать в EEPROM свои индивидуальные настройки, особых проблем в этом нет. Однократное нажатие кнопки не изменяет режима, но включает цикл разряда аккумуляторов, перед их зарядом. Разряд осуществляется стабильным током 0,36А и подсчитывается время разряда до напряжения на аккумуляторе 1В, таким образом получаем реальную емкость или просто тренируем аккумулятор, для уменьшения "эффекта памяти". Далее включается режим заряда, окончание которого может произойти при достижении заданного напряжения, или при превышении температуры аккумулятора, или по истечении заданного времени заряда. Окончание заряда по изменению напряжения dU пока не реализовано, по причине его сложного определения у старых аккумуляторов и при токе заряда, значительно меньшем 1С. На самом деле, никаких препятствий тут нет, кто сильно захочет, нужно просто изменить программу. По окончании цикла заряда, происходит "капельная подзарядка" аккумуляторов короткими импульсами, длительностью около 10мС с интервалом 120мС, при этом усредненный ток около 30мА. В зарядном устройстве реализован принцип реверсивного заряда, для улучшения зарядных характеристик аккумуляторов, более подробную информацию можно найти в интернете. Соотношение зарядного и разрядного импульсов равно 8%, т.е. 10мС разряд током 0,36А, в общем цикле заряда 120мС, током 0,39А, таким образом, средний ток заряда тоже равен 0,36А. Эти величины токов выбраны из многих факторов: удобство расчетов, универсальность при заряде широкого спектра аккумуляторов, уменьшить нагрев устройства, но и не затягивать процесс заряда, бывает нет возможности ждать 10-14 часов. Испытания на практике показали вполне хорошие результаты, но не сразу. Потребовалась доработка стабилизаторов тока заряда и снижение напряжения питания до 3,2В. Это была плата за миниатюрность. Даже в окончательном варианте, во время заряда, рассеиваемая мощность на стабилизаторах, чуть меньше 3Вт. Это приводит к частичному нагреву платы и повышению температуры внутри корпуса. Поэтому, контроль температуры выполняет функции датчика превышения заданного предела, а не ее точного измерения во всем диапазоне. Сразу могу представить множество советов, использовать готовые термометры, типа DS18B20, но вопрос не в измерении, а в излишках тепла внутри корпуса. Калибровались датчики в реально рабочей области температур, от +35°С до +46°С, выше аккумуляторы не прогревались, даже в такую жаркую погоду этого лета. Температуру менее +30°С тоже принимать во внимание нет смысла. Это пока единственный минус устройства, который меня немного раздражает, но планирую устранить его в будущем. Была мысль вынести датчики на внешнюю поверхность аккумуляторов, но тогда надо изобретать какую-то крышку с проводками, не всегда удобно. Была мысль совместить БП и плату микропроцессора, а контейнер с аккумуляторами отдельно, тоже не идеал, слишком много проводов, да и все придется переделывать. А пока, все это прекрасно работает и выполняет поставленные задачи.
Немного об измерении внутреннего сопротивления. Параметр очень интересен и полезен именно для анализа состояния аккумулятора, много схем и методик его определения, но средствами данного зарядного устройства можно определить только его ориентировочное значение. В упрощенном варианте берется два замера напряжения, первый при действующем зарядном токе, а второй в самом конце разрядного импульса тока, разница падения напряжения на аккумуляторе делится на удвоенный ток, т.к. есть два приращения dU при токе заряда и при токе разряда: r=(Uз-Up)/(0.36*2). Результаты замеров внутреннего сопротивления нескольких новых аккумуляторов были в пределах от 0,03 Ом до 0,05 Ом, а проверка старых (эксплуатация более 2-х лет) показала значение сопротивлений от 0,07 Ом до 0,16 Ом. Причем эти показания непрерывно меняются, начиная от своего максимального значения, затем уменьшаются до минимума в конце цикла заряда.
Теперь о блоке питания. Планировалось изготовление собственного импульсного блока питания на напряжение 3,3В и ток 2А, но в продаже нашелся подходящий по конструкции, размерам, параметрам и по цене 470р. Совершенно случайно, ну просто от нечего делать, срисовал с него схему и при желании, можно повторить эту конструкцию.
Вот так выглядит купленный БП:

Собран он по такой схеме:

Трансформатор разматывать не стал, но его параметры приблизительно такие:
Феррит ЕЕ-16 (или ЕЕ-19), с зазором 0,1мм;
Первичная обмотка около 95 витков провода ПЭВ-0,2 (индуктивность 1,3мГн);
Вторичная обмотка 4 витка двойным проводом ПЭВ-0,51 (или МГТФ-0,2);
Все лишние резисторы в цепях регулировки лучше удалить, чтобы ошибочно не переключить на более высокое напряжение. Оптимально питание от 2,8В до 3,3В. При завышенном напряжении, происходит более сильный разогрев стабилизаторов тока заряда, а при заниженном, может не хватить порога открытия полевого транзистора (реальные замеры показали Ugs=1.9B при Is=0.38A).
В общем, каждый решает сам, что делать, а что купить. После некоторых усилий по сборке и написанию программы, получилось достаточно универсальное зарядное устройство.
Вот так оно выглядит:

В окончательном варианте схема такова:

Состоит из четырех одинаковых узлов управления токами заряда и разряда, со схемой измерения температуры каждого аккумулятора. Управляет всей схемой микропроцессор PIC16F876A. Вывод информации на индикатор от сотового телефона Nokia-3310. Для повышения точности замеров, применен внешний формирователь опорного напряжения +2,5В. Первоначальный вариант имел стабилизаторы тока заряда на биполярных транзисторах KT664A-9, как следствие, необходимо было обеспечить достаточный ток базы, это требовало питать устройство от +4В и завышенный ток от порта микропроцессора. Естественно, разогрев был значительный, особенно с закрытым корпусом, все проблемы тянулись по цепочке. Поэтому, пришлось отказаться от биполярных транзисторов, применить полевые с p-каналом, перевести все на пониженное питание (реально в моей схеме +3,1В). Стабилизаторы тока разряда на полевых транзисторах с n-каналом типа IRLML2502, но можно применить и другие с аналогичными параметрами. Примененное схемное решение обеспечивает устойчивую работу и сохранение стабильности токов, при достаточно широком диапазоне рабочих напряжений, к тому же, это всего лишь зарядное устройство, а не измерительный прибор. Иногда достаточно оценить качество заряжаемых аккумуляторов, что можно от них получить после заряда.
Вот небольшой пример. Имеются очень старые аккумуляторы, от разобранной батареи для радиостанции (на фото выше, желтые без обозначений), валялись в хламе где-то с 2001г. а сами они и того старше. Параметры батареи были следующие: напряжение 12В, емкость 600мАч, Ni-Cd. Там их было 10 штук соединенных последовательно. Перед зарядом, измерение остаточного напряжения показало, что их проще выкинуть, на каждом примерно по 0,02: 0,06В. В начале, зарядное устройство их не распознало вообще (что логично до уровня 0,8В), и "капельным зарядом" за 10 минут подняло напряжение выше 0,8В. Потом уже включился реверсивный заряд, длился совсем не долго, напряжение поднялось аж до 1,9В (контроль был отключен, как выяснилось, иногда так бывает полезно), а потом постепенно снизилось до 1,55-1,65В. Аккумуляторы было не жалко, поэтому на них настраивал все токи, напряжения, отлаживал алгоритм заряда. По окончании всех работ, после 4 полных циклов заряда-разряда были получены следующие параметры: закачано при заряде 0,83 А/ч (2,3часа*0,36А), максимальное напряжение при этом было 1,49В, измеренная емкость в цикле разряда 0,43-0,45 А/ч, внутреннее сопротивление 0,12 Ом. Что можно считать вполне сносными показателями для аккумуляторов на выброс, восстановились до 70% своей емкости. Если еще учесть, что разряд происходил завышенным для них током в 0,5С, то эти показатели очень радуют. Теперь "старички" работают в беспроводной мышке, хватает на несколько дней активного использования. А вот китайские Lenmar-2500мАч вообще разочаровали. Вместо обещанных 2,5 А/ч, еле дотягивают до 1,4 А/ч, причем разрядный ток для них в 0,36А (менее 0,2С), можно считать нормой. Все это после четырех полных циклов работы в фотоаппарате, а заряде в купленном в комплекте зарядном устройстве. В конце каждого цикла заряда аккумуляторы были достаточно горячими. Все это о той информации, которую можно получить в процессе работы. Как видим, для анализа особой точности тут не требуется.
Далее о конструкции. Светодиоды зеленые, чтобы не "били по глазам" яркость подбирается резисторами. Непрерывное свечение обозначает, что идет заряд аккумуляторов, одновременно символ каждого элемента показывает этот процесс. Мигающий светодиод означает, что аккумулятор заряжен, и символ элемента полностью темный, при этом продолжается процесс "капельной подзарядки". В верхней строке можно видеть, сколько прошло времени от момента начала цикла работы с данными аккумуляторами, но особой ценности это время не представляет, так, для общего представления. Далее, каждые 4 секунды идет смена информации об аккумуляторах и отображается символьное обозначение параметра за вертикальной чертой:
Q=...А/ч - емкость, измеренная при разряде
Е=...А/ч - емкость, принятая при заряде
R=....Ом - внутреннее сопротивление аккумулятора
t=:°C - температура аккумулятора
Вот примеры вывода:

Непрерывно выводится на индикатор номер аккумулятора. Если он установлен, то его символ с индикацией заряд/разряд/окончен и текущее напряжение. Если в зарядном устройстве менее 4 аккумуляторов, или имеется плохой контакт, то в свободной позиции под соответствующим номером выводится надпись "OFF". В нижней строке краткое напоминание о режиме работы зарядного устройства, в частности:
аккумуляторы 2,5А/ч (ограничение времени заряда 8ч 20мин)
отсутствие контроля по напряжению (мах 2,5В)
максимальная температура окончания заряда 45°C.
Режим работы и параметры меняются единственной кнопкой. При нажатии обнуляем все переменные, т.е. начинаем новый цикл работы, на ЖКИ видим установленные ограничения: емкость батареи (для расчета времени заряда), максимальное напряжение, максимально допустимую температуру. Всего можно выбрать один, из 16 заранее записанных режимов в памяти EEPROM. Этот набор можно корректировать под собственные нужды и имеющиеся аккумуляторы. При программировании, достаточно внести соответствующие изменения в таблицу EEPROM. Структура записи следующая:
в 00 ячейке емкость аккумулятора (вернее время его заряда в десятках минут)
в 01 ячейке максимально допустимая температура
в 02 ячейке максимальное напряжение заряженного аккумулятора
в 03 ячейке 00 (пока зарезервировано)
далее в той же последовательности для второго режима:
в 04 ячейке емкость аккумулятора
в 05 ячейке максимально допустимая температура
в 06 ячейке максимальное напряжение заряженного аккумулятора
в 07 ячейке 00
Так заполнена вся таблица для шестнадцати режимов, т.е. 16 раз по 4 ячейки, всего 64 байта. Все числа в шестнадцатеричном формате, означают следующее:
Температура в градусах, т.е 45°C =.45 = 0x2D это и есть число соответствующее температуре.
Максимальное напряжение записывается из расчета, что 1,45В = .145 = 0x91
Емкость аккумулятора в 1А/ч = .20 =0x14 (т.е. для гарантированного заряда (1/0,36)*120%=3,3часа ).
Это определяет, что аккумулятор может заряжаться максимально возможное время 20*10=200 минут или 3ч.20м. и если за это время, заряд не будет отключен по превышению напряжения, или температуры, то он прекратится по заданному времени.
По умолчанию записаны следующие параметры режимов для аккумуляторов:
восемь из них это 700мА/ч, 1А/ч, 1,3А/ч, 1,5А/ч, 1,8А/ч, 2А/ч, 2,5А/ч, 2,7А/ч с ограничением температуры в 43°C и максимальным напряжением окончания заряда 1,45В.
другие восемь те же самые, но без контроля максимального напряжения и предельной температурой 45°C.
В будущем, планирую исключить режимы, не используемые вообще (ну нету, например, таких аккумуляторов), но расширить те, которые используются часто. Это можно сделать легко, изменив данные в EEPROM. Содержимое ячеек, начиная с адреса 0х40 и далее, трогать не следует. Там записываются текущие сохраняемые параметры.
Обращаю внимание! Устройство не должно применяться для заряда обычных батареек размеров АА или ААА. Если включен режим заряда без контроля максимального напряжения, или оно установлено более 1,5В, то устройство попытается зарядить такие батареи, со всеми негативными последствиями этого процесса.
Теперь немного о внутренностях зарядного устройства. Приводить свой вариант печатной платы нет смысла, ввиду необходимости доработки (на каждом канале удалить КТ664 и на его место установить IRF7306 в паре с КТ3107 или BC856, немного подкорректировать печатные проводники). Для общего представления, платы имеют такой вид:

Светодиоды пока не распаяны. На внешней стороне корпуса только разъем питания и кнопка выбора режимов. Перед окончательной сборкой, не мешает проверить исправность всей платы и подобрать некоторые элементы, если потребуется. В моем варианте все заработало сразу и без настройки. Для запуска тестовой программы, удерживать кнопку нажатой и подать питание. Далее, кнопкой можно будет переключать три режима работы:
1 Включен заряд (проверка и настройка тока заряда на 0,39А)
2 Включен разряд (проверка и настройка тока разряда на 0,36А)
3 Измерение температуры (калибровка датчиков и подстройка температурного диапазона)
В третьем тестовом режиме на ЖКИ выводится измеренная температура с каждого датчика, при значительном разбросе подобрать резисторы в цепи соответствующего диода. Подстройка диапазона осуществляется подбором R11 C14 (см. схему).
Были попытки моделировать схему в Протеусе, все работало до определенного этапа, пока в программе не появилась задача фильтрации замеров АЦП, простейшим методом накопления и усреднения значений. Сразу же возникли проблемы, все периоды циклов, а так же обновление ЖКИ, жутко растягивались, терялась привязка к реальному времени. В процессе отладки на живом микропроцессоре никаких подобных "тормозов" нет, а показания замеров очень стабильны. Поэтому, там все проверялось на уровне отдельных узлов, выкладывать которые нет смысла. Существующее зарядное устройство проверено и уже работает, но разработка программы пока окончательно не завершена. Даже за время написания этого текста, возникли несколько новых идей по улучшению работы и добавлению новых функций. При желании программисты смогут сами реализовать любой алгоритм работы, тут только основной принцип, как управлять независимым зарядом четырех аккумуляторов. Знатоков прошу не судить строго, я электронщик, а не программист. Прошу прощения, если все описано сумбурно, торопился побыстрее закончить к началу конкурса.
Будут вопросы, постараюсь ответить.

Файлы:
Прошивка МК.

Вопросы, как обычно, складываем тут.




Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

66 1 0
8 1 1