Контроллер заряда ni cd аккумулятора. Простое зарядное устройство для никель-кадмиевых аккумуляторов

Б ольшинство людей, которые используют в своей портативной технике аккумуляторы, не по наслышке знают, что это очень брезгливый источник питания, в особенности если речь идет о никель-металл-гидридных аккумуляторах (далее NiMH)

Эти аккумуляторы имеют ограниченный срок жизни как по времени, так и по количеству циклов разряд-заряд. Не последнюю роль играет и зарядное устройство со всеми входящими в этот процесс механизмами.

Б ольшинство пользователей NiMH аккумуляторов не знает о тонкостях работы с этими аккумуляторами и зачастую разочаровываются в их использовании, не подозревая того, что короткий срок и низкая емкость – это результат неправильной эксплуатации аккумулятора

Зарядки которые входят в базовый комплект (см.фото внизу) являются так сказать “ночниками”, т.е. они имеют простейшую схему без стабилизации, без функции отключения, разрядки, контроля температуры, отключения по дельте и т.д.

Собственно до недавнего времени и я пользовался лишь такими зарядными, что создавало мне лишь одни хлопоты при использовании аккумуляторов. Срок из службы был минимальным

Поэтому я решил поискать в интернете на аукционах зарядные устройства. В основном были “ночники”, а также современные интеллектуальные зарядные устройства NiMH, микропроцессорные китайские устройства со всеми необходимыми функциями, но цена их 1500-3000 рублей меня не устраивала и случайно я наткнулся на немецкую очень старую зарядку Conrad VC4+1 для NiCd и NiMH + 1 крона 9в

В интернете информации по этому зарядному устройству нет, лишь попадаются редкие ссылки страниц с немецкий аукционов.

Долго не думая, я решил выкупить этот лот и спустя 2 недели у меня в руках была эта зарядка. Цена лота составила 370 рублей и 250 рублей доставка, итого 620 рублей за древнюю немецкую зарядку с неизвестными качествами

Технические характеристики Conrad VC4+1 и возможности

После недолгого наблюдения с мультиметром, а также поисках в интернете, изучения надписей на задней крышке устройства я могу сказать следующее:

– ток зарядки регулируемый от 15 мА до 4000 мА
– два режима заряда “быстрый 85 минут током 1С” и “капельный током 0.1С”
– автоматическая разрядка перед зарядом до 0.9в
– температурный датчик на плюсовом контакте устройства
– автоматическое отключение с последующей поддержкой заряда
– зарядка импульсным током и импульсами
– гнездо для зарядки аккумуляторов типа “крона”
– тип аккумуляторов NiCd и NiMH, размеры от ААА до D size
– предварительная капельная зарядка полностью убитого аккумулятора
– четыре независимых канала

Вот так выглядит оригинальное зарядное устройство, которое я купил на аукционе, очень уж сильно захотелось подержать в руках и попользоваться таким интересным устройством

Насчет отключения по дельте и работы термодатчика я пока не разобрался. Ниже хочу предоставить фотографии плат зарядного устройства

Как видно, сюда уже заглядывала рука с паяльником, судя по всему зарядное устройство было в ремонте. В основном как я понял были просто пропаяны силовые места устройства

Немецкие технологии уже с десяток лет назад были всем доступны и люди пользовались достаточно умными зарядными устройствами. Как видно и схемы это далеко не ночник

Я очень доволен покупкой и считаю, что мне очень повезло. Это очень редкая в России зарядка, очень старая, но имеет функционал, которого вполне достаточно, чтобы поддерживать свои аккумуляторы в идеальном состоянии

Г лавными плюсами я считаю возможность регулирования тока зарядки от 15 мА до 4000 мА, а также автовыключение через 16ч или 85 минут (отключение по вольтажу или по дельте мною не замечено) и поддержка полного заряда импульсами с частотой 1 в 20 секунд.

Если кто вдруг захочет приобрести себе такое зарядное устройство, попробуйте поискать на немецких интернет аукционах. В Германии эта зарядка довольно была распространена и известна

Недавно на рынке появились интеллектуальные зарядные устройства для NiMH аккумуляторов фирмы LaCrosse, модели bc-900, BC 1000 и technoline bc-700, а также китайские подделки и пародии. Отличаются такие зарядные устройства как внешне, так и своим принципом работы и естественно функционалом. Цена на интеллектуальные зарядные устройства пока что остается высокой для обычного пользователя – 1500-3000 рублей в зависимости от модели и производителя


Эти приборы обещают выполнить все необходимые меры для того, чтобы NiMH прослужили долго и верно своему владельцу, вот например список возможностей наиболее дорогих и функциональных моделей

ТЕСТ – полный заряд аккумулятора с последующим полным разрядом для определения реальной емкости (индикация на экране), затем полный заряд аккумуляторов
ЗАРЯД – независимый заряд каждого канала выбранным током (200/500/700/1000 mA)
РАЗРЯД – разряд аккумуляторов (настраиваемый) для снижения эффекта памяти
ТРЕНИРОВКА – до 20 циклов заряд/разряд до полного восстановления емкости аккумулятора

Работает со всеми NiCd и NiMH “AA” и “AAA” аккумуляторами
LCD экран показывает информацию по каждой батарее отдельно
Можно заряжать одновременно аккумуляторы размеров “AA” и “AAA”
Определяет испорченные батареи
Защита аккумулятора от перегрева
Возможность выбора мощности тока подзарядки для каждого канала
Автоматическое переключение на подзарядку малым током, когда зарядка завершена, чтобы обеспечить максимальную емкость батареи
Зарядка автоматически начинается током 200мА (оптимально для продления службы батареи)

К ак видите, функционал действительно значительно отличается от обычных “ночников”, но встает следующий вопрос – оправдывает ли себя такое умное зарядное устройство ценой в 100 долларов?

Лично я раз уже купил Conrad VC4+1 и полюбил эту зарядку за ее шарм старины и оригинальность, то от покупки LaCrosse теперь я откажусь, о чем в принципе не жалею. Т.к. многим зарядка LaCrosse мне не нравится – например грубым регулированием тока заряда.

В процессе эксплуатации аккумуляторных батарей рекомендуется периодически контролировать их электрическую емкость, измеряемую в ампер-часах (А-ч). Для определения этого параметра необходимо разряжать полностью заряженную батарею стабильным током и фиксировать время, по истечении которого ее напряжение уменьшается до заранее установленного значения. Чтобы оценить состояние аккумуляторной батареи более полно необходимо знать ее емкость при различных значениях тока разрядки

Ч тобы измерить емкость своих аккумуляторов, я использую показания вольтметра, который подключен параллельно сопротивлению, которое является нагрузкой на аккумулятор . Сопротивление я выбираю по среднему току потребителя, в котором планируется использовать аккумулятор – это очень важный момент для расчета емкости, так как при разных условиях мощности потребления – способности аккумуляторы сильно разнятся. Таким образом я беру полностью заряжённый аккумулятор, нагружаю его нужным мне током и наблюдаю, когда напряжение на аккумуляторе под нагрузкой снизиться до 1 – 0.9 вольта, далее произвожу расчет умножая ток разряда на время. К примеру аккумулятор разряжался током 500 мА, в течении 2 часов, значит емкость аккумулятора 1000 мА/ч

Буду раз вашим комментариям, хотелось бы услышать отзывы владельцев интеллектуальных зарядных устройств, поделитесь своим опытом их использования, какие у них есть недостатки?

В связи с быстрым развитием портативных устройств современной бытовой техники, в настоящее время большое распространение получили Ni-Cd и Ni-NiMh аккумуляторные батареи, срок службы которых сильно зависит от правильной эксплуатации. В связи с этим возникает необходимость в устройстве, которое имеет возможность измерять основные технические характеристики эксплуатируемых аккумуляторов, такие как емкость и внутреннее сопротивление, а так же обеспечивать аккумуляторам оптимальный режим заряда.

Автором статьи был приобретен фотоаппарат Canon А710IS, использующий в качестве источника питания две батарейки формата АА. Практически сразу выяснилось, что фотоаппарат может нормально функционировать только с дорогими алкалиновыми батарейками стоимостью от 5грн.(0,7$) С более дешевыми батарейками он или отказывался включаться, или делал всего несколько снимков, после чего выключался. В связи с этим, практически сразу, были приобретены два аккумулятора GP емкостью 2700мА/ч. С этими аккумуляторами GP фотоаппарат мог нормально функционировать на протяжении около месяца, при этом можно было сделать снимков и видео приблизительно на 2Гб.

Через год эксплуатации количество снимков, которое мог сделать фотоаппарат после полной зарядки аккумуляторов, начало катастрофически уменьшатся. Кроме этого было замечено, что увеличился саморазряд аккумуляторов.

Через полтора года эксплуатации фотоаппаратом стало практически невозможно пользоваться – после полного заряда аккумуляторов, можно было сделать не более 20-30 снимков (или 6-7 мин. видео), при этом, если фотоаппаратом не пользовались больше недели, он, как правило, даже не включался. И это при том, что реальных циклов заряда было не более 30, при указываемом ресурсе производителя до 1000…

Так как аккумуляторы заряжались зарядным устройством китайского происхождения, и циклы заряда-разряда для предотвращения сульфатации не производились, был сделан вывод о том, что возможной виной преждевременного выхода из строя аккумуляторов был неправильный зарядный режим и отсутствие разрядно-зарядных тренировочных циклов.

При попытках восстановления аккумуляторов методом разрядно-зарядных циклов выяснилось, что емкость аккумуляторов составляет немногим более 1000мА/ч и восстановлению они не поддаются (проверка емкости проводилась при помощи разряда полностью заряженных аккумуляторов на лампочку накаливания, при этом по времени свечения лампочки и току потребления ориентировочно определялась емкость). При этом проверка емкости 5-и летних аккумуляторов Energizer 2300мА/ч показала емкость около 1400мА/ч, однако в фотоаппарате они показывали результаты приблизительно аналогичные аккумуляторам GP, с одним лишь положительным отличием - саморазряд был меньшим – фотоаппарат включался и через две недели, однако мог сделать не более 10 снимков.

После всех экспериментов было решено приобрести новые аккумуляторы, и собрать зарядное устройство, которое отвечало бы следующим требованиям:
- было схемотехнически очень простым и не содержало дорогостоящих компонентов;
- имело возможность ускоренной зарядки аккумуляторов и проведения тренировочных разрядно-зарядных циклов;
- при проведении зарядки и разрядки подсчитывалась потребленная/отданная емкость в мА/ч. с непосредственным измерением тока и в конце заряда определялось внутреннее сопротивление аккумулятора;
- окончание зарядки определялось по методу ∆U и имелся контроль температуры аккумулятора;
- имелась возможность контроля зарядного процесса на компьютере для его визуализации, а так же оценки принятия решения об окончании заряда;

Довольно долго проводился поиск в интернете и различных журналах подходящей схемы, однако они были или слишком неинформативными , или слишком сложными , или не обеспечивали требуемых технических характеристик.

В конце концов, за основу зарядного устройства (в дальнейшем ЗУ) была взята схема с , приспособленная под зарядку двух однотипных Ni-Cd или Ni-Mg аккумуляторов. Кроме этого был добавлен трехзначный светодиодный индикатор и написано новое программное обеспечение. Схема зарядного устройства приведена на рис.1.

Рис. 1

Особенность схемы – постоянное измерение тока в процессе заряда-разряда, что снизило требование к его стабильности и позволило делать более точный подсчет емкости.

Для питания устройства требуются два источника питания. Первый из них, подключенный к Х2-Х4 должен иметь характеристику близкую к источнику тока, с напряжением холостого хода около 4..6В, и током, соответствующему желаемому току заряда.

Второй, подключенный к Х3-Х4, должен быть источником напряжения, с напряжением 6…11В и током не менее 50мА для питания непосредственно схемы управления и индикации. Если напряжение этого источника будет не менее 8В, тогда вместо дорогого стабилизатора с малым падением напряжения LM2940-5 (DA2) можно использовать распространенный стабилизатор L7805 (КРЕН5А).

На практике было взято зарядное устройство от неизвестного телефона, на котором было написано DC 5.0V/740mA. В действительности на холостом ходу оно выдавало 7В, а ток заряда, при подключении его к двум последовательно включенным аккумуляторам, составил 580мА. Это зарядное устройство (на схеме показано как ZU) было переделано следующим образом. Конденсатор 4,7uF 400V заменен на 10uF 400V, для безопасности добавлен предохранитель 0,25А вместо используемого для этих целей резистора, на высоковольтный транзистор 13003 в корпусе ТО-126 (как у отечественного КТ815) прикреплен небольшой радиатор, и, самое главное, на трансформаторе была домотана дополнительная обмотка из 15 витков провода диаметром 0,18мм (на схеме W2) последовательно с существующей, после чего был допаян навесным монтажом диод VD10 типа 1N5819 и конденсатор С2 220 uF 25V. Необходимо, чтобы при намотке дополнительной обмотки W2 направление намотки было таким же, как в уже существующей W1 - напряжение на обмотках должно суммироваться. Диод VD10 и конденсатор С2 были приклеены термоклеем прямо к трансформатору.

Вся переделка заняла около полутора часов. В результате даже в начале заряда полностью разряженных новых аккумуляторов напряжение на контакте Х3 не опускалось ниже 7В, при этом ток заряда составлял 640мА. В конце заряда ток снижался до 560мА. Это позволило заряжать полностью разряженные аккумуляторы 2700мА/ч за 5часов. При необходимости увеличить ток заряда, следует применить более мощный обратноходовый импульсный блок питания, переделанный аналогичным образом, или в качестве источника тока (Х2-Х4) применить отдельный блок питания (более предпочтительно).

Схема управления построена на распространенном микроконтроллере фирмы Atmel – Atmega 8A. Контроллер настроен на внутренний генератор с частотой 1МГц. Выводы PC0 и PC1 контроллера настроены как входа АЦП. Резисторы R8,R6 и R7,R5 образуют делители для согласования напряжения на аккумуляторах с внутренним опорным источником напряжения АЦП контроллера– 2,56В. Благодаря делителям, максимальное измеряемое напряжение составило 2,56/3*(3+1,5)=3,84В. Стабилитроны VD5,VD6 служат для ограничения напряжения на входах на уровне 4,5В, конденсаторы С11,С12 – для фильтрации измеряемого напряжения.

Благодаря измерению напряжения до и после резистора R13, появилась возможность измерять ток заряда, и снизилось требование к стабильности тока заряда. При подсчете емкости устройство каждую секунду измеряет ток заряда в мА и суммирует его. На дисплее отражается значение суммы, разделенное на 3600, т.е. потребленная (отданная) емкость в мА/ч. Резистор R13 состоит из трех резисторов 1Ом 0.25Вт соединенных параллельно.

В устройстве HL2 применен трехзначный светодиодный индикатор с общим катодом KOOHI E30361LC8W. При проверке оказалось, что даже при токе 2 мА на сегмент, яркость свечения была достаточно интенсивной. Это позволило обойтись без дополнительных транзисторов, подключив катоды непосредственно к портам контроллера, так как суммарный ток не превышал разрешенные даташитом 40мА на порт. Как оказалось позже, без диодов VD7,8,9 индикатор тоже нормально работает. Возможно применение любого аналогичного индикатора. При недостаточной интенсивности свечения возможно уменьшение гасящих резисторов до 560Ом.

L1,C3,C4 служат для дополнительной фильтрации питания контроллера. Разъем Х1 предназначен для подключения зарядного устройства к компьютеру. Детали R1,R2,R25,R26,VD1,VD2 служат для защиты контроллера от неправильного подключения к внешнему устройству (компьютеру). Если такое подключение не планируется, их использование не обязательно.

Кнопка SA1 служит для выбора режима работы ЗУ при его включении. Светодиод VD4 служит для дополнительной индикации о текущем режиме работы ЗУ. Его наличие позволяет пользоваться ЗУ без индикатора HL2 (если нет необходимости в дополнительной информации о процессе заряда). Порт РВ6 используется программно и как вход, для опроса кнопки (когда светодиод погашен), и как выход – для индикации режима работы.

Датчик DS18B20 служит для измерения температуры аккумуляторов. Его необходимо располагать как можно ближе к аккумуляторам. В авторском варианте датчик был закреплен между аккумуляторами непосредственно в держателе, полусферой к аккумуляторам. При его отсутствии устройство тоже работает, но соответственно, температура не отображается.

Элементы VT1,VT2,VT3,R11,R12,R9,R10 образуют ключ зарядного тока. В качестве транзистора VT1 возможно применение любого маломощного n-p-n транзистора (например, КТ315Б), при этом необходимо увеличить резистор R9 до 4,7кОм. VT2 может быть любым аналогичным с коэффициентом передачи тока не менее 50.

VT4,R14,R15,R16 образуют разрядный ключ. При включении транзистора VT4 ток разряда аккумулятора протекает через резисторы R13,R16 и ограничивается ими на уровне около 410мА. Так как ток разряда протекает через резистор R13, имеется возможность измерять разрядный ток и подсчитывать отданную аккумулятором емкость, отпадает необходимость в разрядных источниках тока. В качестве транзистора VT4 возможно применение составного n-p-n транзистора, например КТ972, КТ827, при этом необходимо увеличить сопротивление R14 до 1,5кОм.

Разъем ХS1 предназначен для внутрисхемного программирования контроллера.

При частичном использовании SMD элементов размер платы составил 69х50мм. Светодиодный индикатор был закреплен непосредственно в корпусе ЗУ термоклеем, и соединялся с платой с помощью проводов МГТФ. Корпус для всего устройства был взят от блока питания приставки SEGA размером 80х55х50мм. В корпусе был выпилен паз под держатель аккумуляторов, который был вклеен термоклеем с внутренней стороны. Внешний вид платы показан на фото 1, компоновка компонентов внутри корпуса на фото 2, внешний вид всего ЗУ на фото3.

Фото 1

Фото 2

Фото 3

Для подключения схемы к компьютеру необходим адаптер (дата-кабель) собранный на MAX232 или ее аналоге. У автора схема была собрана согласно рис.2. Вывод Тх адаптера необходимо соединить с выводом Rx устройства, а Rx адаптера соответственно с Тх устройства.

