Carregador inteligente para baterias Ni-Cd. Esquema, descrição

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Carregador inteligente para baterias Ni-Cd. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Comentários do artigo

O artigo levado ao conhecimento dos leitores descreve uma fonte de alimentação remota de rede estabilizada por pulso (na vida cotidiana e, muitas vezes, na literatura técnica, eles são chamados de adaptadores) com base em um microcircuito da série VIPer e um carregador "inteligente" alimentado por ele em um microcircuito MAX713CPE especializado.

Carregadores "inteligentes" (memória) nas páginas de "Rádio" prestaram muita atenção. Claro, pode-se falar de inteligência apenas condicionalmente: geralmente, significa a capacidade de um dispositivo analisar o estado de uma bateria que está sendo carregada e, com base em alguns recursos obrigatórios, escolher um ou outro modo de carregamento. Além disso, o algoritmo de carregamento é determinado pelo tipo de bateria. Para lítio-íon (Li-Ion) deve corresponder ao descrito no artigo [1], e níquel-cádmio e níquel-metal hidreto (Ni-Cd, Ni-MH) - [2].

Nas publicações [1, 3] são propostas opções específicas de memória. Apesar da "inteligência" destes dispositivos e ao contrário do método recomendado de carregar as baterias no momento inicial com a corrente máxima possível (mais de 1 A), eles utilizam uma corrente de apenas 250 ... 300 mA! Por que? A resposta, parece ao autor, é simples. Se fontes de alimentação remotas (PSUs) de rede estabilizadas e não estabilizadas amplamente usadas forem usadas como fonte de corrente de carga - elas geralmente são chamadas de adaptadores (de acordo com a terminologia estrangeira - Wall Cube), é muito difícil encontrar uma instância com um máximo corrente de 1 A ou mais. Além disso, o mercado está extremamente cheio de falsificações. A tentativa do autor de usar o PSU BPS 12-0,5, fabricado pela "misteriosa" MAX Company, não teve sucesso: o adaptador com corrente de saída garantida de 0,5 A superaqueceu mesmo com uma corrente de carga de 300 mA. Mas o corpo do dispositivo é feito de forma bastante ergonômica, por isso foi usado para nosso próprio desenvolvimento de uma unidade de fonte de alimentação de rede estabilizada por pulso.

Principais características técnicas

Intervalo de tensão de entrada, V......150...250
Frequência de conversão nominal, kHz......60
Tensão de saída, V ...... 6
Corrente de carga nominal, A ...... 1
Valor quadrático médio das ondulações da tensão de saída, mV, não mais......15
Eficiência, %...... 82
Dimensões (sem ficha), mm......70x48x36

A PSU está protegida contra curtos-circuitos na carga. Pode ser utilizado para alimentar outros equipamentos (rádios e gravadores portáteis, reprodutores, secretárias eletrônicas, aparelhos digitais, etc.), cujo compartimento de pilhas está previsto para quatro pilhas AA. Se necessário, a tensão de saída estabilizada pode ser alterada na faixa de 3...9 V sem rebobinar o transformador de pulso.

O circuito de alimentação é mostrado na fig. 1. O elemento principal do dispositivo é um chip especializado VIPer12A, produzido nos pacotes DIP-8 e SO-8 (para montagem em superfície). O projeto dessas fontes de alimentação chaveadas é descrito em detalhes no artigo [4].

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Informações sobre o microcircuito pode ser encontrado no VIPer Designe Software/Documentation/Datasheet/VIPerl 2A recomendado lá.

As características do microcircuito utilizado são um gerador embutido de uma frequência de conversão fixa de 60 kHz, que permite minimizar o número de elementos "cintagem", bem como uma unidade de controle para o valor limite da corrente de dreno no microcircuito por um tensão positiva externa. Na ausência dessa tensão, o VIPer12A fornece um limite de corrente de 0,4 A. No dispositivo, o pino 3 FB (FeedBack - feedback) é alimentado através do diodo zener VD2 com a tensão de alimentação do microcircuito DA1 (aproximadamente 24 V). A corrente de entrada na entrada FB não deve exceder 3 mA. Um aumento na corrente de entrada leva a uma diminuição no valor da amplitude da corrente de dreno (e vice-versa) com um ganho de cerca de 320. Como resultado da comparação da tensão no enrolamento de acoplamento II do transformador T1 com a tensão de estabilização do diodo zener VD2, o ciclo de trabalho dos pulsos de comutação muda para que a tensão de saída permaneça estável. Quando a tensão de rede muda na faixa de 150 ... 250 V, o desvio da tensão de saída do nominal não excede 0,1 V.

