8.4. Электронные модули «разумных» аккумуляторных
батарей
Фирмы и компании, выпускающие микросхемы контроллеров зарядных устройств, контроля емкости и другие, производят как микросхемы, используемые в электронных платах «разумных» или смарт-батарей, так и готовые модули. Такие модули поставляются производителям аккумуляторных батарей. Чтобы издержки производства были минимальны, обычно их делают универсальными, пригодными для установки в никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и литий-ионные батареи.
В качестве примера рассмотрим конструкцию модуля смарт-батареи bq2145 производства фирмы Unitrode. Но для начала вспомним о его назначении. Модуль смарт-батареи постоянно следит за ее состоянием, точно определяя ее тип, емкость и состояние. При установке ее в зарядное устройство эти данные передаются на его контроллер, который выставит оптимальный режим заряда, произведет его и отключит батарею по его окончании.
На рис. 8.10 изображена схема подключения модуля bq2145.
Основой модуля является микросхема контроля емкости bq2945. Помимо нее схема имеет микросхему EEPROM памяти (электрически стираемое постоянное запоминающее устройство), пять светодиодов для индикации емкости батареи вне заряд-
Элементы
В-
В+
bq2145
Р-
РАСК+
РАСК-
Нагрузка
Зарядное устройство
Рис. 8.10. Схема подключения модуля bq2145
Корпус батареи
158
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
159
ного устройства. Модуль может быть установлен внутри ни кель-кадмиевых, никель-металлгидридных или литий-ионных аккумуляторных батарей длиной 63 мм (2,5 дюйма) и толщиной 18 мм (0,7 дюйма). Связь с хост-устройством, например, зарядным устройством, осуществляется по протоколу SMBus. Основ ными выводами модуля являются:
В+ — плюсовой вывод батареи, плюсовой корпусной вывод;
Р - минусовый корпусной вывод;
С — вывод сигналов синхронизации шины SMBus (SMBC);
D — вывод сигналов данных шины SMBus (SMBD);
В — минусовый вывод батареи.
Примечание: допуск резисторов R4, R5, R11 составляет ±1%
Рис. 8.11. Принципиальная схема модуля смарт-батареи bq2145
Кроме этих выводов имеются два контрольных вывода — СР1 и СР2. На рис. 8.11 приведена принципиальная схема электронного модуля смарт-батареи bq2145. Тип батареи и количество в ней элементов задаются сопротивлениями резисторов R5, R11, R4(табл. 8.6).
Таблица 8.6
Тип батареи
|
Кол-во элементов
|
Сопротивление резисторов, Ом
|
R5
|
R11
|
R14
|
Литий-ионная
|
2
|
301 к
|
86,5к
|
100к
|
3
|
499к
|
909к
|
100к
|
4
|
698к
|
909к
|
100к
|
Никель-металлгидридная
|
6
|
499к
|
162к
|
100к
|
8
|
698к
|
402к
|
100к
|
9
|
806к
|
604к
|
100к
|
10
|
909к
|
909к
|
100к
|
12
|
909к
|
1М
|
86,5к
|
Модуль позволяет проверить состояние батареи вне зарядного устройства. Если нажать на кнопку SW1 «DISPLAY», будут светиться несколько, в зависимости от емкости батареи в текущий момент времени, светодиодов, которые отображают ее емкость с шагом 20 %.
Для работы с модулем поставляется специальная плата интерфейса EV2200-45 для его подключения к последовательному порту любого АТ-совместимого компьютера. Поставляется и программное обеспечение, обеспечивающее контроль процесса заряда и разряда батареи, а также ее емкости на дисплее ПК.
8.5. Зарядные устройства свинцово-кислотных аккумуляторов
Простые зарядные устройства
Зарядные устройства свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей могут быть построены по различным схемам. Самая простая из них — обыкновенный выпрямитель напряжения сети переменного тока с возможностью регулировки выходного напряжения путем переключения выводов вторичной обмотки трансформатора (рис. 8.12). Для контроля напря жения в них используется вольтметр, для контроля тока заряда — амперметр. Такие зарядные устройства часто используют
160
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
161
Рис. 8.12. Схема простого зарядного устройства свинцово-кислотных аккумуляторных батарей
для заряда автомобильных аккумуляторных батарей, ими комплектуются некоторые виды армейской техники. Поскольку начальный ток заряда может составлять несколько ампер, в зарядном устройстве следует использовать мощный силовой трансформатор и выпрямительные диоды с прямым током, примерно в 1,5 раза превышающим максимальный ток заряда. Диоды устанавливают на отдельные радиаторы.