Рис. 2

При разработке программы для устройства был использован алгоритм, описанный в .

Алгоритм работы зарядного устройства состоит из нескольких фаз:
1. Определение наличия аккумулятора.
2. Выбор режима работы.
3. Разряд (если был выбран)
4. Пред-зарядка (pre-charge).
5. Быстрая зарядка (fast charge).
6. Дозарядка (top-off charge).
7. Поддерживающая зарядка (maintenance charge).

В фазе определения наличия аккумулятора включается ключ подачи зарядного тока VT2, при этом измеряется напряжение на зажимах держателя. Если напряжение выше 3,3В, значит аккумуляторы отсутствуют. На индикаторе при этом высвечиваются прочерки "---". Снижение напряжения ниже 3,3В, расценивается как появление аккумуляторов, при этом индикатор HL2 гаснет, а светодиод VD4 начинает мигать с частотой пять раз в секунду.

Если в течение 25сек. кнопка SA1 не будет нажата, устройство «вспоминает» последний свой режим, хранящийся в ЕЕПРОМ, и начинает его отрабатывать. Т.е. если был сбой в питании, устройство продолжит заряжать аккумуляторы, если последний режим был зарядка, или перейдет в капельный режим подзарядки, если зарядка была окончена. Единственное «но» - информация о емкости заряда (разряда) будет утеряна, ЗУ начнет подсчет сначала. Это предотвращает повторный заряд полностью заряженных аккумуляторов при пропадании напряжения в сети.

Если же кнопка SA1 в течение первых 25сек. будет все же нажата, на индикаторе HL2 сначала высвечивается напряжение аккумуляторов (общее напряжение делится на два, т.е. высвечивается усредненное напряжение на один аккумулятор), затем начнет мигать «ЗР1» - режим заряда без разрядного импульса. Если повторно нажать кнопку высветится режим «ЗР2» - режим заряда с разрядным импульсом. При следующем нажатии высветится «РАЗ» - режим разряда с последующим зарядом в режиме «ЗР2». Дальше - по кругу, при этом светодиод VD4 мигает в соответствии с выбранным режимом (см. далее). На выбор режима дается 10сек. с момента последнего нажатия кнопки.

Если был выбран режим разряда, аккумуляторы сначала разряжаются, до напряжения менее 0,8В на один аккумулятор. При этом на индикаторе в цикле выводится следующая информация: «РАЗ» (режим), « U », «напряжение на один аккумулятор» (в вольтах), « А », «ток разряда» (в амперах), «АcH», «емкость разряда» (в ампер-часах). Светодиод VD4 при этом мигает с частотой два раза в секунду. Если разряд длится более девяти часов, высвечивается «ErH» - ошибка по времени. После разряда, ЗУ всегда переходит в режим быстрого заряда «ЗР2».

Режиму быстрого заряда (и ЗР1 и ЗР2) всегда предшествует фаза предзарядки. При этом ток заряда подается на 300мс., далее следует пауза 700мс. Т.е. средний ток составляет 30% от измеренного в момент подачи тока. При этом на индикаторе выводится следующая информация: «НЗР» (режим начального заряда), « U », «напряжение на один аккумулятор», « А », «ток в амперах» (средний ток), « t », «температура» (в град. Цельсия). Последние два значения не выводятся, если датчик не подключен, или измеренная температура менее 1°С. Светодиод VD4 при этом мигает с частотой раз в две секунды с короткими вспышками. Фаза предзарядки длится не менее 1мин. Основное условие перехода к основному режиму заряда – повышение напряжения на аккумуляторах более 1В на один аккумулятор. Если в течение 30 мин. не удается «раскачать» аккумуляторы, высвечивается ошибка «ErU» - ошибка по напряжению.

Режимы быстрой зарядки ЗР1 и ЗР2 происходят следующим образом. Включается зарядный ток. Раз в секунду зарядный ток выключается и делается небольшая пауза 5мс. для стабилизации. Далее на протяжении 16мс. делается подряд шесть замеров напряжения на аккумуляторах, после чего напряжение усредняется. Если выбран режим ЗР1, то после замеров снова включается зарядный ток. Если выбран режим ЗР2, тогда после замеров включается транзистор VT4, и через аккумуляторы протекает разрядный ток на протяжении 5мс., после чего VT4 отключается, и снова включаются VT1,VT2,VT3 – снова начинает протекать зарядный ток.

Как преимущество метода ЗР1 называют лучшее выравнивание концентрации активных веществ по всему объему, меньшую вероятность образования крупных кристаллических образований на электродах и их пассивации. Дополнительным преимуществом этого метода является то, что измерение напряжения происходит без протекания зарядного тока, практически исключается влияние сопротивления контактов и внутреннего сопротивления аккумуляторов на точность измерения. Режим с разрядным импульсом (ЗР2) называют FLEX negative pulse charging или Reflex Charging. Преимуществом такого метода называют более низкую температуру аккумулятора в процессе зарядки и способность устранять крупные кристаллические образования на электродах (вызывающих эффект «памяти»).

В процессе заряда на индикатор HL2 выводится в цикле следующая информация: «ЗР1» (или «ЗР2», если режим ЗР2), « U », «напряжение на один аккумулятор», « А », «ток в амперах», «АcH», «емкость заряда», « t », «температура», « dt », «приращение температуры». Последние четыре значения не индицируются, если температурный датчик DS18B20 отсутствует. В режиме ЗР1 светодиод VD4 моргает раз в секунду с равными интервалами паузы и засветки. В режиме ЗР2 – тоже раз в секунду но с длинной паузой и короткой засветкой.

