Εξερευνήθηκαν απλά κυκλώματα φορτιστή μπαταρίας Ni-Cd

Η ανάρτηση ασχολείται με ένα απλό κύκλωμα φορτιστή NiCd με αυτόματη προστασία υπερφόρτισης και συνεχή φόρτιση ρεύματος.

Όταν πρόκειται για σωστή φόρτιση ενός κελιού νικελίου-καδμίου, συνιστάται αυστηρά η διακοπή ή η διακοπή της διαδικασίας φόρτισης μόλις φτάσει στο επίπεδο πλήρους φόρτισης. Εάν δεν ακολουθήσετε αυτό, μπορεί να επηρεαστεί δυσμενώς η διάρκεια ζωής του κελιού, μειώνοντας σημαντικά την απόδοση αντιγράφων ασφαλείας.

Το απλό κύκλωμα φορτιστή Ni-Cad που παρουσιάζεται παρακάτω αντιμετωπίζει αποτελεσματικά το κριτήριο υπερφόρτισης συμπεριλαμβάνοντας εγκαταστάσεις όπως φόρτιση συνεχούς ρεύματος καθώς και διακοπή της τροφοδοσίας όταν το τερματικό κυψέλης φτάσει στην τιμή πλήρους φόρτισης.

Κύρια χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα

• Αυτόματη διακοπή σε επίπεδο πλήρους φόρτισης
• Σταθερό ρεύμα καθ 'όλη τη φόρτιση.
• Ένδειξη LED για διακοπή πλήρους φόρτισης.
• Επιτρέπει στον χρήστη να προσθέσει περισσότερα στάδια για ταυτόχρονη φόρτιση έως 10 κυττάρων NiCd.

Διάγραμμα κυκλώματος

Πως δουλεύει

Η απλή διαμόρφωση που περιγράφεται εδώ έχει σχεδιαστεί για να φορτίζει ένα μόνο κελί «AA» 500 mAh με τον συνιστώμενο ρυθμό φόρτισης κοντά στα 50 mA, ωστόσο θα μπορούσε εύκολα να προσαρμοστεί φθηνά για τη φόρτιση πολλών κυττάρων μαζί επαναλαμβάνοντας την περιοχή που εμφανίζεται σε διακεκομμένες γραμμές.

Η τάση τροφοδοσίας για το κύκλωμα αποκτάται από μετασχηματιστή, ανορθωτή γέφυρας και ρυθμιστή IC 5 V.

Το κελί φορτίζεται με ένα τρανζίστορ T1 το οποίο έχει διαμορφωθεί ως πηγή συνεχούς ρεύματος.

Το T1 από την άλλη πλευρά ελέγχεται από ένα συγκριτή τάσης χρησιμοποιώντας ένα TTL Schmitt trigger N1. Κατά τη διάρκεια του χρόνου η κυψέλη φορτίζει την τερματική τάση του στοιχείου διατηρείται περίπου στα 1,25 V.

Αυτό το επίπεδο φαίνεται να είναι χαμηλότερο από το θετικό όριο ενεργοποίησης του Ν1, το οποίο διατηρεί την έξοδο του Ν1 υψηλή και η έξοδος του Ν2 γίνεται χαμηλή, επιτρέποντας στο Τ1 να πάρει την τάση πόλωσης βάσης μέσω του δυνητικού διαχωριστή R4 / R5.

Όσο φορτίζεται το κελί Ni-Cd, το LED D1 παραμένει αναμμένο. Μόλις το κελί πλησιάσει στην κατάσταση πλήρους φόρτισης, η τάση του τερματικού ανέρχεται σε περίπου 1,45 V. Λόγω αυτού, το θετικό κατώφλι ενεργοποίησης του Ν1 αυξάνει προκαλώντας την έξοδο του Ν2 να φτάσει ψηλά.

Αυτή η κατάσταση απενεργοποιεί αμέσως το T1. Το κελί σταματά τώρα να φορτίζει και επίσης το LED D1 σβήνει.

