Зарядное устройство для аккумуляторов, с установкой тока и напряжения заряда

Предлагается вариант изготовления зарядного устройства аккумуляторов для бытовых приборов, с установкой тока и напряжения зарядки, со стабилизацией тока на нагрузке.

При периодическом проживании в летнем доме, иногда появляется необходимость в подзарядке различных источников питания для часов, приемника, фонарика. Кроме того, требуют заряда и Li-ion аккумуляторы от старых мобильных телефонов, используемые в изготовленных ранее самоделках. Учитывая то, что используемые аккумуляторы имеют различную форму, габариты и присоединительные размеры, а также различные режимы заряда, необходимо изготовить, в какой-то мере, универсальное зарядное устройство (ЗУ). Так как это ЗУ будет использоваться лишь периодически, изготовлять или приобретать специализированные ЗУ для каждого вида аккумуляторов не имеет смысла.
В связи с этим, для зарядки различных маломощных аккумуляторов, изготовим единое, упрощенное, но надежное зарядное устройство. При зарядке аккумуляторов под периодическим визуальным контролем над окончанием заряда, имея возможность установки режимов (величина стабильного тока и предельное напряжение заряда) такое ЗУ обеспечит качественную работу.

Процесс изготовления зарядного устройства для выполнения поставленной задачи рассмотрен ниже.

1. Установка исходных данных.
Для правильной эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов рекомендуется поддерживать рабочее напряжение на элементах в пределах 1,2…1,4 вольта, допускается предельное снижение до 0,9 вольта. Быструю зарядку NiMH элементов батарей рекомендуется проводить при напряжении 0,8…1,8 вольта, с величиной тока заряда в интервале 0,3…0,5С.

Рабочее напряжение для Li-ion аккумулятора 3,0...3,7 вольта. Зарядку аккумулятора необходимо выполнять до предельного напряжения 4,2 вольта, с током заряда в интервале 0,1...0,5С (до 450 mA при емкости аккумулятора 900 mAh).

Учитывая рекомендации, установим следующие характеристики изготовляемого ЗУ:
Выходное напряжение 1,3...1,8 вольта (для NiMH аккумулятора).
Выходное напряжение 3,5...4,2 вольта (для Li-ion аккумулятора).
Выходной ток (регулируемый) – 100...400 mA (…900 mA).
Входное напряжение - 9...12 вольт.
Входной ток - 400 mA (1000 mA).

2. Источник тока.
В качестве источника тока для ЗУ применим мобильный адаптер 220/9 вольт, 400 mA. Можно использовать более мощный адаптер (например, 220/1,6...12 вольт, 1000 mA). При этом изменений в конструкции ЗУ не потребуется.


3. Схема зарядного устройства.
Схема ЗУ проста в изготовлении и наладке, не имеет дефицитных и дорогих деталей. Устройство позволяет заряжать различные аккумуляторы стабильным, заранее установленным, током. А также, до начала зарядки, можно установить предельное напряжение, выше которого оно не поднимется на клеммах аккумулятора, в течении всего процессе зарядки.

Изготовим ЗУ по схеме.


4. Описание работы схемы ЗУ.
Узел управления выходным током построен на силовом составном транзисторе VТ1. Максимальную величину выходного тока заряда ограничивает низкоомный резистор R7 (при номиналах деталей указанных на схеме и соответствующем по мощности блоке питания, максимальный ток заряда Li-ion аккумулятора достигает 1,2 А). При отсутствии резистора, необходимого сопротивления и мощности, его можно собрать из нескольких дешевых и распространённых резисторов. Например, в приведенной конструкции, трехваттный резистор R7 сопротивлением 3,4 Ом собран из двух последовательно соединенных групп, по три параллельно включенных резистора МЛТ-1 сопротивлением 5,1 Ом.

На транзисторе VТ2 и резисторах R5, R6 реализован стабилизатор и регулятор зарядного тока. Переменный резистор R6 включен параллельно ограничительному резистору R7 и является датчиком тока. Ток через резистор R6 пропорционален току через резистор R7, но благодаря соотношению сопротивлений имеет значительно меньшую величину, что позволяет управлять выходным током с помощью переменного резистора и транзистора малой мощности.

Под нагрузкой, на датчике тока появляется падение напряжения, пропорциональное проходящему току. При изменении тока зарядки, по различным причинам, соразмерно изменяется падение напряжения на R6 и соответственно управляющее напряжение на базе транзистора VТ2.
При увеличении напряжения на базе VТ2, увеличивается ток К-Э транзистора VT2, снижая напряжение на базе VТ1. При этом, силовой транзистор VT1 начинает закрываться, уменьшая зарядный ток аккумулятора. И наоборот, при уменьшении напряжения на базе VТ2, зарядный ток увеличивается. Таким образом, осуществляется автоматическая корректировка тока в нагрузке - стабилизация тока заряда.