Через 15 мин. после начала процесса быстрого заряда ЗУ запоминает начальную температуру аккумуляторов. В дальнейшем, устройство показывает параметр dt – увеличение температуры с начала заряда. Начальная температура запоминается через 15 мин. для того, чтобы уменьшить влияние нагрева от блока питания, после включения его на полный ток заряда. Увеличение параметра dt до 15°С является одним из условий окончания заряда. Дело в том, что в конце заряда энергия, передаваемая ЗУ перестает поглощаться аккумуляторами, и практически полностью переходит в тепловую. Это вызывает нарушение теплового баланса, и температура начинает расти до некоторого нового значения, при которой энергия принятая аккумуляторами от ЗУ не станет равной отданной аккумуляторами в окружающую среду. Энергия, отданная аккумуляторами в окружающую среду, в первом приближении зависит от геометрии аккумуляторов (которая не менялась с начала заряда), и разности температур аккумуляторов и окружающей среды. Таким образом, для каждого тока заряда, будет свое, достаточно постоянное значение приращения температуры в конце заряда. Именно приращение, а не какое-либо конкретное значение температуры. Экспериментально было определено, что для тока заряда 600мА и формата аккумуляторов АА приращение температуры в конце заряда составляет 11…13°С. Так как этот метод использовался автором как дополнительный, значение приращения было выбрано с запасом - 15°С. На практике окончание заряда по dt происходит достаточно редко, как правило, у старых аккумуляторов большой емкости.

Основным критерием определения окончания зарядки является снижение или постоянство напряжения на 10-и минутном интервале, т.е. dV£0. В памяти ЗУ организован массив из десяти ячеек. ЗУ проводит каждую секунду замер напряжения и суммирует его с предыдущими значениями. Раз в 60 сек. проводится усреднение, т.е. полученная сумма делится на 60, затем массив сдвигается, и в освободившуюся ячейку записывается полученное значение, при этом счетчик суммы обнуляется. Таким образом, всегда доступны значения напряжений в течение последних десяти минут, с минутным интервалом. После этого проводится проверка на dV£0, т.е. все предыдущие значения напряжений должны быть больше или равны последнему U i ³U 10 . Однако после испытаний устройства пришлось несколько дополнить условие. Дело в том, что АЦП дискретное, и в данном устройстве имеет 1024 ступеньки, относительно опорного напряжения, 2,56В. С учетом резистивных делителей шаг ступеньки составляет около 3,7мВ. Таким образом, если даже напряжение на аккумуляторе не растет, но находится на середине ступеньки, АЦП выдает «плавающее» напряжение на величину ступеньки. За счет многократных усреднений (за минуту усредняется 360 измерений) реальное колебание напряжения в массиве при постоянном напряжении аккумуляторов составляло 2мВ. Это затягивало момент определения окончания зарядки, что часто приводило к окончанию зарядки по условию превышения температуры dt. В связи с этим, условие было несколько смягчено – из девяти проверок условий, 5 должны были точно соблюдать условие U i ³U 10 , а четыре могли отклоняться от него не более чем на 2мВ, т.е. если U i 10, то (U 10 - U i) £2мВ. После этого изменения многократный анализ зарядных кривых показал стабильность срабатывания ЗУ.

В процессе быстрой зарядки ЗР1 и ЗР2 возможны следующие аварии: при времени зарядки более 9ч. – ошибка по времени «ErH», при отдаче в аккумулятор более 3800мА/ч – ошибка по емкости – ErA, если после детектирования окончания заряда напряжение на двух аккумуляторах менее 2,5В – ошибка по напряжению «ErU». В режиме ошибки светодиод VD4 мигает пять раз в секунду.

После детектирования окончания зарядки (dV или dt), или если в процессе зарядки аккумуляторы нагрелись до критической температуры 50°С, ЗУ переходит в режим дозарядки. Этот режим длится 20мин. и служит для выравнивания заряда аккумуляторов в батарее. Если температура аккумуляторов более 40°С, ток дозарядки составляет 5%, если менее 40°С – 20% от тока зарядного источника. Величина тока дозарядки регулируется импульсным методом, так же как и в режиме предзарядки.

В процессе дозаряда на индикатор HL2 выводится в цикле информация аналогичная режиму основного заряда, только режим индицируется как «dЗР», и не выводится информация превышения температуры « dt ». Светодиод VD4 при этом мигает с частотой раз в две секунды с длинными засветками.

После окончания режима дозаряда, ЗУ переходит в режим поддерживающего капельного заряда 0,5% током. При этом один раз, непосредственно после окончания дозаряда, производится ориентировочный расчет внутреннего сопротивления аккумуляторов, на основании замера напряжения аккумуляторов без нагрузки, а так же под нагрузкой разрядным сопротивлением, по формуле R вн =(Е эдс *5,97)/U наг –5,97, где 5,97 – сопротивление нагрузки (0,33+5,1+0,54(сопротивление транзистора)). На индикатор выводится следующая информация: « ОК»; « dU» - если было срабатывание по методу dV£0, или « dt» - если было срабатывание по условию превышения температуры dt; « U »; «напряжение на один аккумулятор в конце заряда»; «Е-З»; «емкость заряда»; «Е-Р» (если был режим разряда); «емкость разряда» (если был режим разряда) ; «rВН»; «внутреннее сопротивление в конце заряда» (в Омах). Светодиод VD4 при этом постоянно светится. Процесс заряда окончен.

Для визуализации процесса было создано приложение в бесплатной графической среде программирования Hi-Asm (http://hiasm.com). На сайте автора среды Hi-Asm и в интернете находится достаточное количество примеров, автору этой статьи понадобилось всего четыре вечера для создания приложения ЗУ без каких либо навыков программирования на языках подобного уровня. Для запуска всего комплекса необходимо сначала подсоединить кабель адаптера к ЗУ и COM1 порту компьютера, запустить приложение СHARGER.exe, после чего установить аккумуляторы в ЗУ и подать питание. После индикации на дисплее напряжения, выбрать необходимый режим зарядки: ЗР1, ЗР2 или РАЗ с помощью кнопки SA1. После начала соответствующего режима необходимо нажать кнопку «ЦИКЛ» в приложении CHARGER, в результате начнут строиться графики изменения температуры и напряжения аккумуляторов в процессе заряда. После нажатия кнопки «ЦИКЛ» приложение раз в минуту отправляет запрос на ЗУ в виде кода 0x0F. В ответ ЗУ отсылает пакет из восьми байт: четыре байта напряжения аккумуляторов в мВ (без запятой), затем три байта температуры (первые два целые, затем десятые без запятой), в конце код CR (13). Все данные отправляются в коде ACS||. Когда процесс заряда окончен, ЗУ передает во всех данных нули, в результате появится окно с надписью «Заряд окончен».