Δεδομένου ότι το θετικό όριο ενεργοποίησης του Ν1 είναι περίπου 1,7 V και ελέγχεται από συγκεκριμένη ανοχή, τα R3 και P1 ενσωματώνονται για να το αλλάξουν σε 1,45 V. Το αρνητικό όριο ενεργοποίησης της σκανδάλης Schmitt είναι περίπου 0,9 V, το οποίο τυχαίνει να είναι χαμηλότερο από την τερματική τάση ακόμη και μιας πλήρως αποφορτισμένης κυψέλης.

Αυτό συνεπάγεται ότι η σύνδεση μιας αποφορτισμένης κυψέλης στο κύκλωμα δεν θα προκαλέσει ποτέ την αυτόματη εκκίνηση της φόρτισης. Για το λόγο αυτό περιλαμβάνεται ένα κουμπί έναρξης S1 το οποίο, όταν πατηθεί, παίρνει την είσοδο NI χαμηλή.

Για τη φόρτιση περισσότερου αριθμού κελιών, το τμήμα του κυκλώματος που αποκαλύπτεται στο κουκκίδα μπορεί να επαναληφθεί ξεχωριστά, ένα για κάθε μπαταρία.

Αυτό διασφαλίζει ότι, ανεξάρτητα από τα επίπεδα εκφόρτισης των κυττάρων, καθένα από αυτά φορτίζεται ξεχωριστά στο σωστό επίπεδο.

Σχεδιασμός PCB και επικάλυψη στοιχείων

Στον σχεδιασμό του PCB παρακάτω δύο στάδια αντιγράφονται για να επιτρέπεται η φόρτιση δύο κυψελών Nicad ταυτόχρονα από ένα μόνο πίνακα.

Φορτιστής Ni-Cad χρησιμοποιώντας μια αντίσταση

Αυτός ο συγκεκριμένος απλός φορτιστής θα μπορούσε να κατασκευαστεί με εξαρτήματα που θα μπορούσαν να φανούν σχεδόν σε οποιοδήποτε δοχείο σκουπιδιών κατασκευαστή. Για βέλτιστη διάρκεια ζωής (αριθμός κύκλων φόρτισης) Οι μπαταρίες Ni-Cad πρέπει να φορτίζονται με σχετικά σταθερό ρεύμα.

Αυτό επιτυγχάνεται συχνά αρκετά εύκολα φορτίζοντας μέσω μιας αντίστασης από τάση τροφοδοσίας πολλές φορές υψηλότερη από την τάση της μπαταρίας. Η αλλαγή στην τάση της μπαταρίας καθώς φορτίζει πιθανότατα θα έχει ελάχιστη επίδραση στο ρεύμα φόρτισης. Το προτεινόμενο κύκλωμα αποτελείται απλώς από έναν μετασχηματιστή, ανορθωτή διόδων και αντίσταση σειράς όπως φαίνεται στο σχήμα 1.

Η σχετική γραφική εικόνα διευκολύνει τον καθορισμό της απαραίτητης τιμής αντίστασης σειράς.

Μια οριζόντια γραμμή τραβιέται μέσω της τάσης του μετασχηματιστή στον κατακόρυφο άξονα έως ότου διασχίσει την καθορισμένη γραμμή τάσης μπαταρίας. Στη συνέχεια, μια γραμμή που τραβιέται κάθετα προς τα κάτω από αυτό το σημείο για να συναντήσει τον οριζόντιο άξονα μας παρέχει στη συνέχεια την απαραίτητη τιμή αντίστασης σε ωμ.

Για παράδειγμα, η διακεκομμένη γραμμή δείχνει ότι εάν η τάση του μετασχηματιστή είναι 18 V και η μπαταρία Ni-Cd που θα φορτιστεί είναι 6 V, τότε η τιμή αντίστασης θα είναι περίπου 36 ohms για τον επιδιωκόμενο έλεγχο ρεύματος.

Αυτή η υποδεικνυόμενη αντίσταση υπολογίζεται ότι παρέχει 120 mA, ενώ για μερικούς άλλους ρυθμούς φόρτισης η τιμή αντίστασης θα πρέπει να μειωθεί κατάλληλα, π.χ. 18 ohms για 240 mA, 72 ohms για 60 mA κ.λπ. D1.

