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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Automatisches Ladegerät für Ni-Cd-Akkus. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Der unseren Lesern vorgestellte Artikel beschreibt ein automatisches Ladegerät, das laut Autor Ni-Cd-Akkus nahezu perfekt auflädt. Darüber hinaus können damit Ni-MH-Akkus aufgeladen werden. In der Originalversion ist das Gerät zum Laden eines Akkus mit einer Nennspannung von 7,5 V und einer Kapazität von 1300 mAh des Radiosenders Motorola GP1200 ausgelegt. Für alle, die dieses Gerät zum Laden anderer Batterien wiederholen möchten, werden Formeln zur Berechnung der Hauptelemente angegeben. Es ist bekannt [1], dass ein Ni-Cd-Akku als geladen gilt, wenn die Spannung an ihm bei angeschlossenem Ladegerät 1,5 V beträgt. Nach dem Ausschalten des Ladegeräts sinkt die Spannung schnell auf etwa 1,45–1,47 V. Eine Überladung ist nicht akzeptabel , da dies die Batterielebensdauer verkürzt. Ein normales Laden des Akkus ist möglich, wenn dieser auf eine Spannung im Bereich von 1 ... 1,1 V entladen wird. Bei einer Entladung auf eine Spannung unterhalb des angegebenen Wertes verringert sich die Lebensdauer des Akkus, bei einem höheren Wert tritt ein Memory-Effekt auf. Daher müssen Sie vor dem Laden sicherstellen, dass der Akku auf die oben genannte Spannung entladen ist. Die ungefähre Ladezeit wird mit der Formel t = 1,4 C/I10 berechnet, wobei t die Ladezeit h ist; C - Batteriekapazität, mAh; I10 – Nennladestrom: 110=С/10, mA; 1,4 ist ein Korrekturfaktor, der Verluste berücksichtigt, da beim Laden ein Teil der Energie irreversibel in Wärme umgewandelt wird. Es ist zu beachten, dass fast alle modernen Ni-Cd-Akkus mit fortschrittlicherer Technologie hergestellt werden, sodass der Korrekturfaktor für sie im Bereich von etwa 1,1 bis 1,2 liegt. Wie lässt sich also verhindern, dass die Batterie nach dem Ladevorgang überladen wird und sich automatisch vom Ladegerät trennt? Sie können beispielsweise die Ladezeit der Batterie berechnen, den Ladestrom einstellen und ein Zeitrelais anschließen. Diese Lösung hat jedoch auch negative Seiten. Wie oben erwähnt, kann der Korrekturfaktor für eine bestimmte Batterie leicht abweichen, was zu einem falschen Timing und in der Folge zu einer Unter- oder Überladung führen kann. Wenn der Akku nicht vollständig entladen wurde, wird er höchstwahrscheinlich mit einem Ladegerät, das diese Methode implementiert, wieder aufgeladen. Wenn während des Ladevorgangs die Spannung im Versorgungsnetz verschwindet und dann wieder auftritt, setzt das Zeitrelais seine Werte zurück und beginnt den Zyklus erneut, was wiederum zu einer garantierten Wiederaufladung führt. Letztendlich wird die Akkulaufzeit spürbar verkürzt. Betrachten wir eine andere Option. Wenn Sie sich auf den Endspannungswert der Batterie von 1,5 V konzentrieren, können Sie nicht die Zeit, sondern die Spannung kontrollieren und sie entsprechend vom Ladegerät trennen. Allerdings gibt es in der Regel keine identischen Akkus und beim Laden eines Akkus werden einige seiner Elemente unterladen. Wenn man die Ladecharakteristik der Batterie betrachtet, kann man eine interessante Besonderheit entdecken: Beim Nachladen sinkt die Spannung an den Batteriepolen. Es bleibt nur noch zu prüfen, ob die Spannung abgefallen ist, und den Befehl zum Ausschalten des Ladegeräts zu erteilen. Schauen wir uns das genauer an. Teilen wir den Ladevorgang in drei Phasen ein. Die erste Stufe – die Spannung an der Batterie (AB) steigt auf einen Wert