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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Intelligentes Ladegerät für Ni-Cd-Akkus. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Der den Lesern zur Kenntnis gebrachte Artikel beschreibt eine schaltstabilisierte Netzwerk-Fernstromversorgung (im Alltag und in der Fachliteratur werden sie häufig als Adapter bezeichnet), die auf einer Mikroschaltung der VIPer-Serie und einem damit betriebenen „intelligenten“ Ladegerät basiert spezielle MAX713CPE-Mikroschaltung. „Intelligente“ Ladegeräte (Ladegeräte) haben auf den Seiten von „Radio“ große Aufmerksamkeit erhalten. Von Intelligenz kann man natürlich nur bedingt sprechen: Damit ist in der Regel die Fähigkeit des Geräts gemeint, den Zustand des geladenen Akkus zu analysieren und anhand einiger zwingender Anzeichen den einen oder anderen Lademodus auszuwählen. Darüber hinaus wird der Ladealgorithmus durch den Batterietyp bestimmt. Für Lithium-Ionen (Li-Ion) muss es dem in Artikel [1] beschriebenen entsprechen, für Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid (Ni-Cd, Ni-MH) - [2]. In Veröffentlichungen [1, 3] werden spezifische Speicheroptionen vorgeschlagen. Trotz der „Intelligenz“ dieser Geräte und entgegen der empfohlenen Methode, Batterien im ersten Moment mit dem maximal möglichen Strom (mehr als 1 A) zu laden, verbrauchen sie nur einen Strom von 250...300 mA! Warum? Die Antwort ist, so scheint es dem Autor, einfach. Wenn Sie als Ladestromquelle weit verbreitete stabilisierte und unstabilisierte Netzwerk-Fernnetzteile (PSUs) verwenden – diese werden oft als Adapter (in der ausländischen Terminologie – Wall Cube) bezeichnet – ist es sehr schwierig, eine Kopie mit einem maximalen Strom von 1 zu finden Ein oder mehr im Angebot. Zudem ist der Markt extrem voll mit Fälschungen. Der Versuch des Autors, ein Netzteil BPS 12-0,5 der „mysteriösen“ Firma MAX zu verwenden, war erfolglos: Der Adapter mit einem garantierten Ausgangsstrom von 0,5 A überhitzte selbst bei einem Laststrom von 300 mA. Da der Gerätekörper jedoch recht ergonomisch gestaltet ist, wurde er für die Eigenentwicklung einer schaltstabilisierten Netzstromversorgung genutzt. Wichtigste technische Merkmale
Das Netzteil ist vor Kurzschlüssen in der Last geschützt. Es kann zur Stromversorgung anderer Geräte (tragbare Radios und Tonbandgeräte, Player, Anrufbeantworter, digitale Geräte usw.) verwendet werden, dessen Batteriefach für vier AA-Batterien ausgelegt ist. Bei Bedarf kann die stabilisierte Ausgangsspannung im Bereich von 3...9 V geändert werden, ohne den Impulstransformator umzuwickeln. Der Stromversorgungskreis ist in Abb. dargestellt. 1. Das Hauptelement des Geräts ist ein spezialisierter VIPer12A-Chip, der in DIP-8- und SO-8-Gehäusen (Oberflächenmontage) hergestellt wird. Der Aufbau solcher Schaltnetzteile ist im Artikel [4] ausführlich beschrieben.