Κύκλωμα φορτιστή NiCad χρησιμοποιώντας τον Αυτόματο έλεγχο ρεύματος

Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου απαιτούν γενικά μια σταθερή τρέχουσα φόρτιση. Το παρακάτω κύκλωμα φορτιστή NiCad έχει αναπτυχθεί για να παρέχει είτε 50mA έως τέσσερα 1,25V κυψέλες (τύπος AA) είτε 250mA έως τέσσερα 1,25V κύτταρα (τύπος C) συνδεδεμένα σε σειρά, αν και θα μπορούσε απλώς να τροποποιηθεί για διάφορες άλλες τιμές φόρτισης.

Στο συζητούμενο κύκλωμα φορτιστή NiCad, τα R1 και R2 καθορίζουν την τάση εξόδου εκτός φορτίου στα περίπου 8V.

Το ρεύμα εξόδου ταξιδεύει είτε μέσω R6 είτε R7, και καθώς ανεβαίνει το τρανζίστορ Tr1 ενεργοποιείται σταδιακά.

Αυτό προκαλεί σημείο Υ να αυξηθεί, ενεργοποιώντας το τρανζίστορ Tr2 και επιτρέποντας στο σημείο Z να γίνει λιγότερο λιγότερο θετικό.

Η διαδικασία συνεπώς μειώνει την τάση εξόδου και έχει την τάση να μειώνει το ρεύμα. Επιτυγχάνεται τελικά ένα επίπεδο ισορροπίας το οποίο καθορίζεται από την τιμή των R6 και R7.

Η δίοδος D5 αναστέλλει την μπαταρία που φορτίζεται, παρέχοντας τροφοδοσία στην έξοδο IC1 σε περίπτωση αφαίρεσης του 12V, η οποία διαφορετικά θα μπορούσε να προκαλέσει σοβαρή ζημιά στο IC.

Το FS2 έχει ενσωματωθεί για προστασία από ζημιές στις μπαταρίες που είναι υπό φόρτιση.

Η επιλογή των R6 και R7 γίνεται μέσω δοκιμής και σφάλματος, πράγμα που σημαίνει ότι θα χρειαστείτε ένα αμπερόμετρο που έχει το κατάλληλο εύρος ή, εάν οι τιμές R6 και R7 είναι πραγματικά γνωστές, τότε η πτώση της τάσης θα μπορούσε να υπολογιστεί μέσω του Νόμου του Ohm.

Φορτιστής Ni-Cd με χρήση ενός απλού ενισχυτή

Αυτό το κύκλωμα φορτιστή Ni-Cd έχει σχεδιαστεί για τη φόρτιση μπαταριών NiCad τυπικού μεγέθους AA. Ένας ειδικός φορτιστής συνιστάται κυρίως για τα κύτταρα NiCad για τον λόγο ότι διαθέτουν εξαιρετικά χαμηλή εσωτερική αντίσταση, με αποτέλεσμα αυξημένο ρεύμα φόρτισης, ακόμη και αν η χρησιμοποιούμενη τάση είναι ελαφρώς υψηλότερη.

Ο φορτιστής πρέπει επομένως να περιλαμβάνει κύκλωμα για τον περιορισμό του ρεύματος φόρτισης σε σωστό όριο. Σε αυτό το κύκλωμα, τα T1, D1, D2 και C1 λειτουργούν σαν ένα παραδοσιακό βήμα προς τα κάτω, απομόνωση, ανορθωτής πλήρους κύματος και κύκλωμα φιλτραρίσματος DC. Τα πρόσθετα ανταλλακτικά προσφέρουν τον ισχύοντα κανονισμό.

Το IC1 χρησιμοποιείται σαν συγκριτής με ένα ξεχωριστό buffer stage Q1 που παρέχει λειτουργικά υψηλή απόδοση ρεύματος σε αυτόν τον σχεδιασμό. Η μη αναστρέψιμη είσοδος του IC1 παρέχεται με τάση αναφοράς 0,65 V: που παρουσιάζεται μέσω των R1 και D3. Η είσοδος αναστροφής συνδέεται με τη γείωση μέσω του R2 σε επίπεδα ηρεμίας, επιτρέποντας την έξοδο να είναι εντελώς θετική. Έχοντας συνδεδεμένο ένα κελί NiCad στην έξοδο, ένα υψηλό ρεύμα μπορεί να κάνει μια προσπάθεια μέσω του R2, προκαλώντας την ανάπτυξη ισοδύναμης ποσότητας τάσης στο R2.