Для примера приведены графики заряда аккумуляторов GP 2700мА/ч (возраст 1,5лет) - Рис. 3, DURACEL 2650мА/ч (новые) - Рис. 4., неизвестного происхождения с надписью 700мА/ч от радиоуправляемой машинки (возраст полгода) - Рис. 5.

На рис.3 приведены графики заряда аккумуляторов от фотоаппарата, описанных в начале статьи. Как видим аккумуляторы смогли отдать сразу после зарядки всего 1210мА/ч, КПД зарядного процесса составило всего около 67%, у аккумуляторов достаточно высокое внутреннее сопротивление – 0,52Ом (на два последовательно включенных аккумулятора). Снижения напряжения в конце быстрого заряда не было. Так как КПД процесса был низким, температура росла достаточно интенсивно на протяжении всего времени, хотя увеличение температуры в конце заряда все равно достаточно очевидно.

Рис. 3. GP 2700мА/ч (возраст 1,5лет) R вн =0,52 Ом, Е зар =1,79А/ч, Е раз =1,21А/ч

На рис. 4 приведены графики заряда аккумуляторов DURACEL приобретенных взамен GP. Здесь графики как из учебника – явный пик напряжения со спадом в 5мВ. Температура в процессе заряда практически не увеличивается, и имеет очень выраженный резкий рост в конце заряда, со скоростью роста 0,3°С/мин. КПД процесса около 90%, а сопротивление аккумуляторов 0,21Ом. Фотоаппарат на одном заряде этих аккумуляторов смог отснять 7Гб фото и видео на протяжении двух месяцев интенсивной эксплуатации!

Рис. 4 DURACEL 2650мА/ч (новые) R вн =0,21Ом, Е зар =2,95А/ч, Е раз =2,66А/ч

Ну и последние графики на рис. 5 показывают процесс заряда аккумуляторов неизвестного китайского производителя. Радиоуправляемая машинка, которая комплектовалась этими аккумуляторами, через полгода практически перестала функционировать – заряда аккумуляторов хватало на 1-2мин. Как видим, их реальная емкость всего 110мА/ч, вместо обещанных 700мА/ч. По графику напряжения видно, что аккумуляторами их уже назвать трудно...

Рис. 5 Неизвестные 700мА/ч (возраст вн =0,27Ом, Е зар =0,23А/ч, Ераз=0,11А/ч

Зарядное устройство практически не требует наладки. Возможно, будет необходимо подстроить делители напряжений, так как возможна довольно большая погрешность в связи с разбросом номиналов. Для этого необходимо в ЗУ установить заранее заряженные аккумуляторы, и включить его в режим разряда. В этом режиме подбором R6 или R8 откалибровать индицируемое напряжение аккумуляторов, отображаемое на индикаторе HL2 по эталонному вольтметру, подключенному непосредственно к аккумуляторам. После этого включить последовательно с аккумуляторами эталонный амперметр, и подбором R5 или R7 (тоже в режиме разряда) откалибровать индицируемый ток. Второй способ – откалибровать поправочным коэффициентом внутри программы, как и где менять – есть в примечаниях исходника.

Прошивка микроконтроллера производилась с помощью обычного LPT программатора, состоящего из 4-х резисторов (в интернете находится без особого труда). Запрограммированные фьюзы: CKSEL3=CKSEL2=CKSEL1=SUT0=0 – галочки. Вместо Atmega 8A можно применить Atmega 8.

При планировании компоновки элементов ЗУ внутри корпуса, необходимо максимально уменьшить влияние нагрева аккумуляторов от компонентов блока питания и платы!

При эксплуатации ЗУ вместе с аккумуляторами DURACEL выяснился интересный факт: если аккумуляторами практически не пользоваться более полутора месяцев, их емкость после разряда-заряда оказывается всего 1700…1800мАч, однако после одного-двух циклов разряда-заряда емкость восстанавливается до 2600мАч. А вот старым аккумуляторам GP и Energizer уже ничего не помогало – со временем их емкость неукоснительно снижалась. Вывод напрашивается сам – если не пользуетесь аккумуляторами, то хотя бы раз в месяц делайте им тренировочные циклы.

Hex-коды прошивки контроллера, исходный проект на Си (для ), схема и разводка платы (), приложение СHARGER.exe, его исходник на Hi-Asm (v.4.03) прилагаются к статье.

Литература

1. Дмитрий Мосин. Умная зарядка NiMh AA аккумуляторов // www.radiokot.ru/circuit/power/charger/10/
2. Абрамов С.М. Зарядное устройство для пальчиковых батареек //Радиоаматор. – 2010. - №9. – С.36.
3. Ридико Л.И. Немного о зарядке NiMH и NiCd аккумуляторов // http://caxapa.ru/lib/charge_nimh.pdf

Список радиоэлементов

Nimh аккумуляторы – источники питания, которые относят к щелочным АКБ. Они схожи с никель-водородными аккумуляторными батареями. Но уровень их энергетической емкости больше.

Внутренний состав аккумуляторов ni mh схож с составом никель-кадмиевых источников питания. Для подготовки плюсового вывода используют такой химический элемент, никель, минусового – сплав, который включает водородные металлы поглощающего типа.

Выделяют несколько типовых конструкций никель металл гидридных АКБ:

• Цилиндр. Для разделения токопроводящих выводов использован сепаратор, которому задана форма цилиндра. На крышке сосредоточен аварийный клапан, который приоткрывается при существенном повышении давления.
• Призма. В таком никель металл гидридном аккумуляторе электроды сосредоточены поочередно. Для их разделения применен сепаратор. Для размещения основных элементов используется корпус, подготовленный из пластика или специального сплава. Для контроля давления в состав крышки вводят клапан либо датчик.

Среди достоинств такого источника питания выделяют:

• Удельные энергетические параметры источника питания возрастают в процессе эксплуатации.
• При подготовке токопроводящих элементов не используется кадмий. Поэтому проблем с утилизацией АКБ не возникает.
• Отсутствие своеобразного «эффекта памяти». Поэтому необходимости в увеличении емкости нет.
• Дабы справиться с разрядным напряжением (снизить его), специалисты выполняют разрядку агрегата до 1 В 1–2 раза в месяц.

