1.2. Огляд схем зарядних пристроїв

Схема автоматичного зарядного пристрою (ЗП) показана на рисунку 1.

Рисунок 1

Він дозволяє заряджати АБ з будь-яким ступенем розрядки, у тому числі і цілком розряджені. Номінальний час зарядки АБ 7Д-0.125, розряджених до 1 В на акумулятор, складає приблизно 1,5 год. Для АБ з меншим ступенем розрядженості воно відповідно скорочується. Ємність, до якої можна зарядити батарею, приблизно дорівнює 0,85...0,95 від номінальної. Вона залежить від стану АБ і від точності установки струму, при якому відключається пристрій.

Працювати з ЗУ гранично просто — після підключення блоку живлення і АБ, що заряджається короткочасно натискають на кнопку SB1. При цьому включається сигнальний світлодіод HL1 і починається зарядка. Коли АБ зарядиться, пристрій автоматично виключиться, що цілком виключає небезпеку перезарядження, а сигнальний світлодіод згасне.

Основа ЗП — стабілізатор напруги DA1. Точне значення вихідної напруги встановлюють підстроєчним резистором R9. Діод VD1 запобігає розрядці АБ після вимикання ЗП. Для зниження втрат застосований діод Шоткі, що має менший, у порівнянні зі звичайними кремнієвими діодами, спадання напруги. До виходу ЗП через струмообмежуючий резистор R10 підключений індикатор — світлодіод HL1. Конденсатор С2 згладжує пульсації нестабілізованого джерела живлення на вході стабілізатора, а також запобігає його самозбудженню.

Вузол вимикання — тригер, зібраний на транзисторах VT1 і VT2 різної структури. У вихідному стані, після підключення джерела живлення і АБ, що заряджається тригер виключений. Для його включення досить короткочасно натиснути на кнопку SB1. При цьому відкривається транзистор VT1 і його колекторний струм через резистор R2 відкриває транзистор VT2 — ЗП починає працювати. Струм, що протікає через пристрій, створює спадання напруги на резисторі R5, що через резистор R6 і резистивний дільник напруги R3R4 подається на базу транзистора VT1. Тригер включається, а пристрій продовжує працювати і після відпускання кнопки SB1.

"По сумісництву" резистор R5 виконує функцію обмежника максимального струму на початку зарядки цілком розряджених АБ. У процесі зарядки напруга на батареї зростає, що приводить до зменшення зарядного струму, і при досягненні ним установленого мінімального значення спадання напруги на резисторі R5 стає недостатнім для утримання тригера у включеному стані — ЗП відключається і зарядка припиняється. Точне значення мінімального струму встановлюють підстроєчним резистором R4. Конденсатор С1 згладжує пульсації напруги на резисторі R5, що з'являються, коли ЗП живлять від нестабілізованого джерела живлення.

Більш точне підстроювання можна виконати при безпосередній роботі з АБ, провівши кілька контрольних циклів зарядки-розрядки.

Автоматичний зарядний пристрій, принципова схема якого приведена на рисунку 2 забезпечує автоматичну зарядку акумуляторних батарей 7Д-0,125, "Ніка" і аналогічних закордонного виробництва. Зарядка здійснюється стабільним струмом і по її закінченні, а саме при досягненні визначеної напруги, вона припиняється. Якщо батарея залишиться підключеною до пристрою на тривалий час, то в міру розрядки вона буде періодично автоматично підзаряджатися і тому завжди готова до роботи, перезарядження при цьому виключене. Усі режими роботи індикуються світлодіодами.

Рисунок 2

Пристрій складається з вузла живлення (С1, VD1, С2, HL1, VD3), компаратора (DA1), стабілізатора зарядного струму (DA2, VT3) і вузли керування. Останній містить несиметричний генератор імпульсів (DD1.1, DD1.4), буферні елементи (DD1.2, DD1.3), ключі (VT1, VT2). Резистор R1 служить для розрядки конденсатора, що гасить, С1 при відключенні пристрою від мережі, R2 обмежує пусковий струм. Як компаратор і в стабілізаторі струму застосовані мікросхеми паралельного стабілізатора напруги КР142ЕН19А.

Працює пристрій у такий спосіб. У момент підключення його до мережі загоряються світлодіоди HL1, HL2. Після приєднання батареї акумуляторів починають працювати стабілізатор струму, генератор імпульсів і загоряється світлодіод HL3, сигналізуючи про протікання зарядного струму, а HL2 гасне. При несправній батареї (наприклад, немає контакту між акумуляторами) чи відсутності контакту в сполучній колодці Х1 світлодіод HL3 горіти не буде. Якщо ж в акумуляторі коротке замикання, HL3 буде горіти, а HL1 згасне.

Режим роботи генератора встановлений таким, що транзистор VT2 відкривається на кілька секунд через кожні 2 хв. При закритому VT2 відкритий транзистор VT3 і батарея акумуляторів заряджається стабільним струмом (фаза зарядки). Коли ж VT2 відкривається, зарядка припиняється (HL3 гасне) і напругу батареї через дільник R8R9R11 і резистор R12 надходить на компаратор напруги DA1 (фаза контролю). Таким чином, протягом 2 хв відбувається зарядка батареї, потім на кілька секунд вона переривається і контролюється напруга батареї, після чого зарядка продовжується ще 2 хв і т.д. Процес триває доти, поки напруга на акумуляторі не досягне встановленого значення. У цей момент на аноді DA1 з'являється низький логічний рівень, а на виході елемента DD1.2 — високий. У результаті перестає працювати генератор на елементах DD1.1, DD1.4, відкривається транзистор VT1, а VT3 закривається (HL3 гасне) і зарядка акумуляторів припиняється. Індикатором закінчення зарядки служить світлодіод HL2.

Відомо, що навіть алгоритм швидкої зарядки (струмом 1...2С, де С — ємність акумулятора) припускає тривалість процесу зарядки 1...5 год. Важко представити, що весь це час за процесом буде вестися спостереження. І це при тому, що саме швидка зарядка є найбільш небезпечною. Навіть при невеликому недотриманні режиму можливий розрив корпуса акумулятора з усіма наслідками, що випливають. Істотно більш безпечна стандартна зарядка струмом 0,1C, але вона триває надто довго (до 14...16 год).

Описуваний пристрій забезпечує прискорену зарядку (4...7 год) одного Ni-Cd чи Ni-MH акумулятора ємністю від 250 до 1000 мА-год. Широкий інтервал струму зарядки аж ніяк не сприяє безпеці роботи пристрою через можливі помилки користувача при установці струму зарядки, тому передбачені різні способи захисту акумулятора і самого зарядного блоку.

Можливість зарядки лише одного акумулятора обумовлена бажанням забезпечити повну і, знову ж, безпечну зарядку. З технічних характеристик пристрою слід зазначити "м'який" режим прискореної зарядки, автоматичне відключення акумулятора після закінчення зарядки, захист від невірної полярності його підключення і від перегріву, індикацію режимів, звукове оповіщення про аварійний режим і, нарешті, досить низька напруга живлення (від 3,5 В), що в деяких випадках може виявитися дуже бажаним.

Принципова схема пристрою зображена на рисунку 3.

Його основна частина — стабілізатор струму — складається з трьох вузлів: стабілізатора напруги, що задає, і двох ідентичних за схемою регуляторів струму. Основний регулятор (DA6.1, VT3) забезпечує струм зарядки, рівний 0,1C, і працює протягом усього циклу. Другий регулятор (DA6.2, VT4) — його можна назвати форсованим — видає струм, рівний 0,3С, і включається, коли напруга на акумуляторі більше 0,6 В, але не досягло 1,4 В. У цей час працюють сумарним струмом 0,4С.

Це і є "м'який" режим прискореної зарядки.

Обмеження на роботу форсованого регулятора струму обумовлені наступними. Якщо акумулятор сильно розряджений (напруга на ньому Ua < 0,6 В), заряджати його великим струмом небезпечно, тому зарядка здійснюється струмом 0,1C.

Рисунок 3

Обидва регулятори є джерелами струму, керованими напругою. Керуюча напруга (щодо плюсового проводу живлення) формується стабілізатором напруги, що задає, DA3 і регулюється змінним резистором R23 (ним встановлюють необхідний струм зарядки в залежності від ємності акумулятора).

Звернемося тепер до другої частини пристрою, що складається з формувача зразкових напруг, компараторів, у якості яких використані ОП мікросхем DA4, DA5, і логічного вузла.

Як видно зі схеми, напруга з акумулятора подається на входи компараторів DA4.1—DA4.4 не безпосередньо, а через резистори R14, R16—R18, щоб уникнути ушкодження ОП при вставленому акумуляторі і відключеному живленні зарядного пристрою. Резистори на "зразкових" входах усувають погрішність, викликану вхідними струмами ОП (але не різницею вхідних струмів). "Зразковий" вхід ОП DA4.3 такого резистора не має, тому що від цього компаратора високої точності не потрібно.

Компаратор DA4.1 визначає момент відключення форсованого регулятора струму (при досягненні напруги на акумуляторі 1,4 В), DA4.2 — момент закінчення зарядки і видає сигнал на відключення основного регулятора струму. Резистор R24, що створює позитивний зворотний зв'язок, формує невеликий (близько 40 мв) гистерезис, що дозволяє уникнути хитливого стану компаратора після припинення зарядки.

Компаратор DA4.3 видає сигнал на включення форсованого регулятора струму, коли напруга на акумуляторі перевищить 0,6 В, a DA4.4 "перевіряє" правильність підключення акумулятора: при невірній полярності регулятори струму відключаються і п'єзоелектричний елемент НА1 видає попереджуючий звуковий сигнал. Для визначення полярності використана здатність ОП КР1401УД2А працювати з вхідними напругами, меншими напруги живлення негативної полярності.

Логічний пристрій на елементах мікросхеми DD1 обробляє сигнали, що надходять з компараторів, керує світлодіодними індикаторами, дзвоником і регуляторами струму.