Изменяя сопротивление резистора R6, мы можем установить необходимый ток заряда аккумулятора. После регулировки, происходят аналогичные процессы стабилизации вновь установленного тока.

Узел установки предельного напряжения выполнен на регулируемом стабилизаторе напряжения DA1 (TL431). Подбирая сопротивление резисторов R3 и R4, выбираем оптимальный диапазон регулирования напряжения. С помощью переменного резистора R4 устанавливаем предельное напряжение на выходе (до подключения аккумулятора к ЗУ).

При подсоединении разряженного аккумулятора к ЗУ, напряжение на выходе понижается. Через аккумулятор начинает проходить ток, установленный с помощью резистора R6. По мере заряда и повышения напряжения на аккумуляторе, потенциал на управляющем электроде стабилитрона DA1 приближается к 2,5 вольт, стабилитрон TL431 начинает открываться. При этом, напряжение на базе VТ1 постепенно понижается, силовой транзистор закрывается, а ток зарядки, протекающий по нему, постепенно уменьшаться практически до нуля.
В разъем Х2 включается амперметр (мультиметр) для установки и контроля зарядного тока, при зарядке однотипных элементов вместо него устанавливается перемычка.

Разъем Х3 используется для установки Li-ion аккумулятора от мобильного телефона. В разъем Х4 возможно установить аккумуляторы цилиндрической формы различной длины, с напряжением 1,2…1,4 вольта. Диоды VD1 и VD2 включены в цепь разъема X4, для понижения напряжения заряда аккумулятора до 1,3...1,8 вольта и предотвращения разряда аккумуляторов при отключении ЗУ. С помощью выносных щупов с зажимом, можно подключить для зарядки нестандартный аккумулятор с рабочим напряжением до 6… 9 вольт.

5. Изготовление корпуса зарядного устройства
Для корпуса ЗУ используем пластмассовую крышку от старого реле, размерами 90 х 60 х 65 мм. Усиливаем корпус панелью из текстолита для установки разъемов. Сверлим необходимые крепежные отверстия.



6. Комплектуем корпус разъемами и изготовляем нестандартные элементы.


7. Собираем корпус с навесными элементами. На задней панели расположены разъемы - контрольный Х2 (внизу) и входной Х1для соединения с адаптером питания ЗУ. Наверху корпуса расположена панель для установки Li-ion аккумулятора.




8. На передней стороне ЗУ закреплены ложемент и контакты для установки цилиндрических аккумуляторов.

9. Комплектуем ЗУ деталями согласно приведенной схеме.
Откладываем детали, имеющие большое тепловыделение. В данном случае это силовой транзистор VТ1 на радиаторе и сборный резистор R7, составленный из шести резисторов меньшей мощности. Для улучшения температурного режима, собираем эти детали на отдельной плате. Остальные детали устанавливаем и распаиваем на второй плате.

Размеры плат определяются внутренними размерами корпуса и их расположением в объеме корпуса. Определившись с расположением плат, сверлим в корпусе отверстия под переменные сопротивления и вентиляционные отверстия для отвода тепла.



10. Сборка ЗУ
Согласно схеме ЗУ собираем вместе силовую и управляющую платы, проверяем работоспособность схемы.
Устанавливаем и закрепляем все комплектующие ЗУ в корпусе. Для исключения возможного электрического контакта, изолируем от окружения управляющую плату пластмассовым колпачком.
Собираем конструкцию ЗУ в целом и проверяем работу устройства.





11. Работа зарядного устройства.
До подключения Li-ion аккумулятора к ЗУ, с помощью переменного резистора R4 (регулировка напряжения) устанавливаем предельное напряжение заряда на выходных клеммах для этого аккумулятора.

Подключаем аккумулятор, напряжение на выходе понижается до остаточного напряжения на аккумуляторе. Регулировкой сопротивления резистора R6 (регулировка тока), устанавливаем необходимый зарядный ток.

При установке элемента аккумулятора цилиндрической формы, процесс выбора режимов аналогичен.
При включении ЗУ, до установки аккумулятора, открывается стабилизатор напряжения DA1 (напряжение на управляющем электроде стабилитрона выше 2,5 вольт) и загорается светодиод LED2 (красный индикатор, слева).

Подключаем аккумулятор, напряжение на выходе понижается. Начинается зарядка установленным стабильным током. Светодиод LED2 гаснет. В зависимости от установленного тока, возможно некоторое свечение светодиода LED3 (красный индикатор, справа).

При достижении выставленного напряжения, заряд продолжается при этом напряжении, но с уменьшающимся током заряда. Яркость светодиода LED3 возрастает, включается светодиод LED2. Максимальная яркость светодиодов LED2 и LED3 указывает на минимальный зарядный ток, свойственный окончанию зарядки аккумулятора.