Среди ограничений, которые имеют отношение к аккумуляторам никель металлгидридным, выделяют:

• Соблюдение установленного интервала рабочих токов. Превышение этих показателей приводит к стремительному разряду.
• Эксплуатация источник питания этого типа в сильные морозы не допускается.
• В состав АКБ вводят термические предохранители, с помощью которых определяют перегрев агрегата, повышение уровня температуры до критического показателя.
• Склонность к саморазряду.

Зарядка аккумулятора никель металлгидридного

Процесс зарядки никель металлогидридных аккумуляторов связан с определенными химическими реакциями. Для их нормального протекания требуется часть энергии, которая подается зарядником, от сети.

КПД зарядного процесса представляет собой часть получаемой источником питания энергии, которая запасается. Величина этого показателя может разниться. Но при этом получить 100-процентное КПД невозможно.

Перед тем как заряжать металлогидридные аккумуляторы, изучают основные виды, которые зависят от величины тока.

Капельный тип зарядки

Применять этот вид зарядки для аккумуляторов необходимо осторожно, поскольку он приводит к уменьшению периода эксплуатации. Так как отключение зарядника этого типа осуществляется вручную, процесс нуждается в постоянном контроле, регулировании. В этом случае устанавливается минимальный показатель тока (0,1 от общей емкости).

Поскольку при такой зарядке ni mh аккумуляторов максимальное напряжение не устанавливается, ориентируются только на временной показатель. Для оценки временного промежутка используют параметры емкости, которые имеет разряженный источник питания.

КПД заряженного таким способом источника питания составляет около 65–70 процентов. Поэтому компании-изготовители не советуют пользоваться такими зарядниками, поскольку они влияют на эксплуатационные параметры аккумуляторной батареи.

Быстрая подзарядка

Определяя, каким током можно заряжать ni mh батарейки в быстром режиме, учитываются рекомендации производителей. Величина тока – от 0,75 до 1 от общей емкости. Превышать установленный интервал не рекомендуется, так как аварийные клапана включаются.

Для заряда nimh аккумуляторов в быстром режиме устанавливается напряжение от 0,8 до 8 вольт.

КПД быстрой зарядки ni mh источников питания достигает 90 процентов. Но этот параметр уменьшается, как только время зарядки заканчивается. Если своевременно не отключить зарядник, то внутри батарейки начнет увеличиваться давление, возрастет температурный показатель.

Дабы зарядить ni mh акб, выполняют такие действия:

• Предварительная зарядка

Этот режим вводят в том случае, если батарейка полностью разряжена. На этом этапе ток составляет от 0,1 до 0,3 от емкости. Пользоваться большими токами запрещено. Временной промежуток – около получаса. Как только параметр напряжения достигает 0,8 вольт, то процесс прекращается.

• Переход на ускоренный режим

Процесс наращивания тока осуществляется в течение 3–5 минут. В течение всего временного промежутка контролируется температура. Если этот параметр достигает критического значения, то зарядник отключается.

При быстрой зарядке никель металлогидридные батареек ток устанавливается на уровне 1 от общей емкости. При этом очень важно быстро отключить заряжающее устройство, дабы не нанести вред аккумулятору.

Для контроля напряжения используют мультиметр или вольтметр. Это способствует исключению ложных срабатываний, которые пагубно влияют на работоспособность устройства.

Часть зарядных устройств для ni mh аккумуляторов работают не при постоянном, а при импульсном токе. Подача тока осуществляется с установленной периодичностью. Подача импульсного тока способствует равномерному распределению электролитического состава, активных веществ.

• Дополнительная и поддерживающая зарядка

Для восполнения полного заряда ni mh аккумулятора на последнем этапе показатель тока снижается до 0,3 от емкости. Продолжительность – около 25–30 минут. Увеличивать этот временной промежуток запрещено, поскольку это способствует минимизации периода эксплуатации АКБ.

Ускоренная зарядка

Некоторые модели зарядных устройств для никель кадмиевых аккумуляторов оснащены режимом ускоренной зарядки. Для этого ток зарядки ограничивают, устанавливая параметры на уровне 9–10 от емкости. Снижать ток заряда нужно, как только батарея будет заряжена до 70 процентов.

Если аккумуляторная батарея заряжается в ускоренном режиме более получаса, то структура токопроводящих выводов постепенно разрушается. Специалисты рекомендуют пользоваться такой зарядкой, если вы обладаете определенным опытом.

Как правильно заряжать источники питания, а также исключить вероятность перезарядки? Для этого следует соблюдать такие правила:

1. Контроль температурного режима ni mh аккумуляторов. Прекращать зарядку nimh аккумуляторов необходимо, как только уровень температуры стремительно повышается.
2. Для nimh источников питания установлены временные ограничения, которые позволяют контролировать процесс.
3. Разряжать ni mh аккумуляторные батареи и заряжать их необходимо при напряжении, которое равно 0,98. Если этот параметр существенно снижается, то выполняется отключение зарядников.

Восстановление никель металлогидридных источников питания

Процесс восстановления ni mh аккумуляторов заключается в ликвидации последствий «эффекта памяти», которые связаны с потерей емкости. Вероятность возникновения такого эффекта увеличивается, если часто осуществлять неполную зарядку агрегата. Аппаратом фиксируется нижняя граница, после чего емкость снижается.

Перед тем как восстановить источник питания, подготавливаются такие предметы:

• Лампочка требуемой мощности.
• Зарядник. Перед применением важно уточнить, можно ли использовать зарядник для разрядки.
• Вольтметр или мультиметр для установления напряжения.

К аккумуляторной батареи своими руками подводят лампочку либо же зарядник, который оснащен соответствующим режимом, дабы полностью ее разрядить. После этого включается режим зарядки. Численность циклов восстановления зависит от того, в течение какого срока не эксплуатировалась АКБ. Процесс тренировки рекомендуют повторять 1–2 раза в течение месяца. Кстати, восстанавливаю таким способом те источники, которые потеряли 5–10 процентов от общей емкости.

Для вычисления утраченной емкости используют достаточно простой способ. Так, аккумуляторную батарею полностью заряжают, после чего его разряжают и измеряют емкость.

