Схема принципиальная Автоматическое зарядно-разрядное устройство Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов

  Предлагаемое устройство разряжает батарею из четырёх Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов, после чего переключается в режим её зарядки стабильным током, по окончании которой автоматически отключается. Устройство собрано из недорогих и широко доступных деталей.

  Мой профессиональный и радиолюбительский опыт эксплуатации малогабаритных аккумуляторов показывает, что зачастую нет необходимости конструировать сложные устройства, учитывающие много параметров разрядно- зарядного цикла аккумуляторов. Достаточно учесть 2—3 параметра (напряжение окончания разрядки, напряжение окончания зарядки, зарядный ток) и, проводя 1—2 "лечебных" цикла в месяц при активной эксплуатации батареи, можно долгое время поддерживать её в хорошем состоянии, что на практике подтверждает аналогичный вывод, сформулированный в статье [1].
  Выбранные параметры цикла предотвращают избыточную или недостаточную зарядку исправных аккумуляторов.
Устройство разработано для зарядки Ni-Cd аккумуляторной батареи пылесборника GO Duster, которая используется вместо батареи гальванических элементов и обеспечивает заметную экономию средств, учитывая стоимость высококачественных гальванических элементов.


Схема предлагаемого устройства показана на рис. 2.



Оно получает питание от нестабилизированного источника с выходным током не менее 100 мА, напряжение которого с учётом пульсаций должно находиться в пределах 11,5...30 В. Микросхема DA1 стабилизирует напряжение питания 9 В для остальных узлов устройства. Основа устройства — триггер Шмитта на транзисторах VT1 и VT2, последний из которых включен как эмиттерный повторитель Такая схема подробно описана в статье [2]. Петля гистерезиса стабильна во времени и просто регулируется. Конденсатор С3 предотвращает преждевременное переключение триггера Шмитта от импульсов помех.
  Состояние триггера Шмитта зависит от напряжения батареи, подключаемой к выходу устройства. При её напряжении 4 В и менее на эмиттере транзистора VT2 устанавливается высокий уровень напряжения, а при 5,92 В и более — низкий. Низкий уровень его выходного напряжения (0,3 В) не равен нулю, поэтому для исключения влияния нагрузки на нижний порог переключения триггера Шмитта применены развязывающие диоды VD1 и VD2, которые не открываются при таком напряжении. Транзистор VT3, работающий в ключевом режиме, управляет стабилизатором зарядного тока на транзисторе VT4, светодиоде HL1 и резисторе R11. Светодиод HL1 использован как стабистор и индикатор режима зарядки.

  Подборкой резистора R11 устанавливают ток зарядки. Благодаря двойной стабилизации напряжения (микросхемой DA1 и светодиодом HL1) стабильность коллекторного тока транзистора VT4 весьма высока: он не изменялся при подключении к выходу батареи, состоящей от двух до пяти элементов различной разряженности во время испытаний.
 
  Диод VD4 предотвращает разрядку батареи через стабилизатор тока после отключения питания устройства.

  Через транзистор VT5, также работающий в ключевом режиме, и резистор R13 осуществляется разрядка батареи до тех пор, пока тринистор VS1 закрыт. После открывания тринистора VS1 разрядка прекращается. Светодиод HL2 — индикатор режима разрядки.

  Устройство работает так. К нему подключают батарею и затем подают напряжение питания. Пока напряжение батареи превышает 4 В (в среднем 1 В на элемент) транзистор VT1 открыт, транзисторы VT2—VT4, диоды VD1 —VD4 и тринистор VS1 закрыты. Транзистор VT5 открыт и насыщен, через него и резистор R13 батарея разряжается.

 Светодиод HL2 включён. Ток разрядки не следует устанавливать больше 1/10 ёмкости батареи. Когда напряжение батареи в процессе разрядки станет менее 4 В, триггер Шмитта переключится, транзистор VT1 закроется, a VT2 откроется. На выходе триггера Шмитта установится напряжение высокого уровня (около 8 В). Открываются диод VD1 и тринистор VS1, в результате чего откроется диод VD3, закроется транзистор VT5, светодиод HL2 погаснет, режим разрядки прекратится. Одновременно напряжение высокого уровня с выхода триггера Шмитта открывает диод VD2 и транзистор VT3, в результате чего включается светодиод HL1, открываются транзистор VT4 и диод VD4, через которые начинается зарядка батареи стабильным током. Нажимая на кнопку SB1, принудительно переключается устройство из режима разрядки на зарядку. Это необходимо, если заряжается батарея из Ni-MH аккумуляторов, не подверженная "эффекту памяти" и, соответственно, не нуждающаяся в предварительной разрядке.

  Когда напряжение батареи в процессе зарядки достигнет 5,92 В (в среднем 1,48 В на элемент), произойдёт переключение триггера Шмитта: транзистор VT1 откроется, a VT2 закроется. Закрываются диод VD2 и транзистор VT3, светодиод HL1 гаснет, в результате чего закрываются транзистор VT4 и диод VD4, процесс зарядки прекращается. Но тринистор VS1 остаётся открытым, поэтому транзистор VT5 не открывается и режим разрядки не включается.

После выключения питания устройства необходимо отключить от него батарею, в противном случае она будет разряжаться.

Устройство смонтировано на макетной плате и помещено в самодельный пластмассовый корпус размерами 38x126x38 мм.

Внешний вид устройства показан на фото (рис. 1). Транзисторы КТ315Б (VT1—VT3) можно заменить транзисторами КТ315Г или КТ315Е. Можно применить и другие кремниевые маломощные транзисторы структуры п-p-n с максимальным током коллектора не менее 100 мА, но для триггера Шмитта желательно подобрать транзисторы с коэффициентом передачи тока базы не менее 50.

 Транзисторы VT4 и VT5 — любые из серий КТ814, КТ816. Они установлены на теплоотводах из полосок мягкого алюминия размерами 28x8 мм и толщиной 1 мм, согнутых в виде буквы "ГГ.
Диоды — любые кремниевые маломощные, кроме VD4, который должен выдерживать ток зарядки. Подстроечные резисторы R2 и R5 — многооборотные СП5-2. Светодиоды HL1 и HL2 желательно применить разного цвета свечения для однозначной индикации режима работы устройства.

  Кроме источника питания и заряжаемой батареи для налаживания устройства необходима вспомогательная батарея 9... 12 В, к которой подключён потенциометром переменный резистор сопротивлением несколько килоом. Для облегчения точной установки необходимого напряжения в разрыв цепи одного из крайних выводов этого резистора желательно включить как реостат другой переменный резистор в десять раз меньшего сопротивления. Движки подстроечных резисторов R2 и R5 устанавливают в нижнее по схеме положение. Временно разрывают соединение левого по схеме вывода резистора R1 с плюсовым выходом устройства. На время налаживания этот вывод становится входом устройства, который соединяют с движком переменного резистора. Минусовый вывод вспомогательной батареи соединяют с общим проводом устройства. Заряжаемую батарею к выходу не подключают. После включения
питания необходимо убедиться в наличии стабильного напряжения 9 В на выходе микросхемы DA1. Для этой цели автор использовал прибор DT830.
  Затем устанавливают пороги переключения. Вольтметр подключают к эмиттеру транзистора VT2. Вначале движком подстроечного резистора R2 устанавливают нижний порог переключения 4 В. При снижении входного напряжения ниже этого порога на 0,05...0,1 В должен закрываться транзистор VT1 и устанавливаться высокий уровень напряжения на эмиттере транзистора VT2. Затем движком подстроечного резистора R5 устанавливают верхний порог переключения 5,92 В. При увеличении входного напряжения выше этого порога на 0,05...0,1 В транзистор VT2 должен открываться и устанавливаться низкий уровень напряжения на эмиттере транзистора VT2. Проверяют оба порога переключения.
  Далее проверяют, что после открывания транзистора VT2 тринистор VS1 также открывается. Если это не так, уменьшают сопротивление резистора R6, добиваясь чёткого открывания тринистора. Для выключения тринистора кратковременно отключают напряжение питания.

  Наконец, к выходу устройства подключают последовательно соединённые миллиамперметр и заряжаемую батарею. В режиме зарядки подборкой резистора R9 устанавливают желаемую яркость свечения светодиода HL1, а подборкой резистора R11 — требуемый ток зарядки. Далее отключают вспомогательную батарею и восстанавливают соединение левого по схеме вывода резистора R1 с плюсовым выходом устройства. Тринистор VS1 отключают. Мультиметр подключают к выходу устройства в режиме измерения напряжения. Наблюдают процесс зарядки батареи и автоматическое переключение устройства в режим разрядки после достижения выходного напряжения 5,92 В.
  Далее в режиме разрядки резистором R12 устанавливают яркость свечения светодиода HL2 и начальный ток разрядки подборкой резистора R13. Затем подключают тринистор VS1 и переключают устройство в режим зарядки. По его окончании необходимо убедиться, что тринистор VS1 открылся и предотвратил включение режима разрядки.   Если батарея в конце зарядки сильно нагревается, это свидетельствует о том, что слишком велик зарядный ток, его необходимо уменьшить, при этом увеличится время зарядки.