Informationen über die Mikroschaltung finden Sie in der dort empfohlenen Designsoftware VIPer Designe Software/Documentation/Datasheet/VIPerl 2A. Merkmale der verwendeten Mikroschaltung sind ein eingebauter Generator mit einer festen Umwandlungsfrequenz von 60 kHz, der es ermöglicht, die Anzahl der „Rohrleitungs“-Elemente zu minimieren, sowie eine Einheit zur Regelung des Grenzwerts des Drainstroms in der Mikroschaltung durch eine externe positive Spannung. Ohne diese Spannung bietet VIPer12A eine Strombegrenzung von 0,4 A. Im Gerät wird die Versorgungsspannung des DA3-Chips (ca. 2 V) über die Zenerdiode VD1 an Pin 24 des FB (FeedBack) angelegt. Der Eingangsstrom am FB-Eingang sollte 3 mA nicht überschreiten. Eine Erhöhung des Eingangsstroms führt zu einer Verringerung des Amplitudenwerts des Drainstroms (und umgekehrt) mit einer Verstärkung von etwa 320. Als Ergebnis des Vergleichs der Spannung an der Kopplungswicklung II des Transformators T1 mit der Stabilisierungsspannung von Durch die Zenerdiode VD2 ändert sich das Tastverhältnis der Schaltimpulse, so dass die Ausgangsspannung stabil bleibt. Bei Änderungen der Netzspannung im Bereich von 150...250 V darf die Abweichung der Ausgangsspannung vom Nennwert 0,1 V nicht überschreiten. Der Zweck der übrigen Elemente des Netzteils unterscheidet sich nicht von denen ähnlicher, zuvor beschriebener Geräte. Alle Teile sind auf einer Leiterplatte aus einseitig folienbeschichtetem Fiberglas montiert, deren Zeichnung in Abb. dargestellt ist. 2. Um die durch die Stromversorgung erzeugten Störungen zu reduzieren, wird seitlich an den Leiterbahnen über einen zuverlässigen Isolator eine elektrostatische Abschirmung aus Blech mit den Abmessungen einer Leiterplatte angebracht, die elektrisch mit dem gemeinsamen Draht (mit dem) verbunden ist Minuspol der Diodenbrücke VD1). Dazu können Sie das gleiche einseitige Folien-Glasfaserlaminat verwenden, aus dem auch die Leiterplatte besteht.
Um die Größe zu reduzieren, verwendet das Gerät importierte Oxidkondensatoren. Kondensatoren C1-C3, 07, C8 – Keramik oder Folie für eine Nennspannung von mindestens 630 V, der Rest – Keramik für eine Spannung von mindestens 50 V. Widerstände – MLT oder ähnliches. Drossel L2 - Hochfrequenz-DPM-2,4 kleiner Größe. Wir können die Diodenbrücke S1WB40 (VD1) mit einer Strombegrenzung von 1 A und einer zulässigen Sperrspannung von 400 V durch jede andere mit ähnlichen Parametern ersetzen, es ist jedoch eine Änderung der Konfiguration der Leiterbahnen oder eine Umformung der Brücke erforderlich Terminals entsprechend. Die Diode FR207 (VD3) kann durch die inländische Diode KD257D ersetzt werden. Bei der Auswahl eines Analogons der empfohlenen Diode KD212AM (VD4) ist zu berücksichtigen, dass die Sperrspannung im Gerät deutlich über 100 V liegt. Der Ausgangsgleichrichter verwendet eine Schottky-Diode 1 N5822 (VD5) mit einem maximalen Strom von 3 A und einer zulässigen Sperrspannung von 40 V. Sie ist vollständig durch eine Haushaltsdiode mit ähnlichen Parametern austauschbar. Die Effizienz der Stabilisierung der Ausgangsspannung wird durch die Parameter der Zenerdiode sichergestellt. Anstelle der Angaben im Diagramm können Sie auch eine Zenerdiode KS224Zh verwenden. Wenn Sie eine zusammengesetzte Zenerdiode der heimischen D814-Serie und ähnliche verwenden, verringert sich die Spannungsstabilität. Sie können die Ausgangsspannung des Netzteils ändern, indem Sie einfach eine Zenerdiode auswählen oder umschalten. Das Gerät verwendet einen VIPer12A-Chip in einem SO-8-Gehäuse. Laut technischer Spezifikation müssen alle vier Drain-Pins 5-8 auf Kupferfolie der Leiterplatte mit einer Fläche von mindestens 200 mm2 angelötet werden. Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C wird die berechnete Temperatur des Mikroschaltungsgehäuses 72 °C nicht überschreiten. Um die thermische Belastung des Mikroschaltkreises bei dichtem Einbau zu reduzieren, verwendete der Autor einen Kupferflansch eines defekten Transistors in einem TO-220-Gehäuse, der auf einem Pin-Kühlkörper mit den Maßen 13,5x16x23 mm montiert ist. Die Standardleitungen sind am Flansch angelötet. Der mit Wärmeleitpaste geschmierte Mikroschaltungskörper wird durch ein Federblech gegen den Flansch gedrückt. Abschnitte von MGTF-Leitern werden an die verbleibenden Pins der Mikroschaltung angelötet, die dann in die Platine eingelötet werden. Die elektrische Verbindung der Drain-Pins mit den Leiterbahnen erfolgt über eine der MZ-Befestigungsschrauben, mit denen der Flansch an der Platine befestigt wird. Dafür ist ein entsprechendes Kontaktpad vorgesehen. Die zweite Schraube wird durch die Isolierscheibe montiert. Bei der Installation ist zu berücksichtigen, dass der Kühlkörper des Mikroschaltkreises nicht mit dem nahegelegenen Magnetkreis des Induktors L1 in Kontakt kommen darf, der elektrisch mit dem gemeinsamen Stromkabel verbunden ist. Die Netzfilterdrossel L1 basiert auf einem gepanzerten Magnetkern B14 mit einer magnetischen Permeabilität von 1500...2000. Die Induktorwicklungen haben die gleiche Windungszahl. Sie werden mit PEV-2 0,41-Draht in einen Rahmen mit zwei Abschnitten (jeder in einem eigenen Abschnitt) gewickelt, bis er gefüllt ist. Der Impulstransformator wurde mit dem Programm VIPer Designe Software berechnet [4]. Es verwendet einen KV8-Magnetkern aus M2500NMS1-Ferrit mit einem Standardrahmen und Montageclips. Die Wange wird von Minen befreit und die Hälfte der Minen wird aus dem Rahmen entfernt. Wicklung III, die fünf Windungen PEV-2-Draht mit einem Durchmesser von 1 mm enthält, wird separat auf einen Dorn mit geeignetem Durchmesser gewickelt und dann auf Wicklung 1.1, bestehend aus 31 Windungen PEV-2 0,41-Draht, gelegt. Wicklung I.2 aus 27 Windungen PEV-2 0,41-Draht und die oberste Wicklung II aus 19 Windungen PEV-2 0,12-Draht sind auf Wicklung III gewickelt. Die Windungslagen der Halbwicklungen 1.1 und I.2 sind mit einer Lage, die Wicklungen mit zwei oder drei Lagen einer bei Hochspannungskondensatoren verwendeten Folie oder einem anderen, vorzugsweise hitzebeständigen Isoliermaterial isoliert. Der Transformator wird mit einem Spalt von 0,02 mm an den Seitenwänden montiert, der mit einer Dichtung aus derselben Folie versehen ist. Der berechnete Wert der Induktivität der Wicklung I des Transformators T1 beträgt 3210 μH, gemessen – etwa 3530 μH. Wicklung III mit Pin 8 ist in die Platine eingelötet und der freie Pin 7 ist gelenkig mit der Anode der VD5-Diode verbunden, die (wie die meisten anderen Elemente) senkrecht zur Platine eingebaut ist. Die Klemmen 2 und 3 der Wicklungen 1.1 und I.2 des Transformators T1 sind an einer der Rahmenklemmen angelötet. Anschließend wird diese Rahmenklemme um 1,5...2 mm gekürzt und mit Nitrolack isoliert. Es ist nicht in die Platine eingelötet. Das Gerät erfordert keine Einrichtung, aber vor dem ersten Einschalten empfiehlt es sich, sicherzustellen, dass