Многофункциональное зарядное устройство Ni-Cd/Ni-mh аккумуляторов на контроллере max713



Скачать 123.95 Kb.
Дата27.11.2017
Размер123.95 Kb.


Г. Ганичев

E-mail: ganichev@masterkit.ru

Многофункциональное зарядное устройство Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторов на контроллере MAX713
Разработанное электронное зарядное устройство позволяет заряжать Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторы и батареи в режиме быстрого заряда с последующим переходом в режим “капельного” подзаряда. Устройство заряжает от 1 до 16 аккумуляторов и имеет встроенный таймер на 45…264 мин, прекращающий процесс заряда. Уровень и остановка быстрого заряда определяется по V-методу контроллером MAX713. Небольшие размеры, высокие эксплуатационные характеристики, надежность, простота в изготовлении и настройке и низкая стоимость делают это устройство крайне привлекательным. Собрать зарядное устройство можно из набора “Мастер Кит” NM8022.
На сегодняшний день рынок бытовых приборов заполнен устройствами с батарейным питанием (плееры, магнитофоны, телефоны, радиоприемники, электробритвы и т.д.). Однако практика показывает, что во многих случаях использование первичных источников питания (гальванических элементов) не всегда целесообразно. Одноразовые ХИТ (химические источники тока), особенно большой емкости, стоят достаточно дорого. Кроме этого может возникнуть ситуация, когда при внезапном отказе вы не сможете их вовремя приобрести. Поэтому многие пользователи для экономии средств и времени используют так называемые вторичные ХИТ или, иными словами, аккумуляторы.

Аккумуляторы - это ХИТ, используемые многократно. Характерная особенность аккумуляторов заключается в том, что после разряда в нагрузку их электрическую емкость можно восстановить, пропуская через них электрический ток в обратном направлении. У современных аккумуляторов общее число циклов заряд-разряд находится в пределах 700…1200, а у некоторых доходит до 2500.

Существуют много типов аккумуляторных батарей: кислотные, щелочные и другие. Но в малогабаритной аппаратуре распространены три основные системы - NiCd, NiMH и Li-ion. NiCd аккумуляторы в настоящее время практически перестали использоваться, поскольку они обладают слишком ярко выраженным эффектом памяти (уменьшение емкости аккумулятора при заряде не до конца разряженного элемента). Им на смену пришли NiMH аккумуляторы, являющиеся более экологически чистыми и имеющими большую емкость (в среднем на 50…100%), чем у их NiCd прототипов. Практика показывает, что NiMH батареи тоже обладают эффектом памяти, но заметно меньшим. Полностью лишены этого недостатка Li-ion аккумуляторы. Развитие и разработка подобных Li-ion конструкций наиболее перспективна на сегодняшний день. К “недостаткам” Li-ion систем можно отнести их относительную дороговизну, сложность построения систем заряда и уменьшенное число циклов заряд-разряд относительно NiMH аккумуляторов.

При использовании вторичных ХИТ возникает вопрос о методах и режимах их заряда. Для NiCd/NiMH аккумуляторов различают четыре типа заряда:

- нормальный заряд происходит за время 14…16 часов током, равным 0,1 емкости аккумулятора С при стандартном пятичасовом разряде. Этот метод обеспечивает максимальную плотность заряда и рекомендуется производителями как наилучший. В таком режиме допускается перезаряд, но необходим контроль температуры заряжаемых аккумуляторов;

- ускоренный заряд выполняется в течении 3,5…7 часов током, равным 0,2…0,4 от емкости аккумулятора С при стандартном пятичасовом разряде. Плотность заряда в данном случае меньшая, чем при нормальном заряде. При заряде подобным методом необходимо контролировать температуру элементов и обеспечить отвод выделяющегося тепла;

- быстрый заряд выполняется за время 10…60 минут током, равным 0,8…4 от емкости аккумулятора С при стандартном пятичасовом разряде. При подобном заряде необходимо обеспечивать контроль времени заряда, температуру элементов и характер поведения напряжения на заряжаемых аккумуляторах. Зарядные устройства этого типа оснащены специальной автоматикой, выполняющей необходимый контроль вышеперечисленных параметров;

- режим подзаряда (“капельный” заряд) рассчитан на неограниченное время током, равным 1/64…1/8 от емкости аккумулятора С при стандартном пятичасовом разряде. Он служит для поддержания заряда в элементе и предотвращает самопроизвольную потерю накопленной энергии после нормального/ускоренного/быстрого заряда.

