Akumulatory NiMH i NiCd już jakiś czas temu wyparły zwykłe baterie. Jednak by akumulator zachował na długo swoją żywotność, należy go ładować w odpowiedni sposób. Prezentowany układ ładowarki oprócz optymalnego ładowania posiada jeszcze jedną ważną cechę, jaką jest szybkość ładowania wyczerpanego ogniwa.
Czy zauważyliście jak szybko świat stał się kuriozalnie mówiąc „przenośny”? Radioodbiorniki, kamery, aparaty, odtwarzacze MP3, komputery, telefony itp. wszystkie te urządzenia zasilane są akumulatorami. Ogniwa możemy podzielić na:
– pierwotne (nie ładowalne – jednorazowe),
– wtórne (ładowalne – wielokrotnego użytku).
Mimo niskiej ceny i większej pojemności baterii pierwotnych, przy dłuższej eksploatacji urządzenia z zasilaniem bateryjnym okaże się, że bardziej ekonomicznym źródłem zasilania mimo stosunkowo wysokiej ceny jest ogniwo ładowalne, a w wielu przypadkach gdzie wymagane są duże prądy obciążenia, jest niezastąpiona. Jednym z niewielu urządzeń, które skutecznie opiera się stosowaniu ogniw wtórnych, ze względów czysto użytkowych są wszelkiego rodzaju piloty zdalnego sterowania, a przyczyna jest prosta i wynika z faktu istnienia tzw. prądu samorozładowania, którym obarczone są ogniwa wtórne. Prąd ten niezależnie czy ogniwo jest używane czy nie, w przeciągu kilku miesięcy doprowadzi do samo rozładowania się ogniwa. Jedno ogniwo ładowalne o żywotności średnio około 1000 cykli jest wstanie zastąpić ok. 300 ogniw pierwotnych o tych samych wymiarach. Nie bez znaczenia jest aspekt ekologiczny i ochrona środowiska, która przemawia za stosowaniem ogniw wielokrotnego użytku, szczególnie tych nie zawierających metali ciężkich.
Budowa i działanie
Schemat ideowy szybkiej ładowarki przedstawiono poniżej. Jest to układ oparty o scalony procesor ładowania IC1 U2402B firmy Temic, o którym można śmiało powiedzieć „wszystko w jednym”. Układ ten pozwala na szybkie ładowanie 2 lub 4 ogniw o pojemności 750mAh, a po zwarciu zwory Z umożliwia także ładowanie ogniw o innej pojemności, np. jak w rozwiązaniu modelowym 4Ah. Trudno zrozumieć zasadę działania układu ładowarki bez znajomości budowy kontrolera, którego uproszczony schemat wewnętrzny przedstawia schemat poniżej Jak widać jest to układ stosunkowo skomplikowany. Zawiera wszystkie niezbędne podzespoły do realizacji ładowarki, dzięki temu aplikacja jest bardzo prosta, a uruchomienie banalnie łatwe. Główny obwód ładowania stanowi sterowane źródło prądowe zbudowane w oparciu o sterowane fazowo tyrystory TY1,TY2, szeregowo włączone z nim ładowane ogniwa oraz połączone równolegle dwa niskoomowe rezystory pomiarowe R7/R8. Spadek napięcia na rezystorach pomiarowych R7/R8 podany jest na wewnętrzny układ kontroli końcówka 6, gdzie zostaje porównany z wewnętrznym napięciem odniesienia 160mV. Blok sterowania fazą steruje kątem zapłonu tyrystorów TY1,TY2 tak, aby odkładający sił spadek napięcia na rezystorach R7/R8 utrzymał na poziomie 160mV. Wartość ta odpowiada prądowi 888mA i jest wyższa od zakładanego prądu ładowania 750mA. Wyższy prąd od zakładanego, to konsekwencja trybu pracy układu kontrolera IC1, który ładuje akumulatory przez okres 20 sekund, po którym następuje 2,5 sekundowa przerwa. W rezultacie średnia wartość prądu ładowania to zakładane 750mA. W czasie ładowania niską wartość prądu – ładowanie podtrzymujące, spadek napięcia na R7/R8 również wynosi 160mV, a mniejsza średnia wartość prądu to konsekwencja innego współczynnika wypełnienia większe przerwy. Rozwiązanie takie pozwala na wykorzystanie jednego rezystora pomiarowego dla obydwu zakresów prądowych, a ewentualny przełącznik zakresów nie musi posiadać styków przystosowanych do przełączania dużych prądów. Drugi zakres prądowy zależny jest od wartości dzielnika, który tworzą rezystory R5,R6. Wartość tych rezystorów należy tak dobrać aby przy zakładanym prądzie ładowania napięcie pomiędzy zaciskami 6 i 2 IC1 było równe 160mV. Dzielnik został tak dobrany, by przy zwartej zworze w zastosowanym pojemniku na ogniwa wielkości baterii R6 można było ładować ogniwa NiCd 750mAh prądem 4C co daje całkowity czas ładowania ok. 12-15 min., pod warunkiem że posiadane przez nas ogniwa są przystosowane do tak dużego prądu ładowania, co jest wyraźnie oznaczone na obudowie ogniwa. Napięcie ładowanych ogniw poprzez rezystor R12 podane jest na wejście monitorujące proces ładowania końcówka 10. Układ U2402B posiada przetwornik A/C o maksymalnym napięciu wejściowym 4V i rozdzielczości 6,5mV. Jeżeli ładowane są cztery ogniwa to poprzez włączenie R13 wyłącznikiem S1B tworzony jest dzielnik napięciowy, który obniżając wartość napięcia na końcówce 10 IC1 umożliwi jednoczesne ładowanie 4 ogniw. Pomiar i śledzenie stanu ładowanych ogniw odbywa się w czasie 2,5 sekundowej przerwy pomiędzy kolejnymi impulsami prądu ładowania. Pierwsza połowa przerwy jest przewidziana na ustalenie stanu ładowanych ogniw po wyłączeniu prądu ładowania, a w drugiej połowie po ustabilizowaniu się napięcia następuje jego pomiar. Konwersja A/C i wyliczenie współczynnika wypełnienia na następny cykl wykonywane jest w czasie 20 sekund aktualnego cyklu ładowania.
Wykaz elementów:
R1,R10,R11 – 1kΩ
R2,R3,R18 – 560Ω
R4,R9,R12,R13,R14 – 10kΩ
R5 – 12Ω
R6 – 61Ω
R7,R8 -0,33Ω-0,36Ω/5W
R15,R19 – 2,2kΩ
R16 – 100kΩ
R17 – 10Ω
R20 – 33kΩ
R21 – 100kΩ
R22 – 8,2kΩ
R23 – 330kΩ
R25 – termistor 6,8kΩ NTC
C1,C5 – 1µF/50V
C2 – 4,7µF/50V
C3,C6,C10 – 100nF
C4 – 10nF
C7 – 220nF
C8 – 470µF/16V
C9 – 4,7nF
D1 – 1N4148
D2 – 1N4007
D3 – LED R
D4 – LED G
M1 – RS405 (mostek prostowniczy)
T1 – BC557
TY1,TY2 – BT151/650
IC1 – U2402B
Schemat ideowy:
