Интеллектуальное зарядное устройство
ИЗУ-1.
Все началось с того, что у меня появился
цифровой фотоаппарат…
В два дня было найдено зарядное устройство,
неизвестной восточной фирмы, которое, судя по данным написанным на корпусе,
обещало зарядный ток в 250/500 мА и при этом имело размеры самого дешевого,
опять же китайского БП-шника. Врать не буду, 2 АКБ по 2100 мАч, оно заряжало,
но внутреннее чутье подсказывало, что емкость едва достигала 50%, и то после
10-12 часов зарядки. Разборка зарядника показала, что там стоит сомнительного
качества трансформатор (мощностью не более 5Вт), выпрямитель и два источника
тока, на транзисторах в мелких пластиковых корпусах, которые от тока в 0.5 А
начали бы весело плавиться.
Худо-бедно оно работало, но вскоре появилось
чувство что АКБ-шки (Ni-Mh) начали здыхать – по причине присущего им эффекта
памяти. К этому времени уже было перерыто много литературы и стало возможным
разработать свое зарядное устройство, не уступающее тем, что продаются в
магазинах (ну хотя бы по ряду параметров).
В процессе изучения было много вопросов, ответы
на которые приходилось искать самостоятельно. В этой статье может я не открою
истин и возможно буду даже на них грешить, ну в общем кому интересно прочитает,
а кто умнее тот поправит…
Три задачи которые должно решать зарядное
устройство:
Заряд –
непосредственно передача энергии в АКБ, этот режим обеспечивают все зарядные
устройства.
Разряд – режим, в
общем-то редко нужный, но при долговременном хранении АКБ их нужно разрядить.
Разряд + Заряд – вот
это уже признак хорошего зарядного устройства. Режим устраняет эффект памяти
АКБ, способствует продлению ее срока службы.
Теперь реализация каждого режима. Самое простое
зарядное, три детальки, два проводка:
Подается переменное напряжение, трансформатор
понижает, диод выпрямляет, конденсатор сглаживает, резистор ограничивает ток
заряда. Примитивно, но все дешевые зарядники построены именно так.
Все это хорошо и все вроде как работает, но что
бы зарядить АКБ 2000 мАч, нужен зарядный ток 200 мА, в течении 10 часов, плюс
еще час – это в теории.
Допустим мы снимаем с трансформатора 3.6 В,
после диода 3.0, на АКБ 1.0 В в начале заряда и 1.5 В в конце. На резисторе
остается 2.0-1.5 В для чего ставим резистор 10Ом (0.5 Вт) и получаем ток 200
мА, в начале заряда. Но в процессе заряда повышается напряжение АКБ и зарядный
ток падает до 150 мА, что повышает время заряда. Т.е. что бы устранить этот
недостаток нужно, либо менять сопротивление резистора, либо напряжение с
трансформатора. Либо… использовать генератор стабильного тока ГСТ (заменяет резистор):
Ток, исходя из названия, стабилен - не зависит
от сопротивления нагрузки, т.е. напряжения на АКБ. Таким образом, немного
усложнив схему, получаем выигрыш –
стабильный ток, время заряда и проигрыш – тепловыделение и трудности при
регулировке тока заряда.
Вспомним так же про вариант с регулировкой
напряжения. Опять же есть два способа: линейный и ключевой (импульсный).
Линейный способ регулировки имеет малые
пульсации, но в нагрузку получил малый КПД и усложнение схемы при регулировке
выходного напряжения. Схема регулировки выглядит примерно так:
Это не стабилизатор напряжения, хотя отличий
мало, поэтому для нормальной его работы Uпит должно быть уже стабильным.
Ключевой способ более интересен в плане КПД
(70-90%), регулируемых напряжений и токов, простота внешней регулировки,
простота силовой части, но пульсации на выходе имеют место быть, причем на
высоких частотах (30-300 кГц). В нашем случае это не критично. Вот схема
ключевого преобразователя:
Для управления таким преобразователем нужен
Широтно-Импульсный Модулятор (ШИМ). Который генерирует прямоугольные импульсы с
различной скважностью в зависимости от управляющего воздействия. Временные
диаграммы таких импульсов:
Способов получения управляющих импульсов ШИМ
несколько:
Генератор Линейно –
Изменяющегося Напряжения с компаратором.
Цифровыми
микросхемами.
Микроконтроллером.
Выбор тут уже зависит от конкретной задачи и
возможностей. В моем случае все завязано на микроконтроллер и вся ‘силовая’
часть выглядит так:
Теперь про разряд.
Разряд, процесс протекающий непрерывно. Если
даже не подключать к АКБ нагрузку, то все равно имеет место быть саморазряд. Но
чем большие токи требуются от батареи, тем меньше (по времени) она будет
работать. Т.е. разрядить АКБ можно и в устройстве (фотоаппарат, игрушки,
фонарик и т.п.), но питающееся устройство перестает функционировать, не использовав
до конца энергию, запасенную в АКБ. Последующая дозарядка приведет к появлению
эффекта памяти, что не хорошо. В простейшем случае разрядить АКБ можно
резистором, подходящей мощности и сопротивления:
Но как было сказано выше, по мере разряда,
напряжение на батарее падает и разрядный ток уменьшается. Но для режима разряда
это не критично и увеличит время разряда на 20-40 минут, но взамен получаем
простоту. Более сложный способ – использовать ГСТ:
Теперь, о том как можно измерять напряжение
батареи и ток заряда.
Если использован микроконтроллер с АЦП, то
напряжение с батареи можно через RC-цепочку
прямиком подавать на контроллер:
При таком включении необходимо смотреть только
за тем, что бы напряжение АКБ было меньше напряжения питания микроконтроллера.
Допустим, мы заряжаем 3 аккумулятора по 1.2 В, т.е. в точке мах заряда получим
около 4.5 В. Заявленные производителем 10 бит разрешающей способности АЦП,
наверняка снимались при идеальных условиях и потому 2 младших бита можно смело
игнорировать. 5 Вольт разделим на оставшиеся 8 бит и получим 19.5 мВ/бит.
Теперь вспоминаем что у Ni-Mh аккумуляторов падение напряжение после
мах заряда составляет 2-4 мВ и при синхронном заряде составит 6-12 мВ.
Естественно, отработать такое изменение напряжение АЦП не в силах. Выйти из
положения можно, усилив ИЗМЕНЕНИЕ
напряжения в точке перегиба. Что я собственно и сделал, схема чуть ниже.
Еще хотелось бы отметить про один очень
интересный момент:
Оказывается, напряжение на батарее, зависит от
протекающего через нее тока! Посмотрите внимательно на этот график:
Т.е.
если измерять напряжение на АКБ при токе в 1000 мА, 500 мА, 100 мА и на
отключенной АКБ, то мы получим 4 разных значения напряжения (середина заряда):
1000 мА – 2930 мВ
500 мА – 2880 мВ
100 мА – 2810 мВ
откл. – 2730 мВ
Т.е. можно построить график напряжения на
аккумуляторе в зависимости от приложенного тока:
В точке перегиба dV/dt разброс напряжения у меня составил около
240 мВ. Следовательно, при разных зарядных токах, нужно соответственно
подбирать максимальное напряжения на АКБ, иначе можно перезарядить или
недозарядить батарею.
Измерение тока:
Наиболее простой и экономически-выгодный –
применить низкоомный резистор и змерять напряжение на этом резисторе:
Получив напряжение, используя закон Ома,
рассчитываем напряжение на резисторе: I=U/R
Маленькое замечание. При указанных на схеме
токах и напряжениях, мощность рассеиваемая на резисторе составит 1 Вт – причем
это только тепло – сам резистор должен быть 2Вт-ым. Поэтому, лучше было бы
установить меньшее сопротивление, а затем его усилить до нужной величины.
Эти моменты очень подробно рассмотрены и
рассчитаны в документе AVR450. На них останавливаться не буду, за исключением
замечаний.
В зарядном устройстве от AVR используется
импульсный блок питания, в котором пульсации питающего напряжения, даже при
максимальных рабочих токах, очень малы – не более 50мВ. Я использовал в
качестве блока питания трансформатор с выпрямителем, стабилизатор напряжения не
использовал, что естественно привело к появлению пульсаций напряжения питания:
Пульсаций в точке +7V, достигают 0.5В при токе заряда 1А:
Эти пульсации передаются в измерительную часть и
влияют на показания измерений. Измерение напряжения батареи производится
дифферецирующим усилителем и потому пульсации незначительны:
Пульсации остались только в усилителе перехода
напряжения батареи через максимум заряда, спас интегрирующий усилитель:
Измерение тока производится с помощью
токоизмерительного резистора и соответственно, пульсации питающего напряжения
приводят к пульсации тока (напряжения на резисторе). Устранить эти пульсации
удалось, применив опять же усилитель с
интегратором (конденсатор С6):
Собранное мной зарядное устройство обладает
следующими возможностями:
Заряд 2-х
аккумуляторов размером АА и ААА.
Выбор режима работы
устройства: Заряд, Разряд, Разряд – Заряд.
Разряд двух
аккумуляторов средним током 500 мА.
Выбор зарядного тока
50, 100, 250, 500, 750, 1000 мА.
Определение окончания
заряда dV/dt способом, на отключенной батарее.
Измерение и индикация
напряжения батареи.
Измерение и индикация
тока заряда.
Измерение и индикация
напряжения батареи при разряде.
Отсчет времени работы
в режиме.
Управление двумя
кнопками Выбор и Ввод.
Фотографии устройства:
Документы:
Схема
зарядного устройства в формате в формате Acrobat Reader ver.6.0
Исходник
и прошивка микроконтроллера PIC18F1320