Несмотря на то, что нормальный и ускоренный заряды обеспечивают наибольшую плотность заряда и долговечность работы батареи относительно режима быстрого заряда, их использование не всегда удовлетворяет потребителя ввиду длительного времени, затрачиваемого на полный заряд. Поэтому все чаще и чаще на практике применяется режим быстрого заряда вторичных ХИТ. При аккуратном использовании этого метода с надлежащим контролем напряжения и температуры аккумулятора, можно заряжать аккумуляторы с минимальным риском выхода их из строя.

Момент полного заряда NiCd/NiMH аккумуляторов можно определить по временным диаграммам изменения напряжения V(t) и температуры T(t) в процессе зарядки аккумулятора (рис.1). Из рисунка видно, что полностью заряженному элементу соответствует точка перегиба, после которой производная напряжения по времени (V/t) меняет свой знак с положительного на отрицательный. Уменьшение напряжения на аккумуляторе после прохождения через максимум невелик - около 10…15 мВ, поэтому для контроля таких малых изменений напряжения требуется достаточно сложная система с повышенной точностью измерений. Контроль температуры заряжаемого элемента обычно осуществляется только в герметичных системах, где аккумуляторные элементы и электронные компоненты системы заряда находятся в одном корпусе для обеспечения полного контакта аккумулятора и термодатчика. В бытовых системах заряда, например, для аккумуляторов типоразмера ААА или АА, контроль ведется только за изменением напряжения на элементах с ограничением времени заряда. Достижения современной электроники позволили создать микросхемы, включающие в себя все вышеперечисленные функции. Они получили названия контроллеров управления зарядом аккумуляторов и широко применяются в бытовой и промышленной технике.


Рисунок 1. Характеристики процесса заряда Ni-MH аккумулятора


Перед специалистами отдела “Мастер Кит” была поставлена и успешно решена задача по разработке полноценного устройства для быстрого заряда вторичных ХИТ, обладающего максимальной функциональностью и минимальными габаритами, что является существенным при применении устройства в быту. Использование современной элементной базы и применение контроллера быстрого заряда MAX713 в качестве управляющего звена позволило обеспечить максимальное качество контроля состояния заряжаемых аккумуляторных батарей и снизить до минимума вероятность выхода их из строя.
Технические характеристики

Напряжение питания (2 аккумулятора, ток заряда 1 А) – 10…12 В

Ток потребления (2 аккумулятора, ток заряда 1 А) – 1,1 А

Максимальный ток заряда (определяется VT3, VD2 и R9) – 8 А

Число заряжаемых аккумуляторов – 1…16 шт

Таймер отключения быстрого заряда - 45, 66, 90, 132, 180, 264 мин

Размеры печатной платы – 61х42 мм.
Описание работы модуля

Принципиальная электрическая схема зарядного устройства показана на рис.2. Перечень элементов приведен в табл. 1.

Зарядное устройство выполнено на основе контроллера быстрого заряда аккумуляторов MAX713 (DA2). Интегральная микросхема МАХ713 позволяет осуществлять быстрый заряд 1…16 аккумуляторов постоянным током от 0,25 до 4 С и прекращать его в соответствии с V-методом (по уменьшению напряжения на аккумуляторе в конце процесса заряда) с последующим переходом в режим зарядки малым током со скоростью С/16 или менее (так называемый “капельный” заряд). Данная микросхема реализует также методы, обеспечивающие дополнительную безопасность заряда за счет его прекращения через определенное время (8 дискретных значений установки таймера 22…264 мин, в данном устройстве реализовано 6 установок - 45…264 мин) или при достижении порогового значения температуры (в данном устройстве не реализовано). Все эти параметры устанавливаются соответствующими перемычками.