Для плавающего заряда аккумуляторных батарей резервных источников питания, обеспечивающего поддержание подзаряжаемой батареи в состоянии полного заряда, некоторые дилеры рекомендуют простые зарядные устройства. На рис. 8.13 приведена схема одного из таких устройств, собранного на основе одного из типов интегральных стабилизаторов напряжения серии 142 — КР142ЕН5А.
Напряжение стабилизации КР142ЕН5А составляет 5 В, но в том случае, если его общий вывод соединен с общей шиной зарядного устройства. Естественно, что напряжение заряда 5 В недостаточно для заряда 6-вольтовой батареи. Поэтому для его повышения включен резистор R2. Рассчитать его величину можно из формулы:
Рис. 8.13. Схема простого зарядного устройства на основе интегрального стабилизатора напряжения
жения. Но переменный резистор обязательно следует зашунти-ровать постоянным резистором с таким расчетом, чтобы их общее сопротивление равнялось расчетному.
На рис. 8.14, а изображена схема автоматического зарядного устройства для плавающего заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Оно обеспечивает поддержание постоянного тока заряда и отключает аккумулятор по достижении установленного напряжения заряда.
Источник тока выполнен на транзисторе VT2 и светодиоде VD1, выполняющем функции индикатора. По достижении напряжения конца заряда, транзистор VT1 закрывается. При этом закрывается транзистор VT2, и светодиод VD1 гаснет. Напряже ние конца заряда батареи устанавливают подбором номинала резистора R1. Для того чтобы это зарядное устройство можно было использовать для заряда более мощных, например, автомобильных аккумуляторных батарей, вместо транзистора VT2 включают составной транзистор VT2—VT4 (рис. 8.14, б). Транзистор VT4 следует установить на теплоотвод.
где Uo — напряжение, равное разности максимального напряжения на заряженной аккумуляторной батарее и выходного напряжения используемого стабилизатора напряжения; Uon — выходное напряжение используемого стабилизатора напряжения; Iуст — ток внутреннего стабилизатора используемой микросхемы, который можно узнать по справочнику.
Вместо R2 можно использовать и переменный резистор. Это обеспечит возможность плавной регулировки выходного напря-
Рис. 8.14. Схема автоматического зарядного устройства для плавающего заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей
162
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
163
В результате неправильной эксплуатации и старения проис ходит сульфатация пластин свинцово-кислотных батарей. Это снижает их емкость и, в конце концов, приводит к выходу батареи из строя. Для восстановления емкости батарей с сульфати-рованными пластинами используют способ заряда асимметричным током заряда. Соотношение его зарядной и разрядной составляющих выбирают равным 10:1 при соотношении длительности импульсов 1:2. Форма импульсов асимметричного тока заряда показана на рис. 8.15.
На рис. 8.16 приведена принципиальная схема устройства заряда асимметричным током, рассчитанного для заряда 12-вольт-овой батареи. Оно обеспечивает ток заряда 5 А и ток разряда -0,5 А. Напряжение переменного тока на вторичной обмотке силового трансформатора составляет 22 В. Подбором величины резистора R3 устанавливают величину разрядного тока. При этом необходимо учитывать, что суммарный ток заряда должен составлять 1,1 от тока заряда батареи, т. к. резистор R3 подключен с ней параллельно.
Заряд батареи ведут до наступления обильного газовыделения во всех банках, пока напряжение и плотность электролита не будут постоянными в течение двух часов подряд. По его окончании следует произвести уравнивание плотности электролита в банках и продолжить заряд еще в течение 30 мин. Нельзя допускать повышения температуры электролита более 45 С. За ряд батареи следует производить в хорошо проветриваемом помещении, т. к. во время его происходит выделение водорода.