Θα μπορούσε απλώς να αυξηθεί στα 0,6V, ωστόσο, μια αυξανόμενη τάση σε αυτό το σημείο αντιστρέφει τα δυναμικά εισόδου των εισόδων IC1, προκαλώντας τη μείωση της τάσης εξόδου και μειώνοντας την τάση γύρω από το R2 πίσω 0,65 V. Το υψηλότερο ρεύμα εξόδου (και επίσης το ρεύμα φόρτισης που λαμβάνεται) έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα που δημιουργείται με 0,65 V σε 10 ohms, ή απλά 65 mA.

Τα περισσότερα κελιά AA NiCad διαθέτουν ένα βέλτιστο προτιμώμενο ρεύμα φόρτισης όχι περισσότερο από 45 ή 50 mA, και για αυτήν την κατηγορία το R2 πρέπει να αυξηθεί στα 13 ohms έτσι ώστε να μπορείτε να έχετε το κατάλληλο ρεύμα φόρτισης.

Μερικές ποικιλίες ταχείας φόρτισης μπορεί να λειτουργούν με 150 mA, και αυτό απαιτεί μείωση R2 σε 4,3 ohms (3,3 ohm συν 1 ohm σε σειρά σε περίπτωση που δεν είναι δυνατή η προμήθεια ενός ιδανικού εξαρτήματος).

Επιπλέον, το T1 πρέπει να βελτιωθεί σε μια παραλλαγή με τρέχουσα βαθμολογία 250 mA. Και το Q1 πρέπει να εγκατασταθεί χρησιμοποιώντας ένα μικροσκοπικό πτερύγιο ψύκτρα. Η συσκευή μπορεί εύκολα να φορτίσει έως και τέσσερα κελιά (6 κελιά όταν το T1 αναβαθμιστεί σε τύπο 12 V) και όλα αυτά πρέπει να συνδεθούν σε σειρά πάνω από την έξοδο και όχι παράλληλα.

Γενικό κύκλωμα φορτιστή NiCad

Το Σχήμα 1 δείχνει το πλήρες διάγραμμα κυκλώματος του καθολικού φορτιστή NiCad. Μια τρέχουσα πηγή αναπτύσσεται χρησιμοποιώντας τα τρανζίστορ T1, T2 και T3, που προσφέρουν σταθερό ρεύμα φόρτισης.

Η τρέχουσα πηγή ενεργοποιείται μόνο όταν τα κελιά NiCad είναι συνδεδεμένα σωστά. Το ICI είναι τοποθετημένο για έλεγχο του δικτύου επαληθεύοντας την πολικότητα τάσης στους ακροδέκτες εξόδου. Εάν τα κελιά είναι γερά σωστά, ο πείρος 2 του IC1 δεν μπορεί να μετατραπεί τόσο θετικός όσο στον πείρο 3.

Ως αποτέλεσμα, η έξοδος IC1 γίνεται θετική και διαθέτει ένα ρεύμα βάσης στο T2, το οποίο ενεργοποιεί την τρέχουσα πηγή. Το τρέχον όριο πηγής θα μπορούσε να καθοριστεί χρησιμοποιώντας το S1. Ένα ρεύμα 50 mA, 180 mA και 400 mA θα μπορούσε να προκαθοριστεί μόλις προσδιοριστούν οι τιμές των R6, R7 και RB. Η τοποθέτηση του S1 στο σημείο 1 δείχνει ότι τα κελιά NiCad μπορούν να φορτιστούν, η θέση 2 προορίζεται για κύτταρα C και η θέση 3 είναι δεσμευμένη από κύτταρα D.

