Prozkoumány jednoduché obvody nabíječky Ni-Cd

Příspěvek pojednává o jednoduchém nabíjecím obvodu NiCd s automatickou ochranou proti přebití a nabíjením konstantním proudem.

Pokud jde o správné nabíjení nikl-kadmiového článku, důrazně se doporučuje, aby byl proces nabíjení zastaven nebo přerušen, jakmile dosáhne plné úrovně nabití. Nedodržení tohoto může nepříznivě ovlivnit životnost buňky a výrazně snížit její účinnost zálohování.

Níže uvedený jednoduchý nabíjecí obvod Ni-Cad účinně řeší kritérium přebíjení tím, že zahrnuje zařízení, jako je nabíjení konstantním proudem, a odpojení napájení, když terminál článku dosáhne hodnoty plného nabití.

Hlavní vlastnosti a výhody

• Automatické vypnutí při plném nabití
• Konstantní proud po celou dobu nabíjení.
• LED indikace pro úplné nabití.
• Umožňuje uživateli přidat více fází pro současné nabíjení až 10 článků NiCd.

Kruhový diagram

Jak to funguje

Zde popsaná jednoduchá konfigurace je navržena tak, aby nabíjela jeden 500 mAh „AA“ článek s doporučenou rychlostí nabíjení blízkou 50 mA, nicméně by se dalo pohodlně levně přizpůsobit k nabíjení několika článků společně opakováním oblasti zobrazené tečkovanými čarami.

Napájecí napětí pro obvod je získáváno z transformátoru, můstkového usměrňovače a 5 V IC regulátoru.

Buňka je nabitá tranzistorem T1, který je konfigurován jako zdroj konstantního proudu.

T1 je naopak řízen komparátorem napětí pomocí spouště TTL Schmitt N1. Během doby, kdy se článek nabíjí, se koncové napětí článku udržuje kolem 1,25 V.

Tato úroveň se zdá být nižší než kladná prahová hodnota spouště N1, která udržuje výstup N1 vysoký a výstup N2 se stává nízkým, což umožňuje T1 získat základní zkreslení napětí přes dělič potenciálu R4 / R5.

Dokud se Ni-Cd článek nabije, LED D1 zůstane svítit. Jakmile se článek přiblíží ke stavu úplného nabití, jeho koncové napětí se vyšplhá na přibližně 1,45 V. Z tohoto důvodu stoupá kladná prahová hodnota spouště N1, což vede k vysokému výstupu N2.

Tato situace okamžitě vypne T1. Buňka se nyní přestane nabíjet a také zhasne LED D1.

Protože pozitivní aktivační limit N1 je přibližně 1,7 V a je řízen specifickou tolerancí, jsou začleněny R3 a P1, aby jej změnily na 1,45 V. Negativní spouštěcí limit Schmittova spouště je kolem 0,9 V, což se stane být nižší než koncové napětí dokonce i zcela vybitého článku.

To znamená, že připojení vybitého článku v obvodu nikdy nespustí automatické zahájení nabíjení. Z tohoto důvodu je zahrnuto startovací tlačítko S1, které po stisknutí sníží vstup NI na nízkou hodnotu.

Pro nabití většího počtu článků lze část obvodu odhalenou v tečkovaném rámečku opakovat samostatně, jeden pro každou baterii.

Tím je zajištěno, že bez ohledu na úrovně vybití článků je každý z nich individuálně nabitý na správnou úroveň.

Design desek plošných spojů a překrytí komponent

V návrhu desky plošných spojů jsou duplikovány dva stupně, které umožňují současné nabíjení dvou článků Nicad z jedné sady.

Nabíječka Ni-Cad pomocí rezistoru

Tuto konkrétní jednoduchou nabíječku lze zkonstruovat z částí, které lze vidět téměř v jakémkoli kontejneru nevyžádané pošty konstruktéra. Pro optimální životnost (počet nabíjecích cyklů) musí být baterie Ni-Cad nabíjeny relativně konstantním proudem.

Toho lze často dosáhnout poměrně snadno nabíjením pomocí odporu z napájecího napětí mnohonásobně vyššího než napětí baterie. Změna napětí baterie při jejím nabíjení bude mít pravděpodobně minimální vliv na nabíjecí proud. Navrhovaný obvod je tvořen pouze transformátorem, diodovým usměrňovačem a sériovým rezistorem, jak je znázorněno na obrázku 1.

Přidružený grafický obraz umožňuje stanovit potřebnou hodnotu sériového odporu.

Vodorovným napětím transformátoru na svislé ose je vedena vodorovná čára, dokud nepřekročí stanovenou napěťovou čáru baterie. Poté nám čára tažená svisle dolů od tohoto bodu ke splnění vodorovné osy následně poskytne potřebnou hodnotu odporu v ohmech.

Například tečkovaná čára ukazuje, že pokud je napětí transformátoru 18 V a Ni-Cd baterie, která má být nabitá, 6 V, pak hodnota odporu bude pro zamýšlenou regulaci proudu kolem 36 ohmů.

Tento indikovaný odpor se vypočítá tak, aby poskytoval 120 mA, zatímco u některých dalších rychlostí nabíjecího proudu bude třeba hodnotu odporu odpovídajícím způsobem snížit, např. 18 ohmů pro 240 mA, 72 ohmů pro 60 mA atd. D1.

Nabíjecí obvod NiCad pomocí automatického řízení proudu

Nikl-kadmiové baterie obecně vyžadují nabíjení konstantním proudem. Níže zobrazený nabíjecí obvod NiCad je vyvinut tak, aby napájel buď 50 mA až čtyři články 1,25 V (typ AA), nebo 250 mA až čtyři články 1,25 V (typ C) zapojené do série, i když jej lze jednoduše upravit pro různé jiné hodnoty nabíjení.

V diskutovaném nabíjecím obvodu NiCad R1 a R2 fixujte výstupní napětí při zatížení na přibližně 8V.

Výstupní proud se pohybuje buď pomocí R6 nebo R7 a při jeho vzestupu se tranzistor Tr1 postupně zapíná.

To způsobuje bod Y ke zvýšení, zapnutí tranzistoru Tr2 a povolení bodu Z, aby se stal méně méně pozitivním.

Proces následně snižuje výstupní napětí a má tendenci snižovat proud. Nakonec je dosaženo úrovně rovnováhy, která je určena hodnotou R6 a R7.

Dioda D5 blokuje nabíjenou baterii a zajišťuje napájení výstupu IC1 v případě odpojení 12V, což by mohlo způsobit vážné poškození IC.

FS2 je zabudován pro ochranu před poškozením nabíjených baterií.

Volba R6 a R7 se provádí pomocí pokusů a omylů, což znamená, že budete potřebovat ampérmetr s vhodným rozsahem, nebo pokud jsou hodnoty R6 a R7 skutečně známy, pak pokles napětí na nich lze vypočítat pomocí Ohmova zákona.

Ni-Cd nabíječka využívající Single Op Amp

Tento nabíjecí obvod Ni-Cd je navržen pro nabíjení standardních baterií NiCad velikosti AA. Pro články NiCad se většinou doporučuje speciální nabíječka z toho důvodu, že mají extrémně nízký vnitřní odpor, což má za následek zvýšený nabíjecí proud, i když je použité napětí jen o něco vyšší.

Nabíječka by proto měla obsahovat obvod omezující nabíjecí proud na správnou mez. V tomto obvodu fungují T1, D1, D2 a C1 jako tradiční sestupný, izolační, plnovlnný usměrňovač a stejnosměrný filtrační obvod. Dodatečné části nabízejí aktuální nařízení.

IC1 se používá jako komparátor se samostatným vyrovnávacím stupněm Q1, který v tomto provedení poskytuje zdánlivě vysokou funkci výstupního proudu. Neinvertující vstup IC1 je napájen 0,65 V: referenční napětí prezentované prostřednictvím R1 a D3. Invertující vstup je připojen k zemi přes R2 v klidových úrovních proudu, což umožňuje, aby byl výstup zcela kladný. Když je na výstupu připojen článek NiCad, může vysoký proud vyvinout úsilí přes R2, což způsobí, že se na R2 vyvine ekvivalentní množství napětí.

