3.4 ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И БАТАРЕЙ

В специализированной литературе обоснована целесообразность зарядки аккумуляторов от источника фиксированного напряжения с ограничением тока. Такой режим удобен тем, что подзарядка в течение, например, ночи гарантирует к утру их полную зарядку независимо от их исходного состояния без опасности перезарядки. В данном разделе описаны несколько вариантов подобных устройств для зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей.

Схема первого из предлагаемых зарядных устройств приведена на рис. 113. Стабилитрон VD6, операционный усилитель DA1.1, транзистор VT1 и связанные непосредственно с ними элементы образуют высокостабильный источник напряжения. Его особенность - питание параметрического стабилизатора R2VD6 выходным напряжением источника, что и обеспечивает ему высокие параметры.

Делитель R 17 - R28 формирует 12 ступеней напряжения, соответствующих предельным при зарядке одиночных аккумуляторов и батарей, составленных из 2 - 12 никель-кадмиевых аккумуляторов. Необходимое зарядное напряжение выбирают переключателем SA2. Операционный усилитель (ОУ) DA1.2 совместно с транзистором VT2 образуют точный повторитель этого напряжения с большой нагрузочной способностью. Его выходное сопротивление весьма мало -изменение напряжения при увеличении выходного тока от 0 до 350 мА нельзя обнаружить по четырехзначному цифровому вольтметру, т. е. оно меньше 1 мВ, а выходное сопротивление соответственно менее 0,003 Ом.

Для ограничения тока в начале зарядки используется сравнение падения напряжения на резисторе R32 (и подключаемых к нему параллельно резисторах R6 - R 16) и образцового напряжения, снимаемого с делителя R35 - R39. Ток коллектора транзистора VT2 с достаточной точностью равен току зарядки. Образцовое напряжение, снимаемое с резисторов R35 и R36, равно 1,2 В. Сравнение напряжений осуществляет компаратор, его функцию выполняет ОУ DA2.2. Когда ток зарядки создает на резисторе R32 падение напряжения более 1,2 В, ОУ DA2.2 открывает транзистор VT3, который своим коллекторным током увеличивает напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1.2, что приводит к уменьшению выходного напряжения ОУ и переходу всего источника в режим стабилизации тока. Установку значения тока ограничения в пределах от 2,5 до 350 мА производят переключателем SA3.

Выходное сопротивление устройства в режиме стабилизации тока равно сопротивлению резистора R30:

Микроамперметр РА1 с добавочным резистором R31 образует вольтметр на напряжение 1,2 В, поэтому при работе источника в режиме стабилизации тока его стрелка указывает на последнее деление шкалы. Для вольтметра использован микроамперметр на ток 100 мкА, поэтому такое его показание соответствует зарядному току, равному 100% от установленного переключателем SA3 значения.

Если к гнездам XI и Х2 зарядного устройства подключить разряженную батарею аккумуляторов, установив переключатель SA2 в положение, соответствующее их числу в ней, вначале ток зарядки будет определяться положением переключателя SA3. Через несколько часов напряжение на батарее достигнет значения, установленного переключателем SA2, и устройство перейдет в режим стабилизации напряжения. Ток зарядки начнет уменьшаться, что можно отслеживать по показанию прибора РА1.

Когда ток уменьшится до значения, составляющего примерно 5% от установленного переключателем SA3, компаратор на ОУ DA2.1 переключится и загорится светодиод HL2, сигнализируя об окончании зарядки.

Если батарею (или одиночный аккумулятор) продолжать заряжать даже в течение суток, с ней ничего не произойдет, поскольку ток в конце зарядки весьма мал.

Светодиод HL1 - индикатор подключения устройства к сети. Подбором конденсатора С7 устраняют высокочастотную генерацию ОУ DA1.2.

Какова роль диодов VD2 - VD5? При зарядке одиночного аккумулятора напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1.2 составляет 1,4 В, а в режиме замыкания выхода зарядного устройства его выходное напряжение, обеспечивающее перевод устройства в режим стабилизации тока, должно быть около 0,6 В относительно общего провода. Чтобы ОУ DA1.2 нормально работал в таких режимах, напряжение его минусового источника питания должно быть по абсолютному значению не менее 2 В, что и обеспечивается падением напряжения на диодах VD3 - VD5.

