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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Sicheres Ladegerät
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Bei dem vorgeschlagenen Design liegt der Schwerpunkt auf der Sicherheit des Ladens. Das Gerät prüft den korrekten Anschluss des Akkus, schaltet ihn automatisch aus, wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist, und stoppt den Ladevorgang, wenn der Akku über die eingestellte Temperatur erhitzt wird. Es ist bekannt, dass bereits der Schnellladealgorithmus (Strom 1...2C, wobei C die Batteriekapazität ist) von einer Dauer des Ladevorgangs von 1...5 Stunden ausgeht [1]. Es ist schwer vorstellbar, dass der Prozess die ganze Zeit über überwacht wird. Und das, obwohl das Schnellladen am gefährlichsten ist. Schon bei geringfügiger Nichteinhaltung der Vorschriften ist ein Bruch des Batteriegehäuses mit allen daraus resultierenden Folgen möglich. Das Standardladen mit einem Strom von 0,1 °C ist deutlich sicherer, dauert aber zu lange (bis zu 14 ... 16 Stunden). Das beschriebene Gerät ermöglicht das beschleunigte Laden (4...7 h) eines Ni-Cd- oder Ni-MH-Akkus mit einer Kapazität von 250 bis 1000 mAh. Ein großer Ladestrombereich ist aufgrund möglicher Benutzerfehler bei der Einstellung des Ladestroms der Sicherheit des Gerätes keineswegs förderlich, daher gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Akku und das Ladegerät selbst zu schützen. Das Ergebnis ist ein Gerät, das möglicherweise unnötig komplex erscheint. Diese Komplexität zahlt sich jedoch durch eine längere Batterielebensdauer und Sicherheit für die Brandsituation in der Wohnung aus. Die Möglichkeit, nur einen Akku aufzuladen, beruht auf dem Wunsch, eine vollständige und wiederum sichere Ladung zu gewährleisten. Zu den technischen Eigenschaften des Geräts gehören der „sanfte“ Modus des beschleunigten Ladens, die automatische Abschaltung des Akkus nach Abschluss des Ladevorgangs, der Schutz vor Verpolung des Anschlusses und Überhitzung, die Modusanzeige, die akustische Benachrichtigung im Notfallmodus usw , schließlich eine eher niedrige Versorgungsspannung (von 3,5, XNUMXB), was in manchen Fällen sehr wünschenswert sein kann. Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. 1 dargestellt. XNUMX.
Sein Hauptteil – der Stromstabilisator – besteht aus drei Knoten: einem Hauptspannungsregler und zwei identischen Stromreglern. Der Hauptregler (DA6.1, VT3) liefert einen Ladestrom von 0,1C und arbeitet während des gesamten Zyklus. Der zweite Regler (DA6.2, VT4) – er kann als erzwungen bezeichnet werden – gibt einen Strom von 0,ZC ab und schaltet sich ein, wenn die Spannung an der Batterie mehr als 0,6 V beträgt, aber 1,4 V nicht erreicht hat Diesmal arbeiten beide Regler und versorgen die Batterie parallel geschaltet mit einem Gesamtstrom von 0,4C. Einschränkungen beim Betrieb des Zwangsstromreglers sind auf Folgendes zurückzuführen. Wenn der Akku stark entladen ist (die Spannung an ihm beträgt Uac < 0,6 V), ist das Laden mit einem großen Strom nicht sicher, daher wird der Ladevorgang mit einem Strom von 0,1 C durchgeführt, wobei nur der Hauptstromregler beteiligt ist . Wenn die Spannung Uakk 1,4 V erreicht, schaltet der Zwangsregler ab, da diese Spannung nahe am Grenzwert liegt und es ratsam ist, eine weitere Ladung mit einem Standardstrom von 0,1 C durchzuführen. Bei Erreichen von Uacc = 1,48 V schaltet es sich aus und der Hauptregler – der Ladevorgang stoppt. In diesem Fall erlischt die LED HL3 („Laden“) und die LED HL1 („Laden abgeschlossen“) leuchtet. Die Dioden VD1, VD2 verhindern eine Entladung des Akkus nach Ladestopp. Bei beiden Reglern handelt es sich um spannungsgesteuerte Stromquellen. Die Steuerspannung (bezogen auf die positive Stromleitung) wird vom Hauptspannungsregler DA3 gebildet und über einen variablen Widerstand R23 geregelt (sie stellen den erforderlichen Ladestrom abhängig von der Batteriekapazität ein). Ein Merkmal der Operationsverstärker KR1446UD1A, die in Stromreglern [2] verwendet werden, ist die Fähigkeit, mit niedrigen Versorgungsspannungen (ab 2,5 V für unipolare) zu arbeiten, und vor allem, dass der Bereich ihrer Eingangs- und Ausgangssignale nahezu dem entspricht Summe der Versorgungsspannungen. In unserem Fall arbeitet DA6.1 mit einer Eingangsspannung gleich Us - UR25, wobei Us die positive Versorgungsspannung und UR25 der Spannungsabfall am Messwiderstand R25 ist. Letzteres ist in der Tat eine „Kopie“ der Steuerspannung (bekanntlich stimmen die vom OOS abgedeckten Spannungen an beiden Eingängen des OA bis zur Vorspannung Null überein). Bei einem Ladestrom von 25 mA (für einen Akku mit einer Kapazität von 250 mAh) beträgt also UR25 = 0,2 V. Das bedeutet, dass die Eingangsspannung nur 0,2 V geringer sein darf als die positive Versorgungsspannung des Operationsverstärkers DA6.1. 1,5. Herkömmliche Operationsverstärker ermöglichen den Betrieb mit Eingangsspannungen von nicht mehr als (Us - 2 ... XNUMX) V. Das Gleiche gilt für die Ausgangsspannungen. Während des Ladevorgangs stellt DA6.1 eine Ausgangsspannung von gleich bereit Us - UR25 - UBE VT3, wobei UBE VT3 die Durchlassspannung am Emitterübergang VT3 (0,6 ... 0,8 V) ist. Um den Stromregler zu stoppen, stellt der Operationsverstärker eine Spannung in Höhe von Us bereit und schließt so den Transistor. Alle oben genannten Punkte gelten für den Zwangsregler auf DA6.2. Beide Regler werden durch die Transistoren VT1 bzw. VT2 ausgeschaltet (genauer gesagt, VT1 tut dies, da er beim Öffnen die Widerstände R21, R23 überbrückt, von denen Spannung an die Eingänge beider Operationsverstärker angelegt wird). Im ausgeschalteten Zustand ist der Ausgangsstrom des Reglers ungleich Null, da die Spannung am Widerstand R25 ungleich Null ist. Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens ist der Widerstand des Kanals des offenen Feldeffekttransistors VT1 ungleich Null und daher die Spannung USI VT1 beträgt einige Millivolt. Der zweite Grund ist die Null-Vorspannung des Operationsverstärkers DA6.1. Infolgedessen hängt die Spannung am Widerstand R25 vom Vorzeichen der Nullvorspannung ab und ist gleich USI VT1 ± UCM DA6.1. In diesem Fall ist es besser, den Operationsverstärker KR1446UD1A zu verwenden, dessen Vorspannung ±3 mV nicht überschreitet, daher erzeugt der Regler im ausgeschalteten Zustand einen kleinen Reststrom von 1 ... 3 mA. Der Zwangsstromregler verhält sich genauso. Dadurch hält der Stromstabilisator nach Abschluss des Ladevorgangs eine bestimmte Spannung an der Batterie aufrecht, was deren Entladung aufgrund von Selbstentladung und Leckstrom durch die Stromkreise des Geräts verhindert. Ein so kleiner Strom kann der Batterie nicht schaden. Darüber hinaus sorgt diese Funktion dafür, dass das Gerät stabil bleibt, wenn der Akku entfernt und die Eingangsspannung angelegt wird. Der vom Hauptregler eingestellte Strom ist gleich Ureg / R25, wobei Ureg der Spannungsabfall an den Widerständen R21 + R23 ist (ohne die Null-Vorspannung des Operationsverstärkers DA6.1, seinen Eingangsstrom und den Leckstrom des Operationsverstärkers). geschlossener Kanal VT1). Ureg hängt von der Stabilisierungsspannung DA3 ( 2,5 V) und dem Teilungsverhältnis des Spannungsteilers R21-R23 ab (wie bereits erwähnt, wird vom „Plus“ der Stromversorgung aus gezählt). Der vom Zwangsregler eingestellte Strom wird auf ähnliche Weise bestimmt. Wenden wir uns nun dem zweiten Teil des Geräts zu, der aus einem Modellspannungstreiber, Komparatoren, die als Operationsverstärker der Mikroschaltungen DA4 und DA5 verwendet werden, und einem logischen Knoten besteht. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird die Spannung von der Batterie den Eingängen der Komparatoren DA4.1-DA4.4 nicht direkt, sondern über die Widerstände R14, R16-R18 zugeführt, um Schäden am Operationsverstärker zu vermeiden wenn der Akku eingelegt und das Ladegerät ausgeschaltet ist. Widerstände an den „Referenz“-Eingängen beseitigen den Fehler, der durch die Eingangsströme des Operationsverstärkers verursacht wird (jedoch nicht die Differenz der Eingangsströme). Der „exemplarische“ Eingang des Operationsverstärkers DA4.3 verfügt nicht über einen solchen Widerstand, da von diesem Komparator keine hohe Genauigkeit gefordert wird. Der Komparator DA4.1 bestimmt den Zeitpunkt, zu dem der Zwangsstromregler ausgeschaltet wird (wenn die Batteriespannung 1,4 V erreicht), DA4.2 - den Zeitpunkt, zu dem der Ladevorgang abgeschlossen ist, und gibt ein Signal zum Ausschalten des Hauptstromreglers. Der Widerstand R24, der eine positive Rückkopplung erzeugt, bildet eine kleine (ca. 40 mV) Hysterese, die es ermöglicht, einen instabilen Zustand des Komparators nach Ladestopps zu vermeiden. Der Komparator DA4.3 gibt ein Signal zum Einschalten des Zwangsstromreglers, wenn die Spannung an der Batterie 0,6 V überschreitet, und DA4.4 „überprüft“ den korrekten Anschluss der Batterie: Bei falscher Polarität werden die Stromregler ausgeschaltet und die piezoelektrische Glocke HA1 erzeugt ein akustisches Warnsignal. Um die Polarität zu bestimmen, wurde die Fähigkeit des Operationsverstärkers KR1401UD2A genutzt, mit Eingangsspannungen zu arbeiten, die niedriger als die Versorgungsspannung negativer Polarität sind. Ein wichtiges Merkmal des beschriebenen Geräts ist die Steuerung des Temperaturregimes des Akkus. Dies erfolgt mit einem Temperatursensor DA2 und OU DA5.1. Der LM335Z ist ein integrierter Spannungsregler mit linearem Temperaturverhalten: Seine Ausgangsspannung erhöht sich mit jedem Grad Celsius Temperaturanstieg um 10 mV. Bei einer Temperatur von +25°C (298 K) beträgt die Ausgangsspannung 2,98 V. Wenn sich der Akku auf ca. +33°C erwärmt, wird der DA5.1-Komparator aktiviert, der Ladevorgang stoppt, die HL2-LED („Überhitzung“) leuchtet. ) leuchtet auf und es ertönt ein akustisches Signal (wie bei falscher Polarität des Batterieanschlusses). Die beispielhaften Spannungen für die Komparatoren stammen vom Shaper, hergestellt auf DA1. Das logische Gerät auf den Elementen des DD1-Chips verarbeitet die Signale der Komparatoren, steuert die LED-Anzeigen, die Glocke und die Stromregler. Anstelle von K1401UD2A kann das Gerät den K1401UD2B-Chip sowie sein ausländisches Gegenstück LM124 verwenden. KR1446UD1A kann durch eine Mikroschaltung dieser Serie mit Index B oder C ersetzt werden, es ist jedoch möglich, dass der Reststrom (nach dem Ausschalten der Stromregler) entweder zu groß oder gar nicht ist. Beides ist unerwünscht. KR142EN19A kann in jedem Design durch ein ausländisches Analogon TL431 ersetzt werden. Zusätzlich zu den im Diagramm angegebenen ist es zulässig, im Gerät Feldeffekttransistoren der Serie KP303 mit anderen Buchstabenindizes zu verwenden, deren Abschaltspannung sollte jedoch nicht mehr als 3 und vorzugsweise nicht weniger als 0,5 V betragen . KT814A kann durch Transistoren dieser Serie mit den Indizes B, C ersetzt werden. Die Instanz, die im Zwangsstromregler (VT4) verwendet wird, muss ein statisches Basisstromübertragungsverhältnis von mindestens 70 bei einem Emitterstrom von 300 mA aufweisen. Unter dieser Bedingung ist die Verwendung eines Transistors der KT816-Serie möglich. KT3107A sind mit jeder dieser Serien austauschbar. Dioden KD212 – mit beliebigem Buchstabenindex. Die LEDs L-53LYD (gelbes Leuchten) und L-53LID (rot) von Kingbright zeichnen sich durch einen niedrigen Betriebsstrom aus (Beleuchtungsparameter sind auf einen Strom von 2 mA normalisiert) und können durch ähnliche mit einem maximal zulässigen Durchlassstrom von at ersetzt werden mindestens 7 mA. HL3 – jede grüne LED. Piezoelektrischer Emitter HA1 - HRM14AX von JL World mit eingebautem Generator 3H (Stromverbrauch - nicht mehr als 7 mA). Zur Einstellung des Ladestroms (R23) empfiehlt sich die Verwendung eines drahtvariablen Widerstands, zum Beispiel PPZ-40, PPZ-41, und zur Einstellung der Referenzspannungen (R3, R6, R11) - Draht Multiturn SP5- 2, SP5-3 und dergleichen. Die Teile des Ladegeräts sind auf einer Leiterplatte montiert, die in einem Kunststoffgehäuse untergebracht ist. Das Fach für den Akku ist offen, als Kontakte wurden zweckgleiche Kontakte des heimischen Avometers M4317 verwendet. Besonderes Augenmerk sollte auf die Befestigung des Temperatursensors DA2 (Abb. 2, Pos. 4) gelegt werden.