Интересна схема двухступенчатого зарядного устройства свинцово-кислотных батарей. В нем заряд происходит в два этапа: на начальном этапе заряд происходит при более высоком напряжении и постоянном токе заряда, на заключительном, когда напряжение на батарее достигнет определенной величины (2,275 В/элемент при плавающем заряде или 2,45 В/элемент при циклическом заряде), напряжение заряда автоматически уменьшается. Таким образом, при двухступенчатом заряде перезаряд батареи невозможен даже при длительном времени заряда.
На рис. 8.17 показана схема такого зарядного устройства. Резистор RS служит для установки напряжения заряда при требуемом минимальном токе заряда, задаваемым резистором R3, резистор RISW — для установки порога переключения из режима основного в режим плавающего заряда.
Для защиты аккумуляторной батареи от перезаряда — одной из причин повышенного газовыделения и выкипания электролита — применяют устройства защиты. Ввиду простоты их реализа ции их описание не приводится. Например, это может быть транзисторный ключ с реле в цепи нагрузки, который открыва-
Рис. 8.15. Форма импульсов асимметричного тока заряда
Рис. 8.16. Принципиальная схема устройства заряда асимметричным током
Рис. 8.17. Принципиальная схема устройства двухступенчатого заряда
164
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
165
ется при пробое стабилитрона в цепи его базы в случает повышения напряжения на батарее при перезаряде.
Зарядные устройства на основе специализированных микросхем
С целью упростить разработку и производство высококачественных зарядных устройств многие производители выпускают для этих целей специализированные микросхемы. В качестве примера рассмотрим зарядные устройства на основе микросхем производства фирмы MAXIM и Unitrode.
Рис. 8.18. Схема зарядного устройства на микросхемах MAXIM
На рис. 8.18 представлена схема зарядного устройства свин цово-кислотных аккумуляторных батарей на двух микросхемах. Оно предназначено для заряда батарей небольшой емкости. Особенностью свинцово-кислотных батарей является выбор небольшого тока заряда. Конечно, батарею емкостью 5 Ач можно зарядить за 1 час током равным 1С — 5 А, но лучший вариант — заряжать меньшим током в 0,1С — 500 мА — за 10 часов. Такой выбор неслучаен: при большом токе заряда очень активно про-
текают химические процессы окисления решетки пластин. Это резко сокращает срок службы батарей. Именно поэтому сначала их заряжают током основного заряда, а затем полностью заряженную батарею подзаряжают током компенсационного (струйного) заряда очень малой величины — часто менее 0,001С.
В описываемом зарядном устройстве микросхема IC1 выполняет функции повышающего импульсного преобразователя напряжения, обеспечивающего номинальное напряжение основного заряда 12-вольтовой батареи равное 15,2 В. После окончания основного начинается фаза компенсирующего заряда. При этом напряжение заряда уменьшается до 13,2 В. Благодаря использованию импульсного трансформатора вместо катушки индуктивности обеспечена развязка между источником питания и нагрузкой — аккумуляторной батареей. Поэтому входное напряжение может изменяться в широких пределах (5... 16 В), а выходное при этом остается неизменным.
Для начала заряда достаточно нажать кнопку START. Микросхема IC2 измеряет ток заряда. Это происходит следующим образом: на выв. 8 (OUT) формируется ток, который изменяется пропорционально току заряда но имеет значительно меньшую величину — 1/2000 тока заряда. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R5, которое прикладывается к выв. 5 (LBI) микросхемы IC1. Если ток заряда батареи станет меньше значения, например, 0,01С, сработает компаратор микросхемы IC1, и на ее выв. 4 (LBO) сформируется сигнал лог. 0. При этом транзистор Q2 закроется. Это вызовет изменение сигнала обратной связи, в результате чего напряжение заряда уменьшится до 13,2 В.
На рис. 8.19 изображена зарядная характеристика устройства — зависимость выходного напряжения от тока заряда. Сначала работа преобразователя напряжения нерегулируема, т. к. напряжение на батарее меньше 12 В. По мере его увеличения ток заряда изменяется так, как показано на графике.