Аналогично для нормальной работы ОУ DA2.1 при напряжении на входах, близком к напряжению плюсового источника питания, разность между ними должна быть не менее 0,6 В - обеспечивается падением напряжения на диоде VD2.

Чертеж печатной платы из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, на которой размещена большая часть деталей устройства, приведен на рис. 114. Транзистор VT2 снабжен игольчатым теплоотводом размерами 60 х 45 мм, высота игл - 20 мм. Переключатели SA2 и SA3 вместе с распаянными на них

резисторами, микроамперметр РА1, светодиоды HL1 и HL2, выходные гнезда XI и Х2 установлены на передней панели прибора, изготовленной из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, а трансформатор Т1, выключатель SA1, предохранитель FU1, диодный мост VD1 и конденсаторы С1 - на задней дюралюминиевой панели такой же толщины. Панели скреплены между собой дюралюминиевыми стяжками длиной 135 мм, к этим же стяжкам привинчена печатная плата. Законченная конструкция установлена в алюминиевый корпус в виде отрезка прямоугольной трубы.

Сетевой трансформатор Т1 - унифицированный ТН-30 [17]. Но применим любой другой аналогичный трансформатор, вторичная обмотка которого обеспечивает напряжение 19...20 В при токе не менее 400 мА. Выпрямительный мост VD1, рассчитанный на такой же выходной ток, можно собрать из четырех диодов с рабочим током 300 мА, например, серии Д226. Такими могут быть и диоды VD2 -VD5. Конденсатор С1 составлен из трех соединенных параллельно оксидных конденсаторов К50-29 емкостью по 1000 мкФ на номинальное напряжение 25 В. Конденсатор С2 - К53-1, остальные - КМ-5 и КМ-6.

Термокомпенсированный стабилитрон КС191Ф (VD6) можно заменить на Д818 с буквенными индексами В - Е или на КС 191 с любым буквенным индексом. Резисторы R3, R5 и R17 - R28 желательно использовать стабильные, например, С2-29. Сопротивления резисторов R17 - R28 могут быть в пределах 160 Ом...10 кОм, но обязательно одинакового значения с точностью не хуже 0,3%.

Сопротивления резисторов R6 - R 16 не обязательно должны быть точными. Их желательно подобрать в соответствии с указанными на схеме значениями из резисторов близких номиналов, что упростит настройку прибора. Каждый из резисторов R 15, R 16 состоит из нескольких резисторов большего номинала и меньшей мощности рассеяния, которые соединены параллельно. Подстроечные резисторы R4 и R38 - СПЗ-19а.

Светодиоды HL1 и HL2 - любые, но желательно разного цвета свечения. Стабилитроны VD7 и VD8 на напряжение стабилизации 5,6...7,5 В. Переключатели SA2 и SA3 - ПГ2-5-12П1Н или аналогичные другие малогабаритные.

Микроамперметр РА1 типа М4247 на ток 100 мкА. Используя прибор на иной ток полного отклонения стрелки, придется подбирать не только ограничительный резистор R31, но и R32 - для обеспечения зарядного тока 2,5 мА при крайнем левом (по схеме) положении переключателя SA3.

Транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми кремниевыми структуры n-р-n средней мощности, a VT3 - любым кремниевым

маломощным структуры р-n-р на допустимое напряжение не менее ЗОВ.

Операционные усилители К140УД20 (DA1, DA2) заменимы двойным числом ОУ К140УД7. Применение ОУ других типов определяется возможностью их работы в упомянутых выше режимах, но автором это не проверялось.

Коротко о настройке зарядного устройства. Вначале подстроечным резистором R4 установите на эмиттере транзистора VT1 напряжение, равное 16,8 В. Нагрузив устройство резистором сопротивлением 51...68 Ом (на мощность рассеяния 7,5 Вт) и временно отпаяв резистор R43, убедитесь в том, что при переводе переключателя SA2 в каждое следующее положение (вверх по схеме) выходное напряжение увеличивается на 1,4 В. Проверьте отсутствие высокочастотной генерации на выходе и при необходимости подберите конденсатор С7.

Далее восстановите соединение резистора R43, а переключатель SA2 установите в положение "12". Изменяя положение переключателя SA3, убедитесь, что при этом выходной ток, измеряемый миллиамперметром, включенным последовательно с нагрузочным резистором, ограничивается значением, соответствующим положению этого переключателя (кроме 350 мА). Замените нагрузочный резистор цепочкой из двух - трех диодов (однотипных с VD2 - VD5) и, установив переключатель SA3 в положение "100 мА", выставьте подстроечным резистором R38 такой же выходной ток. Стрелка микроамперметра должна указывать на последнее деление шкалы, если это не так - подберите резистор R31.

Теперь переключатель SA2 установите в положение "1", а переключатель SA3 в положение "10 мА". К выходу устройства подключите переменный резистор на 3,3 кОм и миллиамперметр, после чего увеличивайте от нуля сопротивление этого резистора. При выходном токе, равном примерно 0,5 мА, должен включиться светодиод HL2.

Настраивая устройство, помните, что его выходное сопротивление резко несимметрично - оно мало для вытекающего тока и велико для втекающего. Поэтому устройство без нагрузки чувствительно к сетевым наводкам и измерение выходного напряжения высокоомным вольтметром может дать неожиданно завышенный результат.

Зарядка батареи аккумуляторов несложна. Надо лишь установить переключатели в положения, соответствующие числу аккумуляторов в ней и максимальному току зарядки, подключить к выходу батарею с соблюдением полярности и включить питание устройства. Признаком окончания зарядки служит загорание светодиода HL2. Максимальный ток зарядки должен быть в 3...4 раза меньше емкости заряжаемой батареи аккумуляторов.

Какие дополнения или изменения можно внести в этот вариант зарядного устройства? Прежде всего надо дополнить его электро-

магнитным реле К1, как показано на рис. 115, которое бы отключало аккумулятор или батарею после окончания зарядки. При включении светодиода HL2 реле срабатывает и своими нормально замкнутыми контактами разрывает цепь зарядки. Резистор R44 необходим для четкого срабатывания реле и обеспечения небольшого гистерезиса компаратора на ОУ DA2.1. Реле К1 должно быть на напряжение 20...27 В, транзистор VT4 -любой средней или большой мощности структуры р-n-р, например, серий КТ502, КТ814, КТ816.

Но введя в устройство такое дополнение, следует учитывать, что после начала зарядки любые переключения его цепей приводят к срабатыванию реле, поэтому необходимые установки надо делать заранее.

Устройство можно применять для разрядки батарей из семи аккумуляторов, не опасаясь их переразрядки. Для этого переключатель SA2 надо установить в положение "5", переключатель SA3 - в ближайшее по току разрядки, но большее его, включить между выходными гнездами XI и Х2 резистор, обеспечивающий необходимый ток разрядки и подключить разряжаемую батарею. Поскольку напряжение батареи больше, чем подаваемое на неинвертирующий вход ОУ DA1.2, транзистор VT2 будет закрыт, а батарея разряжаться через резистор. Когда напряжение батареи снизится до 7 В, ОУ DA1.2 и транзистор VT1 перейдут в режим стабилизации напряжения, разрядка прекратится.

Индикатором завершения разрядки батареи служит светодиод HL2 - в процессе разрядки он светится, а по ее окончании - гаснет.

Если устройство часто предполагается использовать для разрядки батарей, к тому же с разным числом аккумуляторов, в него целесообразно ввести дополнительный резистор, сопротивление которого составляет 40% от суммарного сопротивления резисторов R17 - R28, и, конечно, выключатель. Резистор включают между выходом источника образцового напряжения (на схеме рис. 113 -точка соединения эмиттера транзистора VT1, резисторов R2, R3, конденсатора СЗ) и неподвижным контактом "12" переключателя

SA2, соединенным с резистором R17, а параллельно этому резистору - дополнительный выключатель. Батарею заряжают при замкнутых контактах выключателя, а при размыкании их, когда выходное напряжение уменьшается в 1,4 раза (до 1 В на аккумулятор),батарею можно разряжать.

Разрядка батареи через резистор происходит изменяющимся во времени током, который можно стабилизировать микросхемой

К142ЕН12А, включив ее по схеме, приведенной на рис. 116. Сопротивление резистора R46 (Ом) определяют по формуле: R46=1250/Ipaз, где Iраз - ток разрядки (мА).

Номиналы резисторов, от которых зависит ток разрядки, соответствуют сопротивлениям резисторов R6 - R 16 при тех же токах, что и ток зарядки.

Схема второго варианта зарядного устройства показана на рис. 117. Оно значительно проще, но в нем нет узла индикации момента окончания зарядки.

В устройстве применены две микросхемы КР142ЕН12А. Первая из них (DA1) работает в режиме ограничения тока, а вторая выполняет функцию стабилизатора напряжения зарядки.

Диоды VD2-VD4 являются элементами защиты. Подстроечными резисторами R25 и R28 точно устанавливают выходные напряжения при различных положениях переключателя SA3. Конденсаторы С2-С4 предотвращают возможную генерацию микросхем DA1, DA2.

Трансформатор питания Т1, диодный мост VD1, конденсатор С1, переключатели SA2 и SA3 могут быть такими же, как в первом варианте устройства. Диоды VD2-VD4 - любые маломощные кремниевые.

Резисторы R13-R24, R26 должны быть точными и стабильными, а их сопротивления - в пределах 120...180 Ом.

Перед установкой микросхем на плате желательно проверить их напряжение стабилизации. Сделать это можно, подключив цепь, выполненную по схеме рис. 116, к источнику напряжения 5...15 В, измеряя напряжение на резисторе R46 (160 Ом). Ту из микросхем, напряжение стабилизации которой ближе к 1,2 В, используйте в узле ограничения тока зарядки (DA1). А если оно сильно отличается от 1,2 В, сопротивления резисторов R2-R12 придется подобрать при настройке устройства.

Настраивайте это зарядное устройство следующим образом. Вначале переключатели SA2 и SA3 установите в положения "350" и

"12" соответственно, движок подстроенного резистора R25 - в среднее положение, после чего резистором R27 выставите на выходе напряжение 16,8 В. Далее переключатель SA3 переведите в положение "1" и резистором R25 установите на выходе устройства напряжение 1,4 В. Эти операции взаимосвязаны, поэтому повторите их несколько раз.

Затем к выходу подключите три соединенных последовательно кремниевых диода на ток не менее 300 мА и миллиамперметр. Переключатели SA2 и SA3 установите в положения "2,5" и "2" и подбором резистора R1 добейтесь выходного тока, равного 2,5 мА. Если напряжение стабилизации микросхемы DA1 1,2 В и сопротивления резисторов R2-R12 соответствуют указанным на схеме, то и при других положениях переключателей токи зарядки должны соответствовать обозначенным на схеме. В противном случае придется дополнительно подбирать резисторы R2-R12.

Выходное сопротивление устройства в режиме стабилизации тока значительно меньше, чем у конструкции первого варианта, и равно

суммарному сопротивлению введенных резисторов R13-R24 и R25-R28.

Если зарядное устройство по схеме на рис. 117 предназначается лишь для батарей из аккумуляторов одного типа, переключатель SA2 и резисторы R2-R12 можно исключить, а индикатор окончания зарядки, собранный по схеме рис. 118, ввести. Пока суммарный ток зарядки и текущий через резисторы R13-R24 достаточно велик, он течет, в основном,

через эмиттерный переход транзистора VT1. Транзистор при этом открывается и загорается светодиод HL1, индицируя процесс зарядки. Когда ток уменьшится до значения, определяемого сопротивлением резистора R29 и напряжением открывания транзистора VT1, этот транзистор закроется и светодиод погаснет.

Было собрано (с исключением переключателя SA2 и с добавлением индикатора окончания зарядки по схеме рис. 118) зарядное устройство для батарей из аккумуляторов ЦНК-0,45 (до шести штук). Чтобы ограничить выходной ток на уровне 150 мА,потребо-вался резистор (R1 на рис. 117) сопротивлением 8,2 Ом. В индикаторе окончания зарядки при сопротивлении резистора R29 30 Ом уменьшение яркости свечения светодиода начиналось при токе зарядки 10 мА, полностью он погасал при токе 7 мА.

В устройстве использован трансформатор ТПП-220 [16], все шесть вторичных обмоток которого соединены последовательно. Перемычки удобно устанавливать так: 16-17, 18-11, 12-13, 14-19, 20-21, напряжение на диодный мост снимают с выводов 15 и 22. Напряжение сети подают на выводы 2 и 9 трансформатора, между выводами 3 и 7 необходимо также установить перемычку. Но, конечно, пригоден любой другой трансформатор, обеспечивающий на вторичной обмотке напряжение 11...12 В при токе не менее 400 мА.

Все элементы устройства, кроме сетевого трансформатора с выключателем питания, предохранителя, переключателя SA3 и выходных гнезд, смонтированы на печатной плате размерами 90 х 50 мм (рис. 119). Плата рассчитана на установку диодного моста КЦ407А (VD1), оксидного конденсатора К50-29 (С1) емкостью 2200 мкф на номинальное напряжение 16 В. Другие детали такие, как в конструкции первого варианта устройства. Микросхемы DA1 и DA2 установлены на игольчатые теплоотводы размерами 45 х 25 мм, высота игл - 20 мм.

Монтажная плата с помощью резьбовых втулок, вклепанных в ее углы, вместе с другими деталями установлена в пластмассовом корпусе размерами 133х100х56 мм. Светодиод на удлиненных выводах выведен на крышку корпуса.

Налаживают устройство в таком порядке. Подстроенными резисторами R25 и R27 устанавливают на выходе напряжения 8,4 и 1,4 В при положениях "6" и "1" переключателя SA3 соответственно, выходной ток, равный 150 мА, - подбором резистора R1 и порог погасания светодиода - подбором резистора R29. В случае возникновения генерации микросхемы DA1 между ее входным выводом 2 и минусовым проводом цепи питания включают конденсатор С* (несколько десятков или сотен нанофарад), обозначенный на рис. 119 штриховыми линиями. Печатная плата такого варианта зарядного устройства может стать основой и для устройства по схеме рис. 117-на ней предусмотрены контакты для подключения переключателя

SA2 с резисторами R2-R12. Каждая из микросхем должна быть установлена на свой радиатор таких же габаритов, что и в устройстве по схеме рис. 113.

Любителям слушать музыку, используя плейер, источником питания которого служит батарея из двух аккумуляторов ЦНК-0,45, предлагается зарядное устройство попроще (рис. 120, схема отличается от рис. 105 номиналами и отсутствием конденсатора, включенного параллельно вторичной обмотке трансформатора). Вторичная обмотка сетевого трансформатора Т1 должна быть рассчитана на напряжение 8...9 В и ток не менее 160 мА. Микросхему следует снабдить небольшим пластинчатым теплоотводом. Выходное напряжение, равное 2,8 В, устанавливают подстроечным резистором R2, а затем, нагрузив устройство на три последовательно включенных диода на ток 300 мА или два разряженных аккумулятора, подбором резистора R1 - выходной ток 150... 180 мА.

А если микросхемы КР142ЕН12А нет? В таком случае зарядное устройство аналогичного назначения рекомендуется собрать по

схеме рис. 121. Основой такого варианта зарядного устройства может быть блок питания ПМ-1, предназначаемый для питания электродвигателей игрушек, любой другой трансформатор, понижающий напряжение сети до 6...6,3 В, или сетевой адаптер.

Все детали устройства, кроме сетевого трансформатора, монтируют на печатной плате, чертеж которой приведен на рис. 122, рассчитанной на установку на ней оксидных конденсаторов К50-6 (С1-СЗ), подстроечного резистора СПЗ-

19б (R5), светодиодов АЛ341А или АЛ307Б. Светодиоды выведены наружу через вентиляционные щели кожуха. Транзистор VT1 снабжен небольшим пластинчатым теплоотводом из латуни (или алюминия) толщиной 0,5 мм. Монтажная плата закреплена в корпусе на двух вклепанных в нее резьбовых втулках.

При настройке этого устройства, как и предыдущего, сначала устанавливают выходное напряжение 2,8 В (резистором R5), после чего его нагружают тремя соединенными последовательно диодами на рабочий ток 300 мА и подбором резистора R7 добиваются выходного тока 150... 180 мА. Светодиод HL2 при этом гаснет.

Корпусы описанных зарядных устройств должны иметь вентиляционные отверстия для обеспечения охлаждения теплоотводов микросхем или транзисторов.