Může se pouze zvýšit na 0,6 V, nicméně rostoucí napětí v tomto bodě obrátí vstupní potenciály vstupů IC1, což způsobí snížení výstupního napětí a snížení napětí kolem R2 zpět o 0,65 V. Nejvyšší výstupní proud (a také přijatý nabíjecí proud) je výsledkem proudu generovaného s 0,65 V přes 10 ohmů nebo jednoduše 65 mA.

Většina AA NiCad článků má optimální preferovaný nabíjecí proud nejvýše 45 nebo 50 mA a pro tuto kategorii musí být R2 zvýšen na 13 ohmů, abyste mohli mít odpovídající nabíjecí proud.

Několik typů rychlých nabíječek může pracovat se 150 mA, což vyžaduje snížení R2 na 4,3 ohmů (3,3 ohmů plus 1 ohm v sérii, pokud nelze získat ideální část).

Dále je třeba vylepšit T1 na variantu s jmenovitým proudem 250 mA. Q1 musí být instalován pomocí malého šroubovaného žebrovaného chladiče. Zařízení může snadno nabíjet až čtyři články (6 článků, když je T1 upgradován na typ 12 V) a všechny tyto by měly být připojeny sériově přes výstup, a ne paralelně.

Univerzální nabíjecí obvod NiCad

Obrázek 1 zobrazuje schéma zapojení univerzální nabíječky NiCad. Zdroj proudu je vyvíjen pomocí tranzistorů T1, T2 a T3, které nabízejí konstantní nabíjecí proud.

Zdroj proudu se aktivuje pouze tehdy, když jsou články NiCad připojeny správným způsobem. ICI je umístěn tak, aby zkontroloval síť ověřením polarity napětí na výstupních svorkách. Pokud jsou články správně sestaveny, pin 2 IC1 se nedokáže otočit tak pozitivně jako na pin 3.

Výsledkem je, že výstup IC1 dostane kladný signál a získá základní proud do T2, který zapne aktuální zdroj. Aktuální limit zdroje lze opravit pomocí S1. Jakmile jsou určeny hodnoty R6, R7 a RB, lze přednastavit proud 50 mA, 180 mA a 400 mA. Uvedení S1 do bodu 1 ukazuje, že lze nabíjet články NiCad, pozice 2 je určena pro C buňky a pozice 3 je vyhrazena pro D buňky.

Různé díly

TR1 = transformátor 2 x 12 V / 0,5 A
S1 = 3polohový spínač
S2 = 2polohový spínač

Současný zdroj pracuje na velmi základním principu. Obvod je zapojen jako aktuální zpětnovazební síť. Představte si, že S1 je na pozici 1 a výstup IC1 je kladný. T2 a 13 nyní začínají získávat základní proud a iniciují vedení. Proud přes tyto tranzistory představuje napětí kolem R6, které spouští T1 do provozu.

Zvyšující se proud kolem R6 znamená, že T1 může vést s větší silou, čímž se minimalizuje základní budicí proud pro tranzistory T2 a T3.

Druhý tranzistor může v tomto bodě vést méně a počáteční nárůst proudu je omezen. Tím bude implementován přiměřeně konstantní proud pomocí R3 a připojených NiCad článků.

Několik LED diod připojených k aktuálnímu zdroji indikuje provozní stav nabíječky NiCad v každém okamžiku. Jakmile jsou články NiCad připojeny správným způsobem, rozsvítí IC1 kladné napětí a rozsvítí LED D8.

Pokud nejsou články připojeny se správnou polaritou, bude kladný potenciál na pinu 2 na IC1 vyšší než na pinu 3, což způsobí, že výstup komparátoru op amp se stane 0 V.