Совершенные микросхемы для зарядных устройств свинцово-кислотных батарей выпускает и фирма Unitrode. Рассмотрим две из них — UC2906 и UC3906. Эти микросхемы контроллеров заряда аналогичны по параметрам. Они обеспечивают:
• оптимальное управление процессом заряда, что способствует сохранению максимальных емкости и срока службы свинцово-кислотных батарей;
166
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
167
Рис. 8.19. Характеристики зарядного устройства при различных значениях напряжения питания
Рис. 8.20. Схема зарядного устройства двухступенчатого плавающего заряда
трехступенчатый заряд, управляемый логическим устрой
ством микросхемы;
прецизионную (высокоточную) регулировку напряжения
заряда при изменении температуры окружающей среды;
управление как выходным напряжением, так и выходным
током зарядного устройства;
функции системного интерфейса;
предельную простоту схемы зарядного устройства.
В режиме ожидания микросхемы потребляют малый ток — 1,6 мА. Напряжение питания составляет 10...40 В. Микросхемы выпускаются в различных корпусах: DIL-16, SOIC-16, PLCC-20, LCC-20.
На основе микросхемы UC2906 (UC3906) можно создавать зарядные устройства двух типов:
двухступенчатого плавающего заряда (заряд при постоян
ном напряжении заряда);
двухступенчатого компенсационного заряда (заряд при по
стоянном токе заряда).
На рис. 8.20 приведена схема зарядного устройства, обеспечивающего двухступенчатый плавающий заряд батарей. Заряд происходит поэтапно. На первом этапе при включении напряжения питания батарея подзаряжается током струйной подзаряд-
ки до напряжения Vr. По его достижении зарядное устройство переходит в режим основного заряда. При этом ток заряда максимален. После того как батарея зарядится, по достижении напряжения V12 зарядное устройство определяет его как напряжение перезаряда. Режим перезаряда продолжается недолго: когда напряжение на батарее незначительно увеличится до порогового значения напряжения перезаряда Voc, ток заряда начнет снижаться. Он будет снижаться до значения Iост и, как только достигнет этой величины, на выходе токочувствительного усилителя появится сигнал высокого уровня. Он, поступив на выв. 8 микросхемы переведет ее в состояние плавающего заряда. При этом на батарее постоянно будет поддерживаться напряжение плавающего заряда VF.
Если нагрузка перейдет на резервное питание от батареи, она станет разряжаться, и как только ее напряжение достигнет напряжения конца разряда V31, процесс заряда повторится вновь.
Расчет схемы зарядного устройства прост:
Выбирают ток делителя RA, RB, RC — ID. Рекомендуется
его значение принять равным 50... 100 А.
Рассчитывают сопротивление резистора RC:
168
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
169
3. Рассчитывают суммарное сопротивление резисторов дели теля:
где VF — напряжение плавающего заряда.
4. Рассчитывают сопротивление резистора RD:
где Voc — напряжение перезаряда.
5. Рассчитывают сопротивление резистора RA:
где VT — напряжение начала основного заряда, a Rx = = RC- RD/(RC+ RD).
Вычисляют сопротивление резисторов RB = RSUM - RA и
RS= 0,25 В / IМАХ (IМАХ — максимальный ток основного заряда).
Определяют R Т:
Рассчитывают величину тока, при котором зарядное
устройство перейдет в режим плавающего заряда: Iост = IМАХ/10.
Значения других напряжений выбираются из расчета:
V12 = 0,95VOC; V31 = 0,90 ■ VF.
На рис. 8.21 изображена схема зарядного устройства для двухступенчатого компенсационного заряда. Его удобно использовать при заряде нескольких последовательно включенных аккумуляторов или аккумуляторных батарей. Работает оно следую щим образом. При включении питания батарея заряжается током заряда, равному сумме максимального тока нормального заряда IМАХ и тока компенсационного заряда Iн. После того как напряжение батареи достигнет значения V12 — напряжения кон ца заряда, произойдет автоматическое снижение выходного напряжения зарядного устройства до напряжения плавающего заряда, и ток заряда при этом будет иметь значение Iн. При разряде батареи на нагрузку, как только ее напряжение уменьшится до значения VF, она начнет заряжаться полным током заряда —
Рис. 8.21. Схема зарядного устройства двухступенчатого компенсационного заряда
8.6