Этот процесс существенно упроститься, если пользоваться зарядным устройством, с помощью которого можно контролировать и уровень напряжения. Такие агрегаты выгодно использовать еще и потому, что вероятность глубокого разряда сокращается.

Если степень заряженности никелевых металлогидридных батарей не установлена, то подводить лампочку необходимо осторожно. С помощью мультиметра контролируется уровень напряжения. Только так предотвращается вероятность полного разряда.

Опытные специалисты проводят, как восстановление одного элемента, так и целого блока. В период зарядки проводят выравнивание имеющегося заряда.

Восстановление источника питания, который эксплуатировался в течение 2–3 лет, при полном заряде, разряде не всегда приносит ожидаемый результат. Все потому, что электролитический состав и токопроводящие выводы постепенно меняются. Перед применением таких устройств выполняется восстановление электролитического состава.

Просмотрите видео про восстановление такого аккумулятора.

Правила использования никель-металлогидридных аккумуляторных батарей

Продолжительность эксплуатации ni mh аккумуляторов во многом зависит от того, не допускается ли перегрев или существенный перезаряд источника питания. Дополнительно мастера советуют учитывать следующие правила:

• Вне зависимости от того, сколько будут храниться источники питания, их обязательно заряжают. Процент заряда должен составлять не менее 50 от общей емкости. Только в этом случае проблем во время хранения и обслуживания не будет.
• Аккумуляторные батареи такого типа отличаются чувствительностью к перезарядке, к чрезмерному нагреву. Эти показатели пагубно сказываются на продолжительности использования, величине токоотдачи. Для этих источников питания требуются специальные зарядники.
• Проводить тренировочные циклы для никель-металлогидридных источников питания необязательно. При помощи проверенного зарядника потерянная емкость восстанавливается. Численность восстановительных циклов во многом зависит от того, в каком состоянии агрегат.
• Между циклами восстановления обязательно делают перерывы, а также изучают, как зарядить АКБ эксплуатируемое. Этот временной промежуток требуется, дабы агрегат остыл, уровень температуры опустился до требуемого показателя.
• Процедура подзарядки или тренировочного цикла проводится только в приемлемом температурном режиме: +5-+50 градусов. Если превышать этот показатель, то вероятность стремительного выхода из строя повышается.
• При подзарядке следят за тем, чтобы напряжение не опускалось ниже, чем 0,9 вольта. Ведь некоторые зарядники не осуществляют зарядку, если это значение минимальное. В таких случаях допускается подведение внешнего источника для восстановления питания.
• Циклическое восстановление проводят при условии, что есть определенный опыт. Ведь не все зарядные устройства можно использовать для разрядки аккумулятора.
• Процедура хранения включает ряд простых правил. Не допускается хранение источника питания на открытом воздухе или в помещениях, в которых уровень температуры снижается до 0 градусов. Это провоцирует застывание электролитического состава.

Если единовременно осуществляется зарядка не одного, а нескольких источников питания, то степень заряженности поддерживается на установленном уровне. Поэтому неопытные потребители осуществляют восстановление АКБ отдельно.

Nimh аккумуляторы – эффективные источники питания, которыми активно пользуются для комплектации различных устройств и агрегатов. Они выделяются определенными преимуществами, особенности. Перед их эксплуатацией обязателен учет основных правил использования.

Видео про Nimh аккумуляторы

На этот раз речь пойдет о конструировании простейшего USB-зарядника для Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторных батарей.

Схема довольно хорошего зарядника проста и может быть реализована с бюджетом всего в 20 рублей. Это уже дешевле, чем любая китайская зарядка. Сердцем нашего зарядного устройства всем хорошо знакомая микросхема линейного стабилизатора LM317.

На вход схемы подается напряжение 5 В от любого USB-порта.

Микросхема стабилизирует напряжение до уровня 1,5 В. Это напряжение полностью заряженного Ni-Mh аккумулятора.

А работает устройство очень просто. Аккумулятор будет заряжаться напряжением 1,5-1,6 Вольт от микросхемы. Резистор R1 в качестве датчика тока одновременно ограничивает ток заряда. Путем его подбора ток можно уменьшить или увеличить.

Когда на выход схемы подключен аккумулятор, на резисторе R1 образуется падение напряжения. Его достаточно для срабатывания транзистора, в коллекторную цепь которого подключен светодиод. Последний загорается и по мере заряда аккумулятора будет потухать до полного отключения. Это произойдет в конце зарядного процесса.

Таким образом, диод горит, когда аккумулятор заряжается, и тухнет, когда последний полностью заряжен. Одновременно по мере заряда аккумулятора будет снижаться сила тока, и в конце ее значение будет равно 0.

Из этого следует, что перезаряд и выход из строя аккумулятора невозможны.

Микросхема LM317 работает в линейном режиме, поэтому небольшой теплоотвод не помешает. Хотя при токе 300 мА нагрев микросхемы в пределах нормы. Светодиод желательно подобрать с минимальным рабочим напряжением. Цвет абсолютно не важен. Вместо BC337 допускается использование любого маломощного транзистора обратной проводимости, хоть на КТ315. Желательная мощность резистора R1 0,5-1 Ватт. Все оставшиеся резисторы – 0,25 и даже 0,125 Ватт. Поскольку диапазон напряжений очень узкий, то даже погрешность резисторов может повлиять на работу схемы. Поэтому резистор R2 настоятельно рекомендуется заменить на многооборотный сопротивлением 100 Ом.

С его помощью можно очень точно отрегулировать нужное выходное напряжение.

Сперва нужно найти все необходимые компоненты, а также слот для батареек.

Устройство может заряжать аккумуляторы практически любого стандарта, если приспособить соответствующий слот. При сборке можно не использовать печатную плату. Монтаж делается навесным способом. Компоненты приклеиваются под слот батареек и заливаются термоклеем, поскольку схема очень надежна в работе.

Собранное устройство выглядит примерно так:

Но может выглядеть гораздо лучше.

Только необходимо подобрать светодиод с минимально возможным напряжением свечения, в противном случае он может вообще не светиться. По этой схеме можно заряжать несколько аккумуляторов, но рекомендуется использовать только для заряда одного.