На таймере DA1 (NE555) собран генератор прямоугольных импульсов, осуществляющий попеременное включение/выключение светодиода окончания процесса заряда HL1. На стабилитроне VD1 и транзисторе VT1 реализован компаратор, запускающий генератор.

Светодиод HL1 (красный) индицирует процесс заряда аккумуляторов. Он не светится, если аккумуляторы не подключены к устройству. Пока идет процесс быстрого заряда, HL1 горит непрерывно. После окончания быстрого заряда и перехода устройства в режим “капельного” заряда светодиод HL1 начинает мигать с частотой 3 Гц. Светодиод HL2 (зеленый) предназначен для индикации работы всего устройства.

Блоки контактов XP1 и XP2 предназначены для программирования числа заряжаемых аккумуляторов и таймера отключения быстрого заряда на заданное время.

Напряжение питания подается на контакты X1 и X6, аккумулятор подключается к контактам X3 и X4. Для подключения вентилятора охлаждения транзистора VT3 предусмотрены контакты X2 и X5.

Стандартный набор включает электронные компоненты для сборки варианта, работающего с двумя аккумуляторами и током заряда 1 А. Таким током Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторы емкостью 800…1100 мА х ч безопасно заряжаются в течение 50…70 мин. Необходимые изменения параметров устройства предлагается производить самостоятельно согласно нижеприведенным расчетам.


Расчет и методика настройки зарядного устройства на заданное число аккумуляторов и необходимый зарядный ток

Сначала необходимо узнать характеристики используемых аккумуляторов, а именно: рекомендуемый заводом-изготовителем ток и время быстрого заряда. Основываясь именно на этой информации, нужно производить конфигурирование системы.

Необходимо рассчитать ток быстрого заряда I fast согласно формуле:

I fast = Емкость батареи [м Ач] / Время заряда [ч]
На практике время заряда следует выбирать в диапазоне 1…3 часа.

Далее следует выбрать число заряжаемых с помощью установки перемычек в блоке контактов XP1 согласно рис. 3.

Выберите напряжение и ток источника питания. Оно должно быть всегда выше 6 В и на 2 В выше напряжения, рассчитанного по формуле:

Uin = 2B x Nakk,
где Nakk - число заряжаемых аккумуляторов. Ток источника питания выбирается на 0,1…0,2 А больше значения I fast.

Следующим шагом необходимо рассчитать мощность, рассеиваемую на транзисторе VT3, по формуле



PVT3 = (Uin – Ubat) x I fast.

и обеспечить необходимый отвод выделяемого тепла. На диоде VD2 рассеивается мощность


PVD2 = 0,6…0,7 x I fast.
Необходимо выбрать номинал сопротивления R9 по формуле
R9 = 0,25 B / I fast
с мощностью рассеяния
PR9 = I 2fast x R9.
Запрограммируйте таймер окончания быстрого заряда с помощью установки перемычек в блоке контактов XP2 согласно рис.3. Время быстрого заряда, в силу дискретности установок таймера, стоит округлять в большую сторону.

Ток в режиме “капельного” заряда зависит от установки перемычек в XP2 согласно рис.3.



Выберите примерный номинал стабилитрона VD1 согласно табл. 2. Более точный выбор следует производить опытным путем. В процессе конфигурации системы, возможно, понадобится замена VT3, VD2, R9 и VD1. Выбор необходимых элементов с требуемыми характеристиками предлагается произвести радиолюбителю самостоятельно.
Таблица 1. Перечень элементов зарядного устройства


Позиция

Наименование

Кол.

С1, C2

1,0 мкФ/25 В

2

C3, С5

0,01 мкФ

2

С4

10,0 мкФ/25 В

1

С6

47,0 мкФ/50 В

1

С7

0,22 мкФ

1

DA1

NE555N

1

DA2

MAX713CPE

1

HL1

Светодиод диаметр 3мм, красный

1

HL2

Светодиод диаметр 3мм, зеленый

1

R1

200 кОм

1

R2, R3

10 кОм

2

R4

100 кОм

1

R5, R11

150 Ом

2

R6, R12

2,2 кОм

2

R7

68 кОм

1

R8

22 кОм

1

R9

0,25 Ом

1

R10

360 Ом

1

VD1

3,3 В

1

VD2

1N4002

1

VT1, VT2

ВС548

2

VT3

КТ853А

1


Таблица 2. Номиналы стабилитрона VD1


Число аккумуляторов, шт

2

4

6

8

10

12

14

Напряжение  VD1, В

3.3

6.8

10

15

18

20

24





Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная зарядного устройства
Рисунок 3. Выбор числа заряжаемых аккумуляторов
Рисунок 4. Программирование таймера выключения быстрого заряда
Конструкция зарядного устройства

Внешний вид зарядного устройства показан на рис.5, печатная плата - на рис.6, расположение элементов - на рис.7.


Рисунок 5. Внешний вид


Рисунок 6. Печатная плата
Рисунок 7. Расположение элементов
Зарядное устройство выполнено на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в стандартный корпус BOX-Z24A, для этого зарезервированы монтажные отверстия по краям платы диаметром 4 мм и 8 мм. Плата в корпусе крепится двумя саморезами.

Светодиоды индикации работы устройства HL1 и HL2 впаивают со стороны печатных проводников.

Перед установкой платы в корпус BOX-Z24A, необходимо сначала наметить (через предусмотренные реперные отверстия), а затем просверлить в верхней крышке отверстия диаметром 3…4 мм под HL1 и HL2. Так же необходимо просверлить отверстие под разъем питания диаметром 3 мм.

При необходимости установки транзистора VT3 на теплоотвод (согласно рассчитанной PVT3, в комплект набор не входит) рекомендуется использовать радиатор от процессора семейства Pentium с вентилятором принудительного охлаждения. Радиатор следует прикрепить к нижней крышке корпуса на стойках высотой 5 мм.

К верхней крышке корпуса необходимо прикрепить отсек для двух батарей размера AA с помощью двух винтов диаметром 3 мм.

“Мастер Кит” подготовил набор NM8022, из которого можно собрать многофункциональное зарядное устройство Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторов. Набор состоит из печатной платы, пластикового корпуса BOX-Z24A, всех необходимых компонентов и руководства по сборке и настройке.



Наборы “Мастер Кит” для самостоятельной сборки и популярные схемотехнические журналы спрашивайте в магазинах радиодеталей вашего города. На нашем сайте приведен полный список адресов магазинов, находится полный перечень и подробные характеристики наборов и модулей, работает “Конференция”, где обсуждаются самые разнообразные технические вопросы, размещены технические статьи в разделе “КИТы в журналах”, “Полезные ссылки”– ответы на различные вопросы по монтажу устройств, организована подписка на электронные новости от “Мастер Кит”.


Каталог: fr
fr -> При неисправной автоматики автомобиля ток зарядки может быть недостаточным или привести к перезаряду при повышенных значениях
fr -> Модуль заряда Li-ion аккумуляторов на микросхеме tp4056
fr -> Автозарядка автомат
fr -> Труды института
fr -> Питание для спортсменов
fr -> Мириманова Е. В. М 63 Система минус 60, или Мое
fr -> Государственное казначейство украины
fr -> Руководство по переносу системы «Клиент-банк» на другую ЭВМ
fr -> Работа с программой Outlook Express
fr -> 1 марка Крафтера Trial of the Guildsman


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница