Простейшие зарядные устройства

Недостаточно только получить знания: надо найти им приложение.

Иоганн Вольфганг Гете

В настоящее время в качестве элементов питания все более широко применяются аккумуляторы. При интенсивной эксплуатации автономных устройств с аккумуляторами, несмотря на то, что стоят они дороже, в итоге питание обходится дешевле, чем если каждый раз тратить деньги на новые батарейки. Во многих устройствах из-за своей относительно невысокой цены используются никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металл-гидридные (NiMH) аккумуляторы. Они способны работать в диапазоне температур от —20 до +45 °C и от —20 до +60 °C, соответственно. А число циклов перезарядки при правильной эксплуатации составляет для NiCd аккумуляторов — 500… 1000; для NiMH — несколько тысяч. К сожалению, несмотря на все достоинства, такие аккумуляторы имеют значительный ток саморазряда. Потеря запасенной энергии в месяц составляет от 10 до 30 %. При увеличении окружающей температуры на каждые 10 °C ток саморазряда удваивается, и если оставить элемент без работы на 3–4 недели, он окажется практически разряжен. Поэтому рекомендуется выполнять заряд таких аккумуляторов непосредственно перед использованием.

Заряжать аккумулятор можно продолжительное время (10… 15 ч) или быстро (за 1…2 ч). Установлено, что при медленном заряде оптимальным (с точки зрения проходящих внутри электрохимических реакций) является ток, составляющий 10 % от номинальной емкости Q, то есть I_зар = 0,1·Q. В этом случае не обязательно индицировать окончание процесса зарядки — достаточно выдержать интервал времени 15 ч, и элемент наберет 100 % своей номинальной емкости. При таком режиме заряда срок службы аккумуляторов будет максимальным.

Иногда нет времени столько ждать — требуется более быстрый заряд. Чтобы этого добиться, ток заряда увеличивают в 1,2 раза от номинальной емкости I_зар= 1,2·Q). В этом случае аккумулятор сможет получить только 80 % своей емкости (для ее увеличения до 100 % рекомендуется дальнейшая подзарядка малыми токами 0,05·Q). К тому же при быстром заряде необходимо следить за состоянием аккумулятора, чтобы вовремя прекратить процесс. Проще это делать, контролируя напряжение на элементе, — по мере заряда оно постепенно растет и достигает максимума, после чего начинает так же медленно немного снижаться (из-за сильного внутреннего саморазогрева). Как только начался процесс снижения напряжения на элементе (или его перегрев), зарядку надо прекращать.

Большинство зарядных устройств предусматривает работу от обычной бытовой сети (220 В, 50 Гц) и понижает напряжение до нужного уровня. Давайте рассмотрим, как можно самостоятельно изготовить зарядные устройства для различных применений.

Малогабаритные бестрансформаторные

Бестрансформаторное зарядное устройство есть смысл сделать, когда элементам требуется небольшой ток заряда (до 100 мА). В этом случае для понижения напряжения применяется высоковольтный конденсатор небольших размеров, за счет чего габариты всей конструкции удается уменьшить. Избыточное напряжение сети 220 В гасится реактивным сопротивлением конденсаторов (Хс). При этом нет потерь на разогрев, как это происходит с добавочным активным резистором.

Простейшее зарядное устройство показано на рис. 15.1. Оно позволяет заряжать пульсирующим током 26 мА одновременно три или четыре аккумулятора типа Д-0,26 (включенных последовательно) в течение 12…16 ч.

Рис. 15.1. Схема зарядного устройства

Назначение всех элементов этой схемы следующее:

C1, С2 — гасят напряжение сети;

R1 — обеспечивает ускорение разряда конденсаторов — после отключения устройства, что исключает получение удара тока при случайном касании руками контактов вилки X1;

R2 — ограничивает ток в цепи при включении вилки в сеть, поскольку этот момент может совпасть с максимальной амплитудой напряжения;

R3 — обеспечивает разветвление тока, так как через большинство светодиодов нельзя пропускать ток более 20 мА;

HL1 — светодиод для индикации работы зарядного устройства (размешается на видном месте корпуса);

VD1 — диодный мост обеспечивает двухполупериодное выпрямление напряжения;

VD2 — стабилитрон для защиты от удара электрическим током при касании руками контактов Х2 во время работы устройства.

Данную схему легко приспособить для заряда любых аккумуляторов с током 10…100 мА (можно сделать и на больший ток, но в этом случае все преимущества «зарядки» теряются, так как потребуется увеличение емкости конденсатора, а они при допустимом рабочем напряжении 400…500 В имеют большие габариты).

Для наиболее часто используемых номиналов конденсаторов их сопротивление и максимально возможный ток (действующий в режиме короткого замыкания нагрузки) указан в табл. 15.1.

Таблица посчитана по формуле:

где С — емкость подставляется в микрофарадах, тогда результат получится в омах.

Используя эту электрическую схему и зная рекомендуемый для конкретного типа аккумуляторов ток заряда (I_зар), по приводимым ниже формулам можно определить емкость гасящего конденсатора (суммарную) С = С1 + С2. Остальные элементы данной схемы являются вспомогательными и на основной режим работы не влияют.

Пример расчета приведен для аккумуляторов Д-0,26 с зарядным током I_зар = 26 мА.

Необходимо использовать ближайший номинал из ряда (в сторону увеличения).

Нужную емкость можно получить из двух конденсаторов, включенных параллельно или последовательно. После этого надо выбрать по справочнику тип стабилитрона VD2 так, чтобы напряжение его стабилизации превышало напряжение заряженных аккумуляторов (ом устанавливается в целях электробезопасности, ограничивая напряжение на выходных контактах, когда аккумулятор не подключен или неисправен). Тип стабилитрона зависит только от количества одновременно заряжаемых аккумуляторов и величины конденсатора, поскольку необходимо, чтобы возможный ток в цепи не превысил максимально допустимый для него.

В этом зарядном устройстве применяются резисторы типа МЛТ или С2-23, конденсаторы С1 и С2 типа К73-17В на рабочее напряжение не менее 400 В. Резистор R1 может иметь номинал 330…620 кОм. Светодиод HL1 подойдет любой, при этом для других токов заряда резистор R3 лучше подобрать экспериментально так, чтобы свечение было достаточно ярким. Диодная матрица VD1 заменяется четырьмя диодами КД102А или аналогичными выпрямительными.

Топология печатной платы с расположением элементов показана на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Топология печатной платы и расположение элементов

Плата односторонняя (без отверстий), и элементы устанавливаются со стороны печатных проводников (припаиваются к контактам). При использовании элементов, указанных на схеме, зарядное устройство легко устанавливается в корпусе от блоков питания, выполняемых в виде вилки, или же может размещаться внутри устройства, где установлены сами аккумуляторы.

Проверку зарядного устройства лучше проводить при подключении вместо аккумуляторов измерительных приборов и эквивалентной нагрузки (рис. 15.3), минимальная величина которой для четырех аккумуляторов определяется по закону Ома:

R = U/I = 4/0,026 = 150 Ом,

где U — напряжение на разряженных аккумуляторах (у основной массы аккумуляторов эта величина составляет один вольт на элемент).

Рис. 15.3. Эквивалентная нагрузка, используемая для проверки зарядного устройства

На рис. 15.4 приведена еще одна схема бестрансформаторного зарядного устройства, предназначенного для одновременного заряда двух аккумуляторов типа НКГЦ-0,45 (НКГЦ-0,5 и аналогичных). Здесь обеспечивается асимметричный режим заряда, что, как установили ученые, позволяет продлить срок службы элементов.

Рис. 15.4. Схема зарядного устройства на два аккумулятора

Суть этого метода состоит в том, что заряд аккумуляторов G1 и G2 проводится током 40…45 мА поочередно в течение одной полуволны сетевого напряжения. Так, например, в течение положительной полуволны заряжается G1 (G2 — разряжается). В течение второй полуволны, когда соответствующий диод закрыт, элемент G1 разряжается через резистор R4 током 4,5 мА. Такое построение схемы позволяет осуществлять процесс заряда аккумуляторов независимо друг от друга, и любая неисправность одного из них не нарушит процесс заряда другого.

Имеющийся в схеме переключатель SA1 позволяет увеличить в два раза ток заряда, что может пригодиться для ускорения процесса.

Назначение симметричного стабилитрона VD1 такое же, как и на предыдущих схемах. Для индикации наличия сетевого напряжения используется миниатюрная лампа HL1 (типа СМН6.3-20 или аналогичная). Конденсаторы подойдут из серий К73-17, К73-21, МБГ и другие высоковольтные. Конденсаторы большей емкости можно включить последовательно по схеме, показанной на рис. 15.5.

Рис. 15.5. Возможный вариант подключения конденсаторов в схеме рис. 15.4

При правильной сборке устройства его настройка не потребуется. Во время зарядки надо помнить, что аккумуляторы не следует оставлять подключенными к схеме без включения устройства в сеть, так как при этом происходит их разряд через резисторы R4-R5.

С трансформаторным питанием от сети

Несмотря на принимаемые меры зашиты, все же лучше, если зарядное устройство будет иметь гальваническую развязку от сети. Тем более что в продаже несложно найти подходящий по мощности трансформатор (его выбирать надо не менее чем с двойным запасом по току). Схемы в этом случае могут иметь вид, показанный на рис. 15.6.

Рис. 15.6. Простейшие трансформаторные зарядные устройства:

_{а — с пульсирующим током, б — с асимметричным током (чередуется цикл заряд/разряд)}

Они являются универсальными и легко приспосабливаются для заряда большинства аккумуляторов. В схеме на рис. 15.6, а токоограничивающие резисторы R2-R4 можно рассчитать по закону Ома, зная напряжение на выходе трансформатора, после выпрямителя и нужный ток для конкретных аккумуляторов. Но так как часто приходится использовать низковольтные трансформаторы с неизвестным внутренним сопротивлением (падением напряжения под нагрузкой), надежней будет определить эти резисторы экспериментально, для чего включаем в разрыв цепи заряда аккумулятора миллиамперметр и подбираем номинал под нужный ток.

Диоды VD5—VD7 предотвращают разряд элементов в случае отключения питания устройства.

Схема на рис. 15.6, б позволяет одновременно заряжать 2 аккумулятора (или 4, если к обмотке после выпрямительных диодов подключить аналогичный каскад). Заряд элементов производится поочередно (только через резисторы R5, R6), так как они питаются от раздельных однополупериодных выпрямителей.

В то время когда нет заряда, происходит разряд элемента током, в 10 раз меньшим, чем зарядный ток I_зар — резисторы рассчитываем для нужного тока разряда из соотношения:

R5 = R6 = 12/I_зар

где значения тока подставляются в амперах, тогда результат получится в омах.

Теперь о том, как определить резисторы в цепи заряда. Лучше это сделать экспериментально по миллиамперметру, как и для схемы с мостовым Выпрямителем, но с небольшой поправкой. Ведь, во-первых, измерительный прибор будет показывать действующее значение тока всего за один полупериод, во-вторых, часть тока в цепи идет не только на заряд, но и ответвляется через разрядный резистор. Поэтому, чтобы получить амплитудное значение тока в цепи, показания стрелочного миллиамперметра умножаются на коэффициент 0,36 (для амплитуды тока заряда 50 мА измерительный прибор должен показывать не менее 18 мА).

В схеме асимметричного заряда допустимо существенно (в несколько раз) увеличивать зарядный ток. Дополнительные резисторы (R3, R4) и переключатель SA1 позволяют увеличить ток в цепи в два раза для ускорения заряда. Если трансформатор имеет только одну низковольтную обмотку, то подключение VD2 и аккумулятора G2 изменится на противоположное, рис. 15.6, в.

Со стабилизатором тока на транзисторе

Аккумуляторы прослужат дольше, если их зарядку выполнять от источника стабильного тока. С несколькими вариантами построения стабилизатора тока вы уже знакомы по первой книге, там же описан подробно принцип работы Такого стабилизатора. Здесь и далее мы рассмотрим варианты практического использования их в зарядных устройствах.

Простой стабилизатор тока можно выполнить на основе транзистора, рис. 15.7.

Рис. 15.7. Зарядное устройство со стабилизатором тока на транзисторе

В схеме опорное напряжение берется со светодиода (одновременно он является и индикатором того, что идет процесс заряда), а отрицательную обратную связь по току обеспечивает резистор R2.

В диапазоне 10…100 мА нужный ток заряда при настройке устанавливается за счет изменения напряжения токовой обратной связи подстроечным резистором R2. Эту схему можно подключить к таймеру, который будет описан чуть позже (рис. 15.13). Это избавит от необходимости помнить о работе устройства, так как позволит автоматически выключать процесс заряда через нужное время.

Со стабилизатором тока на микросхеме

Зарядное устройство может быть собрано на микросхеме КР142ЕН12А(Б) или ее импортном аналоге LM317T. От такого источника тока можно заряжать не только отдельные элементы, но и составленные из них батареи. Для нормально!) работы схемы надо, чтобы напряжение после выпрямителя было на 6…7 В больше, чем номинальное напряжение заряжаемого аккумулятора.

Схема, приведенная на рис. 15.8, содержит минимальное количество элементов и может быть выполнена универсальной. Она позволяет получать разный ток стабилизации, в зависимости от выбранного резистора R1 (выбрать этот резистор можно из табл. 15.2).

Рис. 15.8. Зарядное устройство со стабилизатором тока на микросхеме

При желании сопротивление задающего ток резистора можно изменять галетным переключателем — в этом случае удастся заряжать разные типы аккумуляторов. В автономных условиях в качестве источника напряжения для подключения зарядного устройства возможно применение автомобильного аккумулятора.

Диод VD1 предотвращает повреждение микросхемы в случае, когда заряжаемый элемент будет подключен раньше, чем включено питание устройства. Монтаж удобно выполнить объемными перемычками, а саму микросхему лучше закрепить к теплоотводу (радиатору), обеспечив его изоляцию от корпуса конструкции.