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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Carregador seguro
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Carregadores, baterias, células galvânicas No projeto proposto, a ênfase está na segurança do carregamento. O dispositivo verifica a conexão correta da bateria, desliga-a automaticamente quando o carregamento é concluído, para de carregar quando a bateria é aquecida acima da temperatura definida. Sabe-se que mesmo o algoritmo de carregamento rápido (corrente 1...2C, onde C é a capacidade da bateria) assume a duração do processo de carregamento 1...5 horas [1]. É difícil imaginar que todo esse tempo o processo será monitorado. E apesar do carregamento rápido ser o mais perigoso. Mesmo com um ligeiro descumprimento do regime, é possível a ruptura da caixa da bateria com todas as consequências daí decorrentes. O carregamento padrão com corrente de 0,1C é muito mais seguro, mas dura muito (até 14 ... 16 horas). O dispositivo descrito fornece carregamento acelerado (4...7 h) de uma bateria Ni-Cd ou Ni-MH com capacidade de 250 a 1000 mAh. Uma ampla faixa de corrente de carga não é de forma alguma favorável à segurança do dispositivo devido a possíveis erros do usuário ao definir a corrente de carga; portanto, existem várias maneiras de proteger a bateria e o próprio carregador. O resultado é um dispositivo que pode parecer desnecessariamente complexo. No entanto, essa complexidade será recompensada com maior duração da bateria e tranquilidade para a situação de incêndio no apartamento. A capacidade de carregar apenas uma bateria se deve ao desejo de garantir uma carga completa e, novamente, segura. Das características técnicas do dispositivo, deve-se destacar o modo "suave" de carregamento acelerado, desligamento automático da bateria após a conclusão do carregamento, proteção contra inversão de polaridade de sua conexão e superaquecimento, indicação de modo, notificação sonora do modo de emergência e , finalmente, uma tensão de alimentação bastante baixa (de 3,5, XNUMXB), que em alguns casos pode ser altamente desejável. O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na fig. 1.
Sua parte principal - o estabilizador de corrente - consiste em três nós: um regulador de tensão mestre e dois reguladores de corrente idênticos. O regulador principal (DA6.1, VT3) fornece uma corrente de carga de 0,1C e funciona durante todo o ciclo. O segundo regulador (DA6.2, VT4) - pode ser chamado de forçado - fornece uma corrente igual a 0,ZC e liga quando a tensão da bateria é superior a 0,6 V, mas não atinge 1,4 V. Em desta vez, os dois reguladores funcionam e, estando conectados em paralelo, alimentam a bateria com uma corrente total de 0,4C. As restrições na operação do regulador de corrente forçada são devidas ao seguinte. Se a bateria estiver muito descarregada (a tensão nela é Uac < 0,6 V), não é seguro carregá-la com uma grande corrente, portanto, o carregamento é feito com uma corrente de 0,1C com a participação apenas do regulador de corrente principal . Quando a tensão Uakk atinge 1,4 V, o regulador forçado desliga, pois essa tensão está próxima do limite, sendo aconselhável realizar uma carga adicional com uma corrente padrão de 0,1C. Ao atingir Uacc = 1,48 V, ele desliga e o regulador principal - o carregamento para. Nesse caso, o LED HL3 ("Carregando") apaga e HL1 ("Carregamento concluído") acende. Os diodos VD1, VD2 impedem que a bateria descarregue após o carregamento parar. Ambos os reguladores são fontes de corrente controladas por tensão. A tensão de controle (em relação ao fio de alimentação positivo) é formada pelo regulador mestre de tensão DA3 e é regulada por um resistor variável R23 (eles definem a corrente de carga necessária dependendo da capacidade da bateria). Uma característica dos amplificadores operacionais KR1446UD1A usados em reguladores de corrente [2] é a capacidade de operar em baixas tensões de alimentação (de 2,5 V para unipolar) e, o mais importante, que a faixa de seus sinais de entrada e saída é quase igual à soma das tensões de alimentação. Em nosso caso, DA6.1 opera com uma tensão de entrada igual a Us - UR25, onde Us é a tensão de alimentação positiva e UR25 é a queda de tensão no resistor de medição R25. Este último, na verdade, é uma "cópia" da tensão de controle (como é sabido, as tensões em ambas as entradas do OA cobertas pelo OOS coincidem até a tensão de polarização zero). Assim, com uma corrente de carga de 25 mA (para uma bateria com capacidade de 250 mAh), UR25 = 0,2 V. Isso significa que a tensão de entrada pode ser apenas 0,2 V menor que a tensão de alimentação positiva do amplificador operacional DA6.1. 1,5. Os amplificadores operacionais comuns permitem a operação com tensões de entrada não superiores a (Us - 2 ... XNUMX) V. O mesmo pode ser dito sobre as tensões de saída. Durante o processo de carregamento, DA6.1 fornece uma tensão de saída igual a Us - UR25 - UBE VT3, onde UBE VT3 é a tensão direta na junção do emissor VT3 (0,6 ... 