von 1,5 V pro Zelle. Die Dauer dieser Phase beträgt ca. 80...90 % der Gesamtzeit. Die zweite Stufe – die Spannung an der Batterie beträgt mehr als 1,5 V pro Element. In diesem Stadium findet der mysteriöseste Vorgang statt: Einige Akkus werden aufgeladen, bei anderen kommt es zu einer leichten Überladung. Es ist fast unmöglich vorherzusagen, wie hoch die Spannung der Batterie in diesem Moment sein wird. Es hängt alles von der Identität der Batterieparameter ab. Es fällt auf, dass die Spannung umso höher ansteigt, je stärker sich die Parameter unterscheiden. Am Ende dieses Vorgangs sind die Akkus im Akku nahezu gleichmäßig geladen. Die Dauer dieser Phase beträgt ca. 10...20 % der Gesamtzeit. Die dritte Stufe – die Spannung an der Batterie sinkt und beträgt weniger als 1,5 V pro Element. Der Ladevorgang ist abgeschlossen. Was aber tun, wenn die Spannung in der dritten Stufe nicht weniger als 1,5 V pro Element beträgt? Diese Situation tritt beim Laden von Ni-Cd sehr selten auf, ist aber typisch für Ni-MH-Akkus. Es gibt einen ganz einfachen Ausweg. Typischerweise dauert die zweite Stufe bei allen modernen Batterien nicht länger als zwei Stunden (genauer gesagt 1...2 Stunden). Daher reicht es aus, einen Timer zu verwenden, der das Ladegerät zwei Stunden nach Beginn der zweiten Stufe abschaltet. Betrachten wir das Laden des Akkus über einen Motorola GP1200-Radiosender, der aus sechs Akkus mit einer Kapazität von 1300 mAh besteht. Seine Nennspannung beträgt, wie bei den meisten Batterien für Radiosender dieser Firma, 7,5 V. Sie sollten auch das Vorhandensein einer in die Batterie eingebauten Schutzdiode berücksichtigen, die im Ladekreis enthalten ist. Typischerweise beträgt der Spannungsabfall an dieser Diode etwa 0,28 V. Berechnen wir die Ladeparameter zum Laden dieser Batterie. Nennladestrom I10=0/10=130 mA. Die Ansprechspannung des Komparators beträgt 6-1,5 = 9 V. Zu diesem Wert addieren wir den Spannungsabfall an der Schutzdiode: 9 + 0,28 = 9,28 V. Der Korrekturfaktor für Motorola-Akkus beträgt ca. 1,2. Die maximale Batterieladezeit beträgt t=1,20/I10=1,2-1300/130=12 Stunden. Die Speicherschaltung ist in Abb. 1 dargestellt. eines.
Das Gerät besteht aus drei Hauptkomponenten: A1 – einem Gleichrichter mit Verdoppelung der Spannung und einem Ladestromstabilisator; A2 – Komparator, der den Stromeinstellungsauslöser und den Ladetimer steuert; A3 ist ein Trigger, der den Batterieladestrom bestimmt. Die Hauptvorteile des vorgeschlagenen automatischen Speichers:
Wenn der Akku (GB1) an das Ladegerät angeschlossen ist, erscheint am Ausgang des DA1-Stabilisators eine stabile Spannung von 5 V. Dadurch leuchtet die HL3-LED auf und zeigt an, dass der Akku an das Gerät angeschlossen ist. Der auf den Transistoren VT2-VT4 aufgebaute Stromeinstellauslöser wird mit der gleichen Spannung versorgt. Aufgrund des Vorhandenseins des Kondensators C6 steigt die Spannung an der Basis des Transistors VT3 langsamer an als an der Basis des Transistors VT4. Der Transistor VT4 öffnet, der Widerstand R14 ist mit dem Stromstabilisator DA1 verbunden und bestimmt den Ladestrom in der ersten Stufe. Infolgedessen leuchtet die HL2-LED auf und signalisiert den Beginn des Ladevorgangs. Wenn die Spannung an der Batterie 9,28 V erreicht, wird der Komparator DA2.1 aktiviert, was zum Öffnen des Transistors VT2 führt. Infolgedessen nimmt die Spannung an der Basis des Transistors VT4 stark ab und der Auslöser wechselt in einen anderen stabilen Zustand: Transistor VT4 ist geschlossen und die Transistoren VT2 und VT3 sind geöffnet. Dies führt dazu, dass der Ladestrom nun durch den Widerstand der parallel geschalteten Widerstände R10 und R11 bestimmt wird. Es lässt sich leicht berechnen, dass der Strom gleich bleibt. Dies führt natürlich dazu, dass die HL2-LED erlischt und HL1 aufleuchtet, was die zweite Stufe signalisiert. Die zweite Stufe endet mit einem Spannungsabfall an der Batterie, wodurch der Komparator DA2.1 erneut umschaltet, die HL1-LED erlischt und der VT2-Transistor schließt. Jetzt wird der Ladestrom nur noch durch den Widerstandswert des Widerstands R11 bestimmt. Der Ladevorgang ist abgeschlossen. Wie die Praxis zeigt, werden durch wiederholte und nahezu ideale Ladezyklen die Parameter der Batterien in der Batterie angeglichen und die Spannung am Ende der zweiten Stufe tendiert zu 1,5 V pro Zelle, wobei dieser Wert manchmal nicht überschritten wird. In diesem Fall wird der Komparator höchstwahrscheinlich nicht funktionieren. Hier kommt der Lade-Timer ins Spiel, der auf dem Operationsverstärker DA2.2 montiert ist. Der Kondensator C5 stellt die Zeit (ca. zwei Stunden) ein, nach der der Timer umschaltet. Nach dieser Zeit schließt der Transistor VT2 und wie oben erwähnt wird der Ladestrom, der numerisch etwa 1/30 der Batteriekapazität entspricht, durch den Widerstandswert des Widerstands R11 bestimmt. Ein so kleiner Strom kompensiert nur die Selbstentladung der Batterie. Theoretisch kann der Akku unbegrenzt in diesem Modus bleiben. Der Trimmerwiderstand R3 stellt die Betriebsschwelle des Komparators DA2.1 ein. Tatsächlich wird der Komparator von einer asymmetrischen bipolaren Spannung gespeist; seine Betriebsschwelle ist der Übergang der Spannung am invertierenden Eingang durch Null. Der Komparator ist so ausgelegt, dass der untere Schwellenwert etwa 60 mV niedriger ist als der obere Schwellenwert [2]. Dies geschieht, um ein „Prellen“ beim Schalten des Transistors VT2 zu verhindern. Das Ladegerät wird von einem Transformator gespeist, dessen Wechselspannung an der Sekundärwicklung 12 V beträgt. Ein Gleichrichter mit Verdoppelung der Spannung ist auf den Dioden VD1, VD2 und den Kondensatoren C1, C2 aufgebaut – an seinem Ausgang beträgt die Spannung etwa 30 V, was völlig ausreicht, um eine Batterie mit zehn Batterien aufzuladen. Wenn ein Akku mit einer anderen Kapazität und (oder) einer anderen Spannung geladen werden muss, können die Ladeparameter einfach neu berechnet werden. Dazu benötigen Sie drei Parameter: Kapazität, Anzahl der Batterien im Akku und das Vorhandensein (oder Fehlen) einer Schutzdiode. Bei Kenntnis der Kapazität wird der Nennladestrom berechnet. Basierend auf der Anzahl der Batterien und dem Vorhandensein (oder Fehlen) einer Schutzdiode wird die Schaltspannung des Komparators berechnet. Möglicherweise muss der Widerstand R2 so gewählt werden, dass der Abstimmwiderstand R3 zur Einstellung der Ansprechschwelle verwendet werden kann. Und es bleibt noch, den Widerstandswert der Widerstände R10, R11, R14 zu berechnen: R14=5/I10; R11=4R14; R10=R11/3. Da die erhaltenen Werte jedoch nicht ganz dem Standard entsprechen, verwendet der Speicher zusammengesetzte, parallel geschaltete Widerstände: R14 – vier parallel geschaltete Widerstände R11; R10 – drei parallel geschaltete Widerstände R11. Ich empfehle die Verwendung von Verbundwiderständen. Andernfalls kann es bei einer größeren Streuung der Werte dazu kommen, dass der Komparator nicht schaltet. Das Gerät ist auf drei Leiterplatten montiert (jeder Knoten auf einer separaten Platine), deren Zeichnungen in Abb. dargestellt sind. 2.
Der DA1-Stabilisator sollte auf einem Rippen- oder Stiftkühlkörper mit einer Fläche von mindestens 20 cm2 platziert werden. Im Gerät dürfen nur Kondensatoren mit der im Diagramm angegebenen Kapazität verwendet werden. Der Ableitwiderstand des Kondensators C5 beträgt mindestens 2 MOhm. Vor der Installation sollte der Jumper S1 entfernt werden. Anschließend wird dem Anschluss X1 Spannung vom Netztransformator zugeführt. Anstelle von AB ist sein Äquivalent verbunden. Der Batterie-Ersatzwiderstand wird anhand der Formel Reeq=Ucp/I10 berechnet, wobei Ucp die Schaltspannung des Komparators (9,28 V) ist. In unserem Fall ist das Äquivalent der Batterie des Motorola GP1200-Radios ein Widerstand mit einem Widerstand von etwa 75 Ohm und einer Leistung von mindestens 2 W. Nach der Installation des Äquivalents sollte die HL3-LED aufleuchten. Anschließend wird die Schaltspannung des Komparators (3 V) von einer externen geregelten Stromversorgung an den Kondensator C9,28 angelegt. Dabei ist auf die Polarität zu achten: Der Minuspol wird gemäß dem Diagramm mit dem linken Anschluss des Kondensators C3 verbunden, und der Pluspol wird mit dem verbunden Rechts. Der Trimmerwiderstand R3 legt den Schwellenwert für das Einschalten der LED HL1 fest. Dann sollten Sie prüfen, ob die HL9,28-LED garantiert erlischt, wenn die Spannung des externen geregelten Netzteils allmählich von 9,2 auf 1 V absinkt. Anschließend wird die Funktionsfähigkeit des gesamten Speichers überprüft. Dazu müssen Sie die Spannung des externen Netzteils um mindestens 1 V leicht reduzieren. Dadurch erlischt die HL1-LED natürlich, wenn sie leuchtete. Dann schalten wir das Äquivalent AB aus. Die HL3-LED sollte erlöschen. Wir verbinden das Äquivalent erneut. Die LEDs HL2 und HL3 leuchten. Die HL3-LED signalisiert das Vorhandensein eines Akkus im Gerät und die HL2-LED zeigt den Beginn des Ladevorgangs an. Anschließend wird die Spannung des externen Netzteils schrittweise erhöht. Bei einer Spannung von 9,28 V sollte die HL2-LED erlöschen und die HL1-LED aufleuchten, was den Beginn der zweiten Stufe signalisiert. Und schließlich muss noch der Ladetimer überprüft werden. Dazu wird ein Voltmeter zwischen Basis und Emitter des Transistors VT2 geschaltet. Es sollte eine Spannung von etwa 0,7 V angezeigt werden. Die HL1-LED leuchtet zu diesem Zeitpunkt. Nach 2 Stunden ±20 Minuten sollten die Voltmeterwerte sinken. Die HL1-LED leuchtet weiterhin. Beim Laden des Akkus erlischt jedoch die HL2-LED, sobald die Basis-Emitter-Spannung des Transistors VT1 abnimmt. Die Einrichtung ist abgeschlossen. Trennen Sie die externe geregelte Stromversorgung, die einer Batterie entspricht, und stellen Sie die Brücke S1 wieder her. Das Gerät ist betriebsbereit. Literatur
Autor: Yu.Osipenko, Ufa
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