Der LM335Z-Chip verfügt über ein Kunststoff-Transistorgehäuse KT-26 (TO-92). Es wird mit seiner flachen Seite durch eine dünne Schicht nicht austrocknender Wärmeleitpaste am Pluskontakt 2 des Batteriefachs befestigt. Wenn zwischen dem Pluspol der Batterie 1 und dem Pol 2 ein geringer elektrischer Widerstand vorhanden ist, ist der thermische Kontakt gut. Es ist zu beachten, dass Masse und Oberfläche des Kontakts und der angrenzenden Metallteile möglichst klein sein sollten. Dies führt zu einem geringeren Wärmeverlust „auf dem Weg“ von der Batterie zum Sensor und erhöht somit die Genauigkeit der Temperaturmessung. Zu diesem Zweck werden Unterlegscheiben 6 aus Dielektrikum unter die Köpfe der Schrauben 2 gelegt, mit denen der Kontakt 8 am Sockel 7 befestigt wird. Sensor 4 wird mit einem Stück MGTF 5-Draht am Kontakt „befestigt“ (seine Enden sind mit dem Kontakt verlötet) und um den Gehäuseumfang herum mit einer dünnen Schicht Epoxidkleber gefüllt. Die Wand des Gehäuses 3 dient als Anschlag und begrenzt die Biegung des Kontakts 2. Beim Laden gibt der VT4-Transistor eine Leistung von bis zu 1,5 W ab und wird daher vertikal auf einer Duraluminiumplatte mit den Maßen 20 x 30 x 0,8 mm installiert. An der oberen Wand des Gerätegehäuses befinden sich die LEDs HL1 - HL3 und ein variabler Widerstand R23, dessen Bedienknopf mit einer runden Skala zur Einstellung des Ladestroms ausgestattet ist. In der Version des Autors ist die Skala in Kapazitätswerten (von 250 bis 1000 mAh) abgestuft, sodass Fehler bei der Stromeinstellung leichter vermieden werden können. Die piezoelektrische Glocke HA1 hat kleine Abmessungen und starre Leitungen und wird daher ohne zusätzliche Befestigung auf der Platine installiert. Die Einrichtung des Gerätes beginnt mit der Kalibrierung des Temperatursensors DA2. Stellen Sie zunächst an Pin 3 DA5.1 die beispielhafte Spannung UT ein. Dazu wird am Eingang eine konstante Spannung von 4,5 ... 5,5 V angelegt, die Temperatur T (in Grad Kelvin) am Aufstellort des Ladegeräts gemessen und die entsprechende Referenzspannung Uobr = T / 100 ermittelt Temperatur berechnet. Denken Sie daran, dass die Temperatur in Grad Kelvin gleich der Temperatur in Grad Celsius + 273 ist. Dann wird die tatsächliche Spannung Umeas an Pin 2 von DA2 (oder, was dasselbe ist, am gleichnamigen Pin DA5.1) gemessen und Die Verschiebung der Temperaturkennlinie von DA2 wird nach der Formel Δ = Uobr - Umeas berechnet. Danach stellt der Widerstand R3 die Referenzspannung UT = 3,06 - Δ (unter Berücksichtigung des Vorzeichens der Verschiebung) ein. Anschließend werden mit den abgestimmten Widerständen R6 und R11 Referenzspannungen von 1,4 bzw. 1,48 V in Reihe eingestellt (zulässige Abweichung beträgt maximal ±0,02 V). Abschließend wird die Skala des variablen Widerstands R23 kalibriert. Dazu wird ein Amperemeter an die Kontakte des Batteriefachs angeschlossen, am Eingang eine Spannung von 4,5 ... 5,5 V angelegt und durch Drehen des Schiebers des Widerstands R23 ein Strom von 25 mA erreicht. Auf der Skala wird die diesem Stromwert entsprechende Markierung mit 250 mAh angegeben. Die 350-, 500-, 750- und 1000-mAh-Marken sind auf die gleiche Weise kalibriert. Literatur
Autor: M.Bogdanov, Sarow, Gebiet Nischni Nowgorod.
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