der Impulstransformator von hoher Qualität ist (dieser Vorgang wird vor dem Einbau des DA1-Chips in das Netzteil durchgeführt). dass die verwendeten Elemente ordnungsgemäß installiert und funktionstüchtig sind. Hierzu können Sie ein Universalgerät zum Testen von Schaltnetzteilen [5] verwenden. Um eine Schaltimpulsfrequenz von 60 kHz zu gewährleisten, ist parallel zum Kondensator C4 im Gerät ein weiterer Kondensator mit einer Kapazität von 160...180 pF eingelötet. Parallel zum Widerstand R9 ist ein Oszilloskop angeschlossen (Abb. 1 in [5]). Das Gerät ist an einen Impulstransformator angeschlossen. An den Ausgang des Netzteils wird eine äquivalente Last angeschlossen. Durch sanftes Erhöhen der Netzspannung am Eingang des Geräts mithilfe eines Labor-Spartransformators wird ein Oszillogramm beobachtet. Bei einer Netzspannung von 220 V sollte das Lastäquivalent ca. 6 V betragen und die Amplitude der auf dem Bildschirm des Oszilloskops beobachteten Sägezahnstromimpulse sollte 0,25 A nicht überschreiten. Durch Erhöhen der Netzspannung auf 250 V ist darauf zu achten, dass die magnetischen Der Stromkreis ist nicht gesättigt. Außerdem überprüfen sie die Phasenlage der Wicklung II, wofür sie die Spannung am Kondensator C6 des Netzteils messen, die etwa 25 V entsprechen sollte. Durch Überwachung der Form der Impulse am Drain des Transistors VT2 in Nach dem Einschalten des Geräts sind sie von der Wirksamkeit der Dämpfungsschaltung VD3C7R1 des Netzteils überzeugt. Anschließend wird das Gerät ausgeschaltet und die Netzteilplatine mit dem DA1-Chip ausgestattet. Das Gerät ist betriebsbereit.
Über den Stecker XS6 wird dem Eingang des Ladegeräts eine stabilisierte Spannung von 1 V zugeführt, dessen Schaltung in Abb. dargestellt ist. 3. Da in der Regel nur ein bestimmter Batterietyp verwendet wird, macht es wenig Sinn, das Gerät universell zu machen. Die beschriebene Version des „intelligenten“ Ladegeräts ist für das Laden von Ni-Cd-Akkus mit einer Kapazität von 1000 mAh ausgelegt. Die Basis des Geräts ist eine spezielle Mikroschaltung MAX713CPE von Maxim. Der funktionelle Zweck seiner Stifte ist in der Tabelle aufgeführt.
Wie oben erwähnt, ist ein solches Gerät in Artikel [3] beschrieben. Es ist jedoch zum Laden von sechs Batterien mit einem Strom von 0,25 A vorgesehen. Darüber hinaus ist völlig unklar, warum der Autor des Entwurfs die Pins 1 und 15 der Mikroschaltung verbunden hat, wodurch gegen die Empfehlungen des Entwicklers verstoßen und einer der „intelligenten“ ausgeschlossen wurde „Eigenschaften des Ladegeräts – Stoppen des Schnellladens des Akkus, wenn die Spannung an seinen Anschlüssen einen bestimmten festgelegten Wert erreicht. Und dieses Phänomen ist durchaus möglich, wenn Sie einen Akku verwenden, der mehrere Jahre im Einsatz war und ein weiteres Schnellladen dann unsicher ist. Mit dem vorgeschlagenen Gerät können Sie schnell einen oder zwei Akkus (je nach Stellung des Schalters SA1) mit einem Strom von 1,1 A aufladen, was rechnerisch in etwa seiner Kapazität entspricht. Der Timer des Geräts begrenzt die Schnellladezeit auf 66 Minuten. Der Fehler beim Einstellen des Timers beträgt ±15 % und wird durch die Konstruktionsmerkmale der Mikroschaltung bestimmt. Das gleichzeitige Laden zweier Akkus ist laut Autor nur in Notfällen sinnvoll, wenn es darauf ankommt, diese zumindest teilweise aufzuladen, ohne eine Vollladung zu erreichen. Dies liegt an der in der Mikroschaltung verwendeten Methode zur Erkennung des Ladeendes durch Reduzierung der Spannung an der Batterie um 2,5 mV relativ zu ihrem Maximalwert (die sogenannte AV-Methode). Es liegt auf der Hand, dass es selbst bei spezieller Auswahl sehr schwierig ist, eine absolut gleiche Kapazität der Zellen in der Batterie zu erreichen. Unterscheidet sich die Kapazität der zu ladenden Akkus deutlich, kann ein Spannungsabfall an einem Akku mit geringerer Kapazität von der Mikroschaltung als Ende des Schnellladens wahrgenommen werden. Um eine wirklich vollständige Ladung zu erreichen, muss der Akku in diesem Fall noch mehrere Stunden bei niedrigem Strom aufgeladen werden. Darüber hinaus ermöglicht die Mikroschaltung das sogenannte Ultraschnellladen in 22 Minuten mit einem Strom, der viermal größer ist als die Batteriekapazität. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass kein einziger Hersteller bei einer solchen Aufladung den langfristigen Erhalt der technischen Eigenschaften von Batterien garantiert. Daher kann ein sachlich gerechtfertigter maximaler Ladestrom numerisch gleich der Batteriekapazität angesehen werden. Der Betriebsalgorithmus des Ladegeräts ist sehr einfach. Nach dem Anschließen des zu ladenden Akkus und dem Einschalten der Versorgungsspannung leuchtet die HL1-LED „Power“. Der DA1-Chip enthält einen Ladetimer und misst die an einer Batteriezelle anliegende Spannung. Liegt diese unter 0,4 V, wird der Nachlademodus mit einem geringen Strom von ca. 30 mA aktiviert. Sobald die gemessene Spannung den angegebenen Schwellenwert überschreitet, wird automatisch der Schnelllademodus mit einem Strom von 1,1 A aktiviert (dieser Wert wird durch den Widerstandswert des Widerstands R5 bestimmt), der Feldeffekttransistor in der Mikroschaltung öffnet, der Drain von der an Pin 8 angeschlossen ist, und die HL2-LED „Schnellladung“ leuchtet auf. Sowohl beim Nachladen als auch beim Schnellladen misst die Mikroschaltung den Spannungsabfall am Sensor – Widerstand R5 und öffnet den Regeltransistor VT1 genau so weit, wie erforderlich ist, um den erforderlichen Spannungsabfall (für Schnellladung – 0,25 V) zu erzeugen Der Stromsensor. Die Stromstabilisierung ermöglicht somit eine gewisse Instabilität der Versorgungsspannung des Geräts, Spannungseinbrüche unter den zulässigen Wert müssen jedoch ausgeschlossen werden, da dies die normale Funktion der Mikroschaltung stören kann. Während des Ladevorgangs wird der Ladestrom alle 42 Sekunden für 5 ms abgeschaltet und die Mikroschaltung misst die Spannung an der zu ladenden Batterie und „merkt“ sich dabei die Dynamik ihrer zeitlichen Änderung. Wenn man sich dem Moment nähert, der der Vollladung entspricht, steigt die Spannung an der Batterie nicht mehr an und beginnt dann zu sinken. Sobald die an einem Akku anliegende Spannung um 2,5 mV sinkt, wird das Schnellladen durch einen Nachlademodus ersetzt. Das Gleiche passiert, wenn die vom Timer eingestellte Zeit abläuft oder die Spannung an der Batterie 2 V überschreitet. Dieser Wert wird durch die Spannung an Pin 1 des DA1-Chips festgelegt, in unserem Fall wird dieser mit einer Referenzspannung von versorgt Pin 16, entspricht 2 V. Der Akku kann beliebig lange im Lademodus bleiben. Das beschriebene Ladegerät kann modifiziert werden. Führen Sie beispielsweise eine thermische Überwachung des Gehäuses des zu ladenden Akkus ein, was vom Hersteller für ultraschnelles Laden dringend empfohlen wird. Anstelle einer linearen kann auch eine gepulste Betriebsart eines Transistors verwendet werden, die den Batterieladestrom regelt. Bei Bedarf kann durch den Einsatz zusätzlicher Elemente der Nachladestrom auf unter 30 mA reduziert werden. Diese und einige andere Verbesserungen sind einfach zu implementieren, wenn Sie verwenden Informationen zum MAX713CPE-Chip. Der Chip sollte vorsichtig behandelt werden. Auch wenn in den Unternehmensunterlagen keinerlei Warnungen vor der Gefährdung durch statische Elektrizität enthalten sind, hat die Praxis gezeigt, dass das Unternehmen in sehr hohem Maße anfällig dafür ist. Darüber hinaus haben sich einige Funkamateure, die zuvor CMOS-Mikroschaltungen mit Schutzdioden an den Eingängen verwendeten, möglicherweise daran gewöhnt, dass diese mit einem Lötkolben mit einer Betriebsspannung von 220 V gelötet werden können. Es sollte jedoch daran erinnert werden, dass die Mikroschaltung MAX71ZSPE Es handelt sich tatsächlich um einen Mikrocontroller und das Berühren der Anschlüsse mit einem Lötkolben mit einer Betriebsspannung von 220 V kann aufgrund von Störungen durch die Netzspannung für ihn lebensgefährlich sein! Daher empfiehlt es sich, die Mikroschaltung nach Abschluss aller Installationsarbeiten über die Adapterplatte auf der Platine zu installieren. Wenn Sie den Anschluss der Programmierpins oder die Position des SA1-Schalters ändern müssen, sollte dies nur bei ausgeschalteter Versorgungsspannung erfolgen. Der Speicher muss nicht angepasst werden, daher werden wir seine Designmerkmale genauer beschreiben. Es ist auf einer Leiterplatte aus einseitiger Glasfaserfolie montiert, deren Zeichnung in Abb. dargestellt ist. 4. Drahtbrücken werden eingelötet, bevor die DA1-Mikroschaltung oder die Adapterplatte dafür installiert wird. Das fertige Gehäuse wurde vom Ladegerät XM-508 verwendet. Daraus werden auch grüne (HL1) und rote LEDs (HL2) entnommen (mögliche Haushaltsanaloga sind im Diagramm angegeben) sowie der Schalter SA1.
Widerstand R5 wird importiert, der Rest ist MLT-0,125 oder ähnlich. Oxidkondensatoren – alle inländischen oder importierten Keramikkondensatoren C2, C3 für eine Nennspannung von 50 V oder mehr. Zusätzlich zu den Angaben im Diagramm können Sie jeden anderen Transistor mit einem Stromübertragungskoeffizienten von mindestens 50, einem zulässigen Kollektorstrom von mindestens 3 A und einer Sättigungsspannung von nicht mehr als 1,5 V bei einem Strom von 1 verwenden A. Es ist auf einem Kühlkörper mit den Abmessungen 40 x 32 x 8 mm installiert, der aus einem Stück Kühlkörper des Rep-tium-100-Prozessors besteht. Beim Laden eines Akkus verbraucht der Transistor etwa 4 W Leistung. Um seinen thermischen Betrieb zu erleichtern, ist im Gerätegehäuse ein kleiner Lüfter zum Anblasen des Pentium-100-Prozessormodells DF1204SM eingebaut, der sich geräuschlos, aber sehr effizient dreht bei einer Versorgungsspannung von 6 V. Wenn das Gerät immer zum Laden von zwei Akkus verwendet wird, muss der Lüfter nicht installiert werden. Auf einen Lüfter kann natürlich auch ganz verzichtet werden, allerdings müssen in diesem Fall die Abmessungen des Kühlkörpers und damit auch des Gerätegehäuses vergrößert werden. Beim Laden einer Batterie wird anstelle des anderen ein Kurzschlussstecker in das Fach eingebaut oder ein Amperemeter von 2...3 A an die freien Ladeklemmen angeschlossen. Literatur
Autor: S. Kosenko, Woronesch
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