Διάφορα μέρη

TR1 = μετασχηματιστής 2 x 12 V / 0,5 A
S1 = διακόπτης θέσης 3
S2 = διακόπτης θέσης 2

Η τρέχουσα πηγή λειτουργεί χρησιμοποιώντας μια πολύ βασική αρχή. Το κύκλωμα είναι ενσύρματο όπως ένα τρέχον δίκτυο ανατροφοδότησης. Φανταστείτε ότι το S1 βρίσκεται στη θέση 1 και η έξοδος IC1 είναι θετική. Τα Τ2 και 13 αρχίζουν τώρα να λαμβάνουν ρεύμα βάσης και ξεκινούν την αγωγή. Το ρεύμα μέσω αυτών των τρανζίστορ αποτελεί τάση γύρω από το R6, το οποίο ενεργοποιεί το Τ1 σε λειτουργία.

Ένα αυξανόμενο ρεύμα γύρω από το R6 σημαίνει ότι το Τ1 μπορεί να αγωγεί με μεγαλύτερη ισχύ ελαχιστοποιώντας έτσι το ρεύμα κίνησης βάσης για τα τρανζίστορ Τ2 και Τ3.

Το δεύτερο τρανζίστορ μπορεί σε αυτό το σημείο να συμπεριφέρεται λιγότερο και η αρχική αύξηση ρεύματος είναι περιορισμένη. Εφαρμόζεται ένα λογικά σταθερό ρεύμα μέσω του R3 και των συνδεδεμένων κυττάρων NiCad.

Μερικά LED που είναι συνδεδεμένα στην τρέχουσα πηγή υποδεικνύουν την κατάσταση λειτουργίας του φορτιστή NiCad ανά πάσα στιγμή. Το IC1 τροφοδοτεί μια θετική τάση όταν τα κελιά NiCad συνδέονται με τον σωστό τρόπο φωτίζοντας το LED D8.

Εάν τα κελιά δεν είναι συνδεδεμένα με σωστή πολικότητα, το θετικό δυναμικό στον πείρο 2 του IC1 θα είναι υψηλότερο από τον πείρο 3, προκαλώντας την έξοδο του συγκριτή op amp να γίνει 0 V.

Σε αυτήν την περίπτωση, η τρέχουσα πηγή θα παραμείνει απενεργοποιημένη και το LED D8 δεν θα ανάψει. Μια ίδια κατάσταση μπορεί να εμφανιστεί σε περίπτωση που δεν υπάρχουν συνδεδεμένα κελιά για φόρτιση. Αυτό μπορεί να συμβεί επειδή ο ακροδέκτης 2 θα έχει αυξημένη τάση σε σύγκριση με τον ακροδέκτη 3, λόγω της πτώσης τάσης κατά μήκος του D10.

Ο φορτιστής θα ενεργοποιηθεί μόνο όταν είναι συνδεδεμένο ένα κελί που αποτελείται από τουλάχιστον 1 V. Το LED D9 δείχνει ότι η τρέχουσα πηγή λειτουργεί σαν μια τρέχουσα πηγή.

Αυτό μπορεί να φαίνεται αρκετά περίεργο, ωστόσο ένα ρεύμα εισόδου που δημιουργείται από το IC1 δεν είναι επαρκές, το επίπεδο τάσης πρέπει επίσης να είναι αρκετά μεγάλο για να ενισχύσει το ρεύμα.

Αυτό σημαίνει ότι η τροφοδοσία πρέπει πάντα να είναι μεγαλύτερη από την τάση στα κελιά NiCad. Μόνο σε αυτήν την περίπτωση, η πιθανή διαφορά θα είναι αρκετή για να ξεκινήσει η τρέχουσα ανατροφοδότηση T1, φωτίζοντας το LED D9.

Σχεδιασμός PCB

Χρησιμοποιώντας IC 7805

Το παρακάτω διάγραμμα κυκλώματος δείχνει ένα ιδανικό κύκλωμα φορτιστή για μια κυψέλη ni-cad.

Αυτό απασχολεί ένα 7805 ρυθμιστής IC για να παραδώσει ένα σταθερό 5V σε μια αντίσταση, η οποία αναγκάζει το ρεύμα να εξαρτάται από την τιμή της αντίστασης, αντί για το δυναμικό της κυψέλης.