A finalidade dos elementos restantes do PSU não é diferente de outros semelhantes nos dispositivos semelhantes descritos anteriormente.

Todas as peças são montadas em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro de folha unilateral, cujo desenho é mostrado na fig. 2. Para reduzir a interferência criada pela PSU, uma blindagem eletrostática feita de estanho com as dimensões de uma placa de circuito impresso é fixada na lateral dos condutores impressos por meio de um isolador confiável, conectado eletricamente a um fio comum (com o terminal negativo da ponte de diodos VD1). Para fazer isso, você pode usar a mesma folha de fibra de vidro unilateral da qual a placa de circuito impresso é feita.

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Para reduzir as dimensões, o dispositivo usa capacitores de óxido importados. Capacitores C1-C3, 07, C8 - cerâmica ou filme para tensão nominal de pelo menos 630 V, o restante - cerâmica para tensão de pelo menos 50 V. Resistores - MLT ou similares. Choke L2 - compacto de alta frequência DPM-2,4. A ponte de diodo S1WB40 (VD1) com limite de corrente de 1 A e tensão reversa permitida de 400 V pode ser substituída por qualquer outra com parâmetros semelhantes, embora seja necessário alterar a configuração dos condutores impressos ou moldar as conclusões da ponte em conformidade. O diodo FR207 (VD3) pode ser substituído pelo KD257D doméstico. Ao escolher um análogo do diodo recomendado KD212AM (VD4), deve-se levar em consideração que, para ele, a tensão reversa no dispositivo excede significativamente 100 V.

O retificador de saída usa um diodo Schottky 1 N5822 (VD5) com uma corrente máxima de 3 A e uma tensão reversa permitida de 40 V. Ele pode ser totalmente substituído por um doméstico com parâmetros semelhantes. A eficiência da estabilização da tensão de saída é fornecida pelos parâmetros do diodo zener. Em vez do indicado no diagrama, você pode usar o diodo zener KS224Zh. Se você usar um diodo zener composto da série doméstica D814 e similares, a estabilidade da tensão será subestimada. Você pode alterar a tensão de saída do PSU simplesmente selecionando um diodo zener ou trocando-o.

O dispositivo usa o chip VIPer12A no pacote SO-8. De acordo com as especificações, todos os quatro pinos de drenagem 5-8 devem ser soldados à folha de cobre da placa de circuito impresso com uma área de pelo menos 200 mm2. A uma temperatura ambiente de 25 °C, a temperatura de projeto da caixa do microcircuito não excederá 72 °C. Para reduzir a carga térmica no microcircuito em condições de montagem densa, o autor utilizou o flange de cobre de um transistor defeituoso no pacote TO-220, que é instalado em um dissipador de calor de pinos com dimensões de 13,5x16x23 mm. Os cabos de estoque são soldados ao flange. A caixa do microcircuito, lubrificada com pasta condutora de calor, é pressionada contra o flange com uma placa de mola. Segmentos de condutores MGTF são soldados aos pinos restantes do microcircuito, que são então soldados na placa. A conexão elétrica dos condutores dreno aos condutores impressos é feita por um dos parafusos de fixação M1 que prendem o flange à placa. Tem uma almofada de contato apropriada. O segundo parafuso é instalado através da arruela isolante. Durante a instalação, deve-se observar que o dissipador de calor do microcircuito não deve entrar em contato com o circuito magnético próximo do indutor LXNUMX, que é conectado eletricamente a um fio de alimentação comum.

O indutor de filtro de linha L1 é feito com base no núcleo magnético blindado B14 com permeabilidade magnética 1500...2000. Os enrolamentos do indutor têm o mesmo número de voltas. Eles são enrolados com fio PEV-2 0,41 em uma estrutura de duas seções (cada uma em sua seção) até o preenchimento.