V takovém případě zůstane aktuální zdroj vypnutý a LED D8 se nerozsvítí. Stejný stav může nastat, pokud nejsou připojeny žádné články pro nabíjení. K tomu může dojít, protože pin 2 bude mít zvýšené napětí ve srovnání s pinem 3 kvůli poklesu napětí na D10.

Nabíječka se aktivuje, pouze když je připojen článek obsahující minimálně 1 V. LED D9 ukazuje, že zdroj proudu pracuje jako zdroj proudu.

To se může zdát docela zvláštní, nicméně vstupní proud generovaný IC1 prostě není dostatečný, úroveň napětí musí být také dostatečně velká, aby zesílila proud.

To znamená, že napájení by mělo být vždy větší než napětí napříč články NiCad. Pouze v této situaci bude rozdíl potenciálů dostatečný pro nastartování proudové zpětné vazby T1, která rozsvítí LED D9.

Design PCB

Pomocí IC 7805

Schéma zapojení níže ukazuje ideální obvod nabíječky pro ni-cad článek.

Toto zaměstnává a Regulátor 7805 IC dodávat konstantní 5V přes odpor, což způsobí, že proud bude záviset na hodnotě odporu, místo na potenciálu článku.

Hodnota odporu by měla být upravena s ohledem na typ, který se používá k nabíjení, lze použít libovolnou hodnotu mezi 10 Ohm až 470 Ohm v závislosti na mAh hodnocení článku. Vzhledem k plovoucí povaze IC 7805 s ohledem na zemní potenciál by tento design mohl být použit pro nabíjení jednotlivých článků Nicad nebo řady několika článků.

Nabíjení Ni-Cd článku z 12V zdroje

Nejzákladnějším principem nabíječky baterií je, že její nabíjecí napětí musí být vyšší než jmenovité napětí baterie. Například 12 V baterie by měla být nabíjena ze 14 V zdroje.

V tomto nabíjecím obvodu Ni-Cd 12V se používá zdvojovač napětí založený na populárním 555 IC. Protože výstup 3 čipu je střídavě připojen mezi napájecí napětí +12 V a zem, IC osciluje.

C₃bude účtováno prostřednictvím D_dvaa D.₃na téměř 12 V, když je pin 3 logicky nízký. Momentový kolík 3 je logicky vysoký, spojovací napětí C₃a D.₃vzroste na 24 V kvůli záporné svorce C₃který je zapojen na +12 V a samotný kondenzátor má náboj stejné hodnoty. Poté dioda D₃stane se předpjatým, ale D₄vede jen tolik pro C₄nabít přes 20 V. To je více než dost napětí pro náš obvod.

78L05 v IC_dvapozice působí jako aktuální dodavatel, který náhodou udržuje své výstupní napětí, U_n, od objevit se přes R₃při 5 V. Výstupní proud, I_n, lze jednoduše vypočítat z rovnice:

Iη = Uη / R3 = 5/680 = 7,4 mA

Vlastnosti 78L05 zahrnují samotný odběr proudu, protože centrální terminál (obvykle uzemněný) dává náš kolem 3 mA.

Celkový zatěžovací proud je přibližně 10 mA, což je dobrá hodnota pro trvalé nabíjení NiCd baterií. Pro zobrazení, že nabíjecí proud teče, je v obvodu zahrnuta LED.

Graf nabíjecího proudu

Obrázek 2 zobrazuje vlastnosti nabíjecího proudu proti napětí baterie. Je zcela zřejmé, že obvod není zcela dokonalý, protože 12 V baterie bude nabíjena proudem měřeným pouze kolem 5 mA. Několik důvodů:

• Zdá se, že výstupní napětí obvodu klesá s rostoucím proudem.
• Pokles napětí na 78L05 je kolem 5 V. Aby bylo zajištěno přesné fungování IC, je nutné zahrnout dalších 2,5 V.
• Napříč LED je pravděpodobně pokles napětí o 1,5 V.

Vzhledem k výše uvedenému lze 12 V NiCd baterii se jmenovitou kapacitou 500 mAh nabíjet nepřetržitě proudem 5 mA. Celkově je to pouze 1% její kapacity.