Η τιμή της αντίστασης πρέπει να ρυθμιστεί σε σχέση με τον τύπο που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση οποιασδήποτε τιμής μεταξύ 10 Ohm έως 470 Ohm θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ανάλογα με την βαθμολογία mAh κυψέλης. Λόγω της κυμαινόμενης φύσης του IC 7805 σε σχέση με το δυναμικό του εδάφους, αυτός ο σχεδιασμός θα μπορούσε να εφαρμοστεί για τη φόρτιση μεμονωμένων κυττάρων Nicad ή σειρών μερικών κυψελών.

Φόρτιση Ni-Cd Cell από παροχή 12V

Η πιο θεμελιώδης αρχή για έναν φορτιστή μπαταρίας είναι ότι η τάση φόρτισης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική τάση της μπαταρίας. Για παράδειγμα, μια μπαταρία 12 V πρέπει να φορτιστεί από μια πηγή 14 V.

Σε αυτό το κύκλωμα φορτιστή 12V Ni-Cd, χρησιμοποιείται διπλασιαστής τάσης με βάση το δημοφιλές IC 555. Επειδή η έξοδος 3 του τσιπ συνδέεται εναλλάξ μεταξύ της τάσης τροφοδοσίας +12 V και της γείωσης, το IC ταλαντεύεται.

ντο₃χρεώνεται μέσω D_δύοκαι Δ₃έως σχεδόν 12 V όταν ο ακροδέκτης 3 είναι χαμηλός. Ο πείρος ροπής 3 είναι λογικός υψηλός, η τάση σύνδεσης του C₃και Δ₃αυξάνει στα 24 V λόγω του αρνητικού τερματικού του C₃το οποίο είναι συνδεδεμένο στα +12 V και ο ίδιος ο πυκνωτής διατηρεί φόρτιση της ίδιας τιμής. Στη συνέχεια, δίοδος D₃γίνεται αντίστροφη μεροληψία, αλλά D₄συμπεριφέρεται αρκετά για το C₄για φόρτιση άνω των 20 V. Αυτή είναι περισσότερο από αρκετή τάση για το κύκλωμα μας.

Το 78L05 στο IC_δύοΟι θέσεις ενεργούν ως τρέχων προμηθευτής που τυχαίνει να διατηρεί την τάση εξόδου του, U_ν, από την εμφάνιση σε R₃στα 5 V. Το ρεύμα εξόδου, I_ν, μπορεί απλά να υπολογιστεί από την εξίσωση:

Iη = Uη / R3 = 5/680 = 7,4 mA

Οι ιδιότητες του 78L05 περιλαμβάνουν το ίδιο το ρεύμα έλξης καθώς ο κεντρικός ακροδέκτης (συνήθως γειωμένος) δίνει τη δική μας περίπου 3 mA.

Το συνολικό ρεύμα φόρτωσης είναι περίπου 10 mA και αυτό είναι μια καλή τιμή για τη συνεχή φόρτιση των μπαταριών NiCd. Για να δείξει ότι το ρεύμα φόρτισης ρέει, ένα LED περιλαμβάνεται στο κύκλωμα.

Φόρτιση τρέχοντος γραφήματος

Το σχήμα 2 απεικονίζει τις ιδιότητες του ρεύματος φόρτισης έναντι της τάσης της μπαταρίας. Είναι αρκετά προφανές ότι το κύκλωμα δεν είναι τελείως τέλειο καθώς η μπαταρία 12 V θα φορτίζεται με ρεύμα μέτρησης μόνο περίπου 5 mA. Μερικοί λόγοι για αυτό:

• Η τάση εξόδου του κυκλώματος φαίνεται να μειώνεται με το αυξανόμενο ρεύμα.
• Η πτώση τάσης στο 78L05 είναι περίπου 5 V. Ωστόσο, πρέπει να συμπεριληφθούν επιπλέον 2,5 V για να διασφαλιστεί ότι το IC λειτουργεί ακριβώς.
• Σε όλη τη λυχνία LED, υπάρχει πιθανότητα πτώση τάσης 1,5 V.

Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, μια μπαταρία 12 V NiCd με ονομαστική χωρητικότητα 500 mAh θα μπορούσε να φορτιστεί χωρίς διακοπή χρησιμοποιώντας ρεύμα 5 mA. Συνολικά, είναι μόνο το 1% της χωρητικότητάς του.