0,8 V). Para parar o regulador de corrente, o amplificador operacional fornece uma tensão igual a Us, fechando assim o transistor. Todos os itens acima se aplicam ao regulador forçado em DA6.2. Ambos os reguladores são desligados pelos transistores VT1 e VT2, respectivamente (mais precisamente, o VT1 faz isso, pois ao abrir, desvia os resistores R21, R23, dos quais a tensão é aplicada às entradas de ambos os amplificadores operacionais). No estado desligado, a corrente de saída do regulador não é igual a zero, pois a tensão no resistor R25 não é igual a zero. Há duas razões para isso. Em primeiro lugar, a resistência do canal do transistor de efeito de campo aberto VT1 é diferente de zero e, portanto, a tensão USI VT1 é de alguns milivolts. A segunda razão é a tensão de polarização zero do amplificador operacional DA6.1. Como resultado, a tensão no resistor R25 depende do sinal da tensão de polarização zero e é igual a USI VT1 ± UCM DA6.1. Nesse caso, é melhor usar o amplificador operacional KR1446UD1A, sua tensão de polarização não excede ± 3 mV, portanto, no estado desligado, o regulador produz uma pequena corrente residual de 1 ... 3 mA. O regulador de corrente forçada se comporta da mesma maneira. Como resultado, após a conclusão do carregamento, o estabilizador de corrente mantém uma certa tensão na bateria, o que evita sua descarga devido à autodescarga e à corrente de fuga nos circuitos do dispositivo. Uma corrente tão pequena não pode prejudicar a bateria. Além disso, esse recurso fornece estabilidade ao dispositivo quando a bateria é removida e a tensão de entrada é aplicada. A corrente definida pelo regulador principal é igual a Ureg / R25, onde Ureg é a queda de tensão nos resistores R21 + R23 (excluindo a tensão de polarização zero do amplificador operacional DA6.1, sua corrente de entrada e a corrente de fuga do canal fechado VT1) Ureg depende da tensão de estabilização DA3 ( 2,5 V) e da taxa de divisão do divisor de tensão R21-R23 (como observado, é contado a partir do "mais" da fonte de alimentação). A corrente definida pelo regulador forçado é determinada de forma semelhante. Passemos agora à segunda parte do dispositivo, que consiste em um driver de tensão modelo, comparadores, que são usados \u4b\u5bcomo amplificadores operacionais dos microcircuitos DAXNUMX, DAXNUMX e um nó lógico. Como pode ser visto no diagrama, a tensão da bateria é fornecida às entradas dos comparadores DA4.1-DA4.4 não diretamente, mas através dos resistores R14, R16-R18, para evitar danos ao amplificador operacional quando a bateria é inserida e o carregador é desligado. Os resistores nas entradas de "referência" eliminam o erro causado pelas correntes de entrada do amplificador operacional (mas não a diferença nas correntes de entrada). A entrada "exemplar" do amplificador operacional DA4.3 não possui esse resistor, pois este comparador não exige alta precisão. O comparador DA4.1 determina o momento em que o regulador de corrente forçada é desligado (quando a tensão da bateria atinge 1,4 V), DA4.2 - o momento em que o carregamento é concluído e dá um sinal para desligar o regulador de corrente principal. O resistor R24, que cria um feedback positivo, forma uma pequena histerese (cerca de 40 mV), o que permite evitar um estado instável do comparador após o carregamento parar. O comparador DA4.3 dá um sinal para ligar o regulador de corrente forçada quando a tensão da bateria excede 0,6 V e DA4.4 "verifica" a conexão correta da bateria: se a polaridade estiver errada, os reguladores de corrente são desligados e a campainha piezoelétrica HA1 gera um sinal sonoro de advertência. Para determinar a polaridade, foi usada a capacidade do amplificador operacional KR1401UD2A de operar com tensões de entrada menores que a tensão de alimentação de polaridade negativa. Uma característica importante do dispositivo descrito é o controle do regime de temperatura da bateria recarregável. É realizado usando um sensor de temperatura DA2 e OU DA5.1. O LM335Z é um regulador de tensão integrado com uma resposta de temperatura linear: sua tensão de saída aumenta em 10 mV para cada grau Celsius de aumento na temperatura. A uma temperatura de +25°С (298 K), a tensão de saída é de 2,98 V. Quando a bateria aquece até aproximadamente +33°С, o comparador DA5.1 é ativado, o carregamento é interrompido, o LED HL2 (“Sobreaquecimento” ) acende-se e ouve-se um sinal sonoro (tal como acontece com a polaridade errada da ligação da bateria). As tensões exemplares para os comparadores vêm do shaper, feito em DA1. O dispositivo lógico nos elementos do chip DD1 processa os sinais dos comparadores, controla os indicadores LED, a campainha e os reguladores de corrente. Em vez de K1401UD2A, o dispositivo pode usar o chip K1401UD2B, bem como sua contraparte estrangeira LM124. KR1446UD1A é substituível por um microcircuito desta série com índice B ou C, no entanto, é possível que a corrente residual (após desligar os reguladores de corrente) seja muito grande ou não seja. Ambos são indesejáveis. KR142EN19A pode ser substituído por um análogo estrangeiro TL431 em qualquer projeto. Além dos indicados no diagrama, é permitido o uso de transistores de efeito de campo da série KP303 com outros índices de letras no dispositivo; no entanto, sua tensão de corte não deve ser superior a 3 e, de preferência, não inferior a 0,5 V O KT814A pode ser substituído por transistores desta série com índices B, C A instância que será utilizada no regulador de corrente forçada (VT4) deve ter uma relação de transferência de corrente de base estática de no mínimo 70 em uma corrente de emissor de 300 mA. Sujeito a esta condição, é possível utilizar um transistor da série KT816. KT3107A são intercambiáveis com qualquer uma desta série. Diodos KD212 - com qualquer índice de letras. Os LEDs L-53LYD (brilho amarelo) e L-53LID (vermelho) da Kingbright são caracterizados por baixa corrente operacional (os parâmetros de iluminação são normalizados a uma corrente de 2 mA) e podem ser substituídos por outros semelhantes com uma corrente direta máxima permitida de pelo menos menos 7 mA. HL3 - qualquer LED verde. Emissor piezoelétrico HA1 - HPM14AX da JL World com gerador 3H embutido (consumo de corrente - não mais que 7 mA). Para definir a corrente de carga (R23), é recomendável usar um resistor variável de fio, por exemplo, PPZ-40, PPZ-41, e para definir as tensões de referência (R3, R6, R11) - fio multivolta SP5- 2, SP5-3 e semelhantes. As peças do carregador são montadas em uma placa de circuito impresso colocada em uma caixa plástica. O compartimento para a bateria recarregável está aberto, contatos de mesma finalidade do avômetro doméstico M4317 foram usados como contatos. Particular atenção deve ser dada à fixação do sensor de temperatura DA2 (fig. 2, pos. 4).
O chip LM335Z possui uma caixa de "transistor" de plástico KT-26 (TO-92). Ele é fixado com o lado plano ao contato positivo 2 do compartimento da bateria por meio de uma fina camada de pasta condutora de calor não secante. Se uma baixa resistência elétrica for fornecida entre o terminal positivo da bateria 1 e o terminal 2, o contato térmico será bom. Deve-se lembrar que a massa e a área da superfície do contato e das partes metálicas adjacentes a ele devem ser as menores possíveis. Isso proporcionará menos perda de calor "ao longo do caminho" da bateria para o sensor e, portanto, aumentará a precisão da leitura da temperatura. É para esse fim que as arruelas dielétricas 6 são colocadas sob as cabeças dos parafusos 2, que fixam o contato 8 à base 7. O sensor 4 é "fixado" ao contato com um pedaço de fio MGTF 5 (suas extremidades são soldadas ao contato) e é preenchido com uma fina camada de cola epóxi em todo o perímetro da caixa. A parede do alojamento 3 serve como batente, limitando a flexão do contato 2. Ao carregar, o transistor VT4 libera potência de até 1,5 W, por isso é instalado verticalmente em uma placa de duralumínio medindo 20x30x0,8 mm. Na parede superior da caixa do dispositivo existem LEDs HL1 - HL3 e um resistor variável R23, cujo botão de controle é equipado com uma escala redonda para definir a corrente de carga. Na versão do autor, a balança é graduada em valores de capacidade (de 250 a 1000 mAh), por isso é mais fácil evitar erros na configuração da corrente. A campânula piezeléctrica HA1 tem pequenas dimensões e cabos rígidos, pelo que é instalada na placa sem qualquer fixação adicional. A configuração do dispositivo começa com a calibração do sensor de temperatura DA2. Primeiro ajuste no pino 3 DA5.1 tensão exemplar UT. Para fazer isso, uma tensão constante de 4,5 ... 5,5 V é aplicada à entrada, a temperatura T (em graus Kelvin) é medida no local de instalação do carregador e a tensão de referência Uobr \u100d T / 273 correspondente a este temperatura é calculada. Lembre-se que a temperatura em graus Kelvin é igual à temperatura em graus Celsius + 2. Então a tensão real Umeas no pino 2 de DA5.1 (ou, o que é o mesmo, no pino de mesmo nome DA2) é medida e a mudança na característica de temperatura de DA3 é calculada usando a fórmula Δ = Uobr - Umeas. Depois disso, o resistor R3,06 define a tensão de referência UT = XNUMX - Δ (levando em consideração o sinal do deslocamento). Em seguida, com os resistores sintonizados R6 e R11, as tensões de referência de 1,4 e 1,48 V, respectivamente, são definidas em série (o desvio permitido não é superior a ± 0,02 V). Em conclusão, a escala do resistor variável R23 é calibrada. Para fazer isso, um amperímetro é conectado aos contatos do compartimento da bateria, uma tensão de 4,5 ... 5,5 V é aplicada à entrada e uma corrente de 23 mA é obtida girando o controle deslizante do resistor R25. Na escala, a marca correspondente a este valor atual é designada como 250 mAh. As marcas 350, 500, 750 e 1000 mAh são calibradas da mesma forma. Literatura
Autor: M.Bogdanov, Sarov, região de Nizhny Novgorod.
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