O transformador de pulso foi calculado usando VIPer Designe Software [4]. Para isso, é usado um núcleo magnético KV8 feito de ferrite M2500NMS1 com uma estrutura padrão e clipes de montagem. Uma bochecha livre de condutores e metade dos condutores são removidos do quadro. O enrolamento III, contendo cinco voltas de fio PEV-2 com diâmetro de 1 mm, é enrolado separadamente em um mandril de diâmetro adequado e, a seguir, colocado no enrolamento 1.1, composto por 31 voltas de fio PEV-2 0,41. O enrolamento I.2 de 27 voltas do fio PEV-2 0,41 é enrolado no enrolamento III e o enrolamento II de 19 voltas do fio PEV-2 0,12 é enrolado no topo. As camadas de voltas dos semi-enrolamentos 1.1 e I.2 são isoladas com uma camada, e os enrolamentos com duas ou três camadas de um filme usado em capacitores de alta tensão, ou outro material isolante preferencialmente resistente ao calor.

O transformador é montado com uma folga de 0,02 mm nas paredes laterais, que é fornecida com uma junta do mesmo filme. O valor calculado da indutância do enrolamento I do transformador T1 é 3210 μH, o valor medido é de cerca de 3530 μH. O enrolamento III com o pino 8 é soldado na placa e o pino livre 7 é conectado de forma articulada ao ânodo do diodo VD5 instalado perpendicularmente à placa (como a maioria dos outros elementos). As conclusões 2 e 3 dos enrolamentos 1.1 e I.2 do transformador T1 são soldadas a um dos terminais da carcaça. Então esta conclusão do quadro é encurtada em 1,5 ... 2 mm e isolada com tinta nitro. Não é soldado na placa.

O dispositivo não requer ajuste, mas antes de ligá-lo pela primeira vez, é aconselhável verificar se o transformador de pulso é de alta qualidade (essa operação é realizada antes da instalação do chip DA1 na fonte de alimentação), bem como que os elementos utilizados estão instalados corretamente e em boas condições. Para fazer isso, você pode usar um dispositivo universal para testar fontes de alimentação chaveadas [5]. Para garantir a frequência de pulso de comutação de 60 kHz, em paralelo com o capacitor C4, outro com capacidade de 160 ... 180 pF é soldado no dispositivo. Um osciloscópio é conectado em paralelo com o resistor R9 (Fig. 1 em [5]). O dispositivo está conectado a um transformador de pulso. Uma carga equivalente é conectada à saída da PSU. Ao aumentar suavemente a tensão de rede na entrada do dispositivo usando um autotransformador de laboratório, um oscilograma é observado. Com uma tensão de rede de 220 V, a carga equivalente deve ser de aproximadamente 6 V e a amplitude dos pulsos de corrente dente de serra observados na tela do osciloscópio não deve exceder 0,25 A. Ao aumentar a tensão de rede para 250 V, certifique-se de que o magnético circuito não está saturado.

Além disso, eles verificam o faseamento do enrolamento II, para o qual medem a tensão no capacitor C6 PSU, que deve corresponder a aproximadamente 25 V. Ao controlar a forma dos pulsos no dreno do transistor VT2 no dispositivo, eles garantem que o circuito de amortecimento VD3C7R1 PSU esteja funcionando efetivamente, após o que o dispositivo é desligado e, na placa PSU, instale o chip DA1. O dispositivo está pronto para uso.

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Uma tensão estabilizada de 6 V é fornecida através do conector XS1 à entrada da memória, cujo circuito é mostrado na fig. 3. Como geralmente é usado apenas um tipo específico de bateria, não faz muito sentido tornar o dispositivo universal. A versão descrita do carregador "inteligente" foi projetada para carregar baterias Ni-Cd com capacidade de 1000 mAh. O dispositivo é baseado em um chip MAX713CPE especializado da Maxim. O objetivo funcional de suas conclusões é dado na tabela.

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Conforme observado acima, tal dispositivo é descrito no artigo [3]. No entanto, ele foi projetado para carregar seis baterias com uma corrente de 0,25 A. Além disso, é completamente incompreensível por que o autor do projeto conectou os pinos 1 e 15 do microcircuito, violando assim as recomendações do desenvolvedor e excluindo um dos "inteligentes " propriedades do carregador - para interromper o carregamento rápido da bateria, quando a tensão em seus terminais atinge um determinado valor predeterminado. E tal fenômeno é muito possível se você usar uma bateria que está em operação há vários anos, caso em que seu carregamento rápido adicional não é seguro.

No dispositivo proposto, você pode carregar rapidamente uma ou duas baterias (dependendo da posição da chave SA1) com uma corrente de 1,1 A, que é aproximadamente numericamente igual à sua capacidade. O temporizador do dispositivo limita o tempo de carregamento rápido a 66 minutos. O erro de configuração do temporizador é de ±15%, determinado pelos recursos de design do microcircuito.

Segundo o autor, o carregamento simultâneo de duas baterias é aconselhável apenas em casos de emergência, quando é importante carregá-las pelo menos parcialmente, sem atingir a carga completa. Isso se deve ao método usado no microcircuito para detectar o fim do carregamento, reduzindo a tensão da bateria em 2,5 mV em relação ao seu valor máximo (o chamado método AV). Obviamente, mesmo por seleção especial é muito difícil conseguir uma capacidade absolutamente igual dos elementos da bateria. Se a capacidade das baterias recarregáveis diferir significativamente, uma diminuição da tensão em uma delas, com menor capacidade, pode ser percebida pelo microcircuito como o momento em que o carregamento rápido termina. Nesse caso, para obter uma carga realmente completa, a bateria deve ser recarregada por várias horas com uma pequena corrente.

Além disso, o chip permite 22 minutos para realizar a chamada corrente de carga ultrarrápida, 4 vezes a capacidade da bateria. Mas aqui deve-se levar em consideração o fato de que nenhum fabricante garante a preservação a longo prazo das características técnicas das baterias com esse carregamento. Portanto, o máximo objetivamente justificado pode ser considerado uma corrente de carga numericamente igual à capacidade da bateria.

O algoritmo para a operação do carregador é muito simples. Depois que a bateria recarregável é conectada e a tensão de alimentação é ligada, o LED HL1 "Power" acende. O chip DA1 inclui um temporizador de carregamento e mede a voltagem aplicada a uma célula de bateria. Se for menor que 0,4 V, o modo de carregamento é ativado com uma pequena corrente, aproximadamente igual a 30 mA. Assim que a tensão medida exceder o limite especificado, o modo de carregamento rápido é automaticamente ligado com uma corrente de 1,1 A (este valor é determinado pela resistência do resistor R5), o transistor de efeito de campo no microcircuito, o dreno do qual está conectado ao pino 8, abre e o LED HL2 "Carregamento rápido" acende. Tanto durante a recarga quanto no caso de carregamento rápido, o microcircuito mede a queda de tensão no sensor - resistor R5 e abre o transistor regulador VT1 exatamente o necessário para criar a queda de tensão necessária (com carregamento rápido - 0,25 V) em o sensor de corrente. A estabilização da corrente permite, assim, alguma instabilidade na tensão de alimentação do dispositivo, mas devem ser excluídas "quedas" de tensão abaixo de um nível aceitável, pois isso pode atrapalhar o funcionamento normal do microcircuito.

Durante o processo de carregamento, a cada 42 s, a corrente de carregamento é desligada por 5 ms e o microcircuito mede a tensão na bateria que está sendo carregada, "lembrando" a dinâmica de sua mudança ao longo do tempo. Ao se aproximar do momento correspondente a uma carga completa, a tensão na bateria para de aumentar e começa a diminuir. Assim que a tensão aplicada a uma bateria diminui em 2,5 mV, o carregamento rápido é substituído pelo modo de carregamento de reforço. O mesmo acontecerá se o tempo definido pelo temporizador expirar ou a tensão na bateria exceder 2 V. Este valor é definido pela tensão no pino 1 do microcircuito DA1, no nosso caso é fornecido com uma tensão exemplar do pino 16, igual a 2 V. No modo de recarga, a bateria pode durar o tempo que você quiser.

