Предлагаемое универсальное зарядное устройство обеспечивает как ускоренную зарядку никель-кадмиевых (Ni-Cd) и никель-металлгидридных (Ni-MH) аккумуляторных батарей повышенным током, так и их зарядку в так называемом обычном режиме с меньшим током зарядки. При этом в первом случае окончание зарядки происходит при падении напряжения на аккумуляторе. Благодаря использованию микросхемы MC33340D данное зарядное устройство позволяет контролировать падение напряжения с чувствительностью 4 мВ. Помимо этого, с помощью перемычек можно заранее установить определенное время зарядки. При необходимости контролируется не лишь напряжение на аккумуляторе в режиме ускоренной зарядки, но и напряжение источника питания устройства. Зарядка прекращается и в случае повышения температуры аккумулятора выше установленного лимита. Питание зарядного устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 5-18 В с максимальным током 1,5 А.
Данное универсальное зарядное устройство для NiCd и NiMH аккумуляторов представляет собой регулятор, выполненный на микросхеме типа MC33340D. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 7.
Рис. 7. Принципиальная схема универсального зарядного устройства для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов
Сразу после подключения питающего напряжения универсальное зарядное устройство начинает работать в режиме ускоренной зарядки.
В том случае, если аккумулятор не подключен или неисправен, напряжение на выводе 1 (VSEN) микросхемы IC2 (MC33340D) будет либо меньше величины 1 В, либо больше, чем 2 В. При этом зарядное устройство автоматически переключится в обычный режим. В обычный режим работы данное зарядное устройство переключится и в том случае, если в течение 177 с на клеммах заряжаемого аккумулятора будет зафиксировано падение напряжения определенной величины, что свидетельствует об окончании процесса зарядки. Помимо этого переключение в обычный режим может осуществляться по окончании выбранного времени зарядки, или же при повышении температуры аккумулятора сверх допустимой нормы.
Время зарядки аккумуляторной батареи выбирается с помощью установки или удаления перемычек Т1-Т3. Зависимость времени зарядки от установки перемычек приведена в табл. 1.
При выборе режима зарядки с отключением при повышении температуры аккумулятора сверх допустимой нормы для измерения температуры аккумуляторной батареи к выводу 6 (Т2) микросхемы IC2 следует подключить терморезистор величиной 10 кОм. При этом к выводам 7 (Т1) и 5 (Т3) микросхемы IC2 должны быть подключены резисторы R7 и R8, с помощью которых устанавливается диапазон допустимых температур аккумулятора. Величина сопротивления резистора R7 определяет максимальную допустимую температуру, а величина сопротивления резистора R8 определяет минимальную допустимую температуру аккумуляторной батареи.
Если в процессе зарядки аккумулятора его температура будет находиться в выбранном диапазоне, то аккумулятор будет заряжаться в ускоренном режиме. В этом случае напряжение на выводах 7 (Т1), 6 (Т2) и 5 (ТЗ) микросхемы IC2 будет в районе от 0 В до величины (Vсс — 0,7) В, где Vсс — напряжение питания микросхемы IC2 (вывод 8). Если же температура аккумулятора во время зарядки изменится и выйдет из выбранного диапазона, то изменится напряжение на выводе 7 (Т1) или 5 (Т3) микросхемы IC2, и зарядное устройство переключится в обычный режим.
Поскольку ток, протекающий через выводы 7 (Т1), 6 (Т2) и 5 (Т3) микросхемы IC2 составляет примерно 30 мкА, рассчитать значения величин сопротивлений резисторов R7 и R8 довольно просто. Так, например, если сопротивление термистора R10 при минимальной выбранной температуре составляет 8,2 кОм, то и величина сопротивления резистора R8 должна быть 8,2 кОм. Если сопротивление термистора R10 при максимальной выбранной температуре составляет 15 кОм, то и величина сопротивления резистора R7 должна быть 15 кОм.
Таким образом, при выборе режима зарядки с отключением при повышении температуры аккумулятора предлагаемая схема обеспечивает ускоренную зарядку аккумуляторной батареи лишь в том случае, если ее температура не выходит за установленные границы. Если в процессе зарядки температура аккумулятора станет меньше минимального предела, то зарядное устройство переключится в обычный режим, и аккумулятор будет заряжаться малым током дежурного режима до тех пор, пока его температура не войдет в норму.
Если же температура аккумулятора станет больше максимального предела, то зарядное устройство также переключится в обычный режим, но не выйдет из него до отключения аккумулятора.
В том случае, если выбран режим, при котором окончание зарядки определяется истечением определенного промежутка времени, резисторы R7, R8 и терморезистор R10 не устанавливаются, а время зарядки выбирается с помощью установки перемычек Т1-Т3 в соответствии с табл. 1. Этот вариант зарядки используется как запасной, то есть в том случае, если по каким-либо причинам нельзя провести окончание зарядки с помощью контроля падения напряжения на аккумуляторе.
Микросхема IC1 (LM317) в предлагаемой конструкции используется в качестве источника постоянного тока. Такая схема включения должна обеспечить постоянное напряжение величиной 1,2 В между выводами ADJ и OUT данной микросхемы. Поскольку между указанными выводами включен резистор R3, через который протекает ток зарядки, этот ток всегда будет иметь величину, при которой падение напряжения на резисторе R3 равно 1,2 В.
Для корректного распознавания момента окончания зарядки аккумулятора при падении напряжения на его контактах необходимо обеспечить наличие на выводе 1 (Vsen) микросхемы IC2 напряжения, соответствующего напряжению одного элемента аккумуляторной батареи. Для этого используется делитель напряжения, выполненный на резисторах R1 и R2. Так, например, если выбрать величину сопротивления резистора R1 равной 10 кОм, величину сопротивления резистора R2 следует рассчитать по следующей формуле:
R2 = R1 x (Vakk/Vsen — 1)
где:
Vakk — общее номинальное напряжение аккумуляторной батареи;
Vsen — напряжение на выводе 1 микросхемы IC2, которое должно составлять 1,2 В.
При этом общее напряжение аккумуляторной батареи рассчитывается по формуле:
Vakk = N x Ui
где:
N — количество элементов в аккумуляторной батарее;
Ui — напряжение одного элемента, которое обычно составляет 1,2 В.
Так, например, при величине сопротивления резистора R1, равной 10 кОм, для аккумулятора, состоящего из шести элементов, величина сопротивления резистора R2 будет составлять:
R2 = 10 000 х (7,2/1,2–1) = 50 кОм
Если же предполагается заряжать один элемент, то резистор R1 не устанавливается, а величина сопротивления резистора R2 должна составлять 10 кОм.
В то же время изменение количества элементов в заряжаемой аккумуляторной батарее требует изменения напряжения Uпит поступающего от источника питания данного устройства. При этом минимальная величина напряжения источника питания рассчитывается по формуле:
Uпит= 3 + 2N,
где:
N — количество элементов в аккумуляторной батарее.
Зависимость значений величин резисторов R1 и R2, а также питающего напряжения от количества заряжаемых элементов приведена в табл. 2.
Необходимо отметить, что соответствующие значения величины напряжения Uпит при зарядке указанного в табл. 2 количества элементов могут быть и выше, однако это потребует дополнительного охлаждения микросхемы IC1, например, с помощью установки ее на радиатор.
Питающее напряжение микросхемы IC2 должно быть в районе 3-18 В. В том случае, если потребуется одновременно заряжать большее количество элементов, то необходимо обеспечить, чтобы питающее напряжение микросхемы на выводе 8 микросхемы IC2 не превысило величины 18 В. При этом напряжение на выводах 2 и 3 микросхемы IC2 не должно превышать величину 20 В.
Значение величины тока зарядки в обычном режиме (Iор) рассчитывается по формуле:
Iор = (Uпит — UD2 — Uakk)/R5
где:
Iор — ток зарядки в обычном режиме (А);
Uпит — напряжение источника питания (В);
UD2 — падение напряжения на диоде D2 (примерно 0,6 В);
Uakk — напряжение аккумуляторной батареи (В);
R5 — величина сопротивления резистора R5 (Ом).
Обычно величина тока зарядки в обычном режиме выбирается равной 1/100 от значения емкости аккумуляторной батареи. При этом значение мощности, рассеиваемой на резисторе R5, определяется по формуле:
PR5 = R5 x I2op
При зарядке аккумулятора в ускоренном режиме значение величины тока зарядки (Iур) рассчитывается по формуле:
Iур = [UIC1 + (UADJ x R4)]/R3
где:
Iур — ток зарядки в ускоренном режиме (А);
UIC1 — выходное напряжение микросхемы IC1 (В);
UADJ ток утечки микросхемы IC1 (примерно 50 мкА).
Величину тока зарядки в ускоренном режиме следует выбирать в зависимости от типа аккумулятора. Обычно этот ток должен быть в районе 1–2 значения емкости аккумуляторной батареи. Ток зарядки в ускоренном режиме можно регулировать изменением сопротивления регулировочного резистора R4 в районе, определяемых значением сопротивления резистора R3, а максимальная величина этого тока (Iмакс) не может превышать максимального допустимого значения тока для микросхемы IC1, то есть величину 1,5 А
Минимальный ток зарядки в ускоренном режиме определяет величину сопротивления резистора R3. Значение сопротивления резистора R3 можно рассчитать, воспользовавшись следующей формулой:
R3 = UIC1/Umin
Так, например, если выбрать значение минимального тока зарядки в ускоренном режиме равным 0,45 А, то сопротивление резистора R3 составит 2,7 Ом. При этом значение мощности, рассеиваемой на резисторе R3 определяется по формуле:
PR3 = R3 x I2ур = 2,7 x 0,45 x 0,45 = 0,55 Вт
Чтобы можно было в определенных пределах регулировать величину минимального тока зарядки, в предлагаемом устройстве желательно установить резистор R3 мощностью не менее 2 Вт.
Максимальный ток зарядки в ускоренном режиме с учетом выбранной величины мощности, рассеиваемой на резисторе R3 (в нашем примере 2 Вт), определяется по формуле:
I2макс = PR3/R3
В результате для выбранных параметров максимальный ток зарядки Iмакс в ускоренном режиме будет составлять 0,86 А. Таким образом, при сопротивлении резистора R3, равном 2,7 Ом, и рассеиваемой на нем мощности 2 Вт ток зарядки можно изменять с помощью регулировочного резистора R4 в районе от 0,45 А до 0,86 А. Такой ток считается оптимальным для пальчиковых аккумуляторов емкостью 450–850 мА.
С помощью простых расчетов можно определить значения минимального и максимального тока зарядки в ускоренном режиме в зависимости от рассеиваемой мощности и величины сопротивления резистора R3. Эти данные приведены в табл. 3.
Все детали универсального зарядного устройства размещены на печатной плате размером 52×40 мм. Печатная плата приведена на рис. 8.
Рис. 8. Печатная плата универсального зарядного устройства
Расположение деталей на печатной плате прибора показано на рис. 9.
Рис. 9. Расположение деталей на печатной плате универсального зарядного устройства
К деталям, используемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Естественно, рекомендуется применять любые малогабаритные резисторы и конденсаторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате.
При изготовлении зарядного устройства можно использовать, например, резисторы типа МЛТ-0,125. Вполне подойдут и другие малогабаритные резисторы. В то же время, величина рассеиваемой мощности резистора R3, в соответствии с приведенными ранее расчетами, должна составлять 2 Вт. Конденсаторы С1 и С2 могут быть металлокерамическими или керамическими.
Диод 1N4148 (D1) можно заменить на отечественные диоды КД510, КД521 или КД522, обращая особое внимание на маркировку выводов катода и анода. Вместо диода 1N4007 (D2) можно установить отечественные диоды КД105, КД208, КД209 или КД243. Светодиод D4 — любой на ток 20 мА.
Монтаж элементов на печатной плате следует начать с установки микросхемы IC1 со стороны печатных проводников. При этом сначала необходимо аккуратно припаять один из выводов микросхемы к соответствующей контактной дорожке, а далее — все остальные выводы. Остальные элементы устанавливаются в обычном порядке, то есть сначала впаиваются пассивные малогабаритные детали, далее полупроводниковые элементы, а после этого — крупногабаритные детали.
Не следует забывать о том, что микросхему IC1 желательно установить на радиатор. Тепловое сопротивление радиатора рассчитывается по следующей формуле:
Rрад = Дt/Iур x (Uпит — Uакк),
где:
Iур — ток зарядки в ускоренном режиме (А);
Uпит — напряжение источника питания (В);
Uакк — напряжение аккумуляторной батареи (В);
Дt — максимально допустимая разница между температурой радиатора и температурой окружающей среды (обычно примерно 80 °C).
Если в процессе эксплуатации будет выбран режим, в котором окончание зарядки наступает по истечении определенного времени, то необходимый лимит устанавливается с помощью перемычек Т1-Т3. В этом случае термистор R10, а также резисторы R7 и R8 не устанавливаются.
При выборе режима зарядки с контролем температуры аккумулятора, необходимо установить термистор R10, а также резисторы R7 и R8. При этом термистор R10 должен иметь хороший тепловой контакт с заряжаемой аккумуляторной батареей. В данном случае перемычки Т1-Т3 не устанавливаются. При использовании зарядного устройства в указанном режиме для зарядки аккумуляторных батарей мобильных телефонов устаревших типов в качестве термистора R1G можно использовать терморезистор, входящий в состав аккумулятора. К схеме этот термистор подключается через соответствующие контакты аккумуляторной батареи. В то же время желательно произвести перерасчет величин сопротивлений резисторов R7 и R8 с учетом параметров термистора для каждого типа заряжаемого аккумулятора.
После того, как все компоненты будут установлены на печатной плате, ещё раз следует проверить правильность монтажа. В последнюю очередь к печатной плате припаиваются выводы для подключения источника питающего напряжения, а также контакты для подключения заряжаемого аккумулятора.
Плата с размещенными на ней деталями располагается в любой подходящей пластмассовой коробке.
Собранное без ошибок и из исправных деталей зарядное устройство не нуждается в дополнительном налаживании. Но перед включением прибора и подключением аккумулятора необходимо ещё раз проконтролировать, соответствуют ли величины сопротивлений резисторов делителя R1R2 напряжению подключаемого аккумулятора. После этого универсальное зарядное устройство можно подключить к сети и проверить его работоспособность.
При подключении источника питающего напряжения (с отключенным аккумулятором) должен начать светиться светодиод D4. Если этого не произошло, то необходимо отключить питающее напряжение и ещё раз проверить правильность монтажа и исправность элементов конструкции. Если же светодиод D4 светится, то к зарядному устройству можно подключать аккумуляторную батарею. После подключения аккумулятора светодиод должен начать мигать.
Окончание зарядки аккумуляторной батареи определяется в соответствии с выбранным режимом работы.