O carregador descrito pode ser modificado. Por exemplo, introduza o monitoramento térmico do caso da bateria sendo carregada, o que é altamente recomendado pelo fabricante para carregamento ultrarrápido. Em vez de linear, é permitido usar uma operação pulsada de um transistor que regula a corrente de carga da bateria. Se necessário, com a ajuda de elementos adicionais, é possível reduzir a corrente de carga para menos de 30 mA. Estas e algumas outras melhorias são fáceis de fazer se você usar informações sobre o chip MAX713CPE.

O chip deve ser manuseado com cuidado. Apesar da ausência de qualquer advertência sobre os perigos da exposição à eletricidade estática na documentação da empresa, a prática tem mostrado que ela é muito suscetível a ela. Além disso, alguns radioamadores que anteriormente usavam microcircuitos CMOS com diodos de proteção nas entradas podem se acostumar com o fato de que podem ser soldados com um ferro de solda com tensão operacional de 220 V. No entanto, deve-se lembrar que o microcircuito MAX71CPE é , na verdade, um microcontrolador e tocar nos terminais com um ferro de solda com tensão operacional de 220 V, devido à interferência da tensão de rede, pode ser fatal para ela! Portanto, é aconselhável instalar o microcircuito na placa através do painel adaptador após a conclusão final de todo o trabalho de instalação. Caso seja necessário alterar a conexão dos pinos de programação ou a posição da chave SA1, isso deve ser feito somente com a alimentação desligada.

A memória não requer ajuste, portanto, caracterizaremos seus recursos de design com mais detalhes. Ele é montado em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro de folha unilateral, cujo desenho é mostrado na Fig. 4. Os jumpers de fio são soldados antes de montar o chip DA1 ou painel adaptador para ele. A caixa finalizada foi usada do carregador XM-508. Dele são retirados os LEDs verde (HL1) e vermelho - HL2 (possíveis análogos domésticos são indicados no diagrama), bem como a chave SA1.

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Resistor R5 - importado, o resto - MLT-0,125 ou similar. Capacitores de óxido - quaisquer capacitores de cerâmica nacionais ou importados C2, C3 para uma tensão nominal de 50 V ou mais. Além do indicado no diagrama, você pode usar qualquer outro transistor com um coeficiente de transferência de corrente de pelo menos 50, uma corrente de coletor permitida de pelo menos 3 A e uma tensão de saturação não superior a 1,5 V a uma corrente de 1 A Ele é instalado em um dissipador de calor com dimensões de 40x32x8 mm, feito de um radiador de resfriamento de segmento do processador Rep-tium-100. Quando uma bateria é carregada, cerca de 4 W de potência são dissipados no transistor, portanto, para facilitar suas condições térmicas, está embutida na caixa do dispositivo uma ventoinha de pequeno porte para soprar o processador Pentium-100 modelo DF1204SM, que gira silenciosamente a uma tensão de alimentação de 6 V, mas muito eficiente. Se o dispositivo for sempre usado para carregar duas baterias, o ventilador pode ser omitido. Claro, é permitido ficar sem ventilador, mas neste caso as dimensões do dissipador de calor e, consequentemente, a caixa do dispositivo terão que ser aumentadas.

Ao carregar uma bateria, um plugue de curto-circuito é instalado no compartimento em vez de outro, ou um amperímetro de 2 ... 3 A é conectado aos terminais de carregamento livres.

Literatura

Baterias de íons de lítio. - Rádio, 2001, nº 7. S. 44, 45.
Grigoriev B. Algoritmo para carregamento rápido de baterias. - Rádio, 2001, nº 8, p. 38.
Carregador "inteligente" para baterias Ni-Cd. - Rádio, 2001, nº 1.S.72.
Kosenko S. Evolução do flyback IP pulsado. - Rádio, 2002, n.º 6, p. 43,44; nº 7, pág. 47,48; nº 8, pág. 32-35; nº 9, pág. 24-26.
Kosenko S. Dispositivo universal para testar SMPS. - Rádio, 2003, nº 8, p. 38-41.

Autor: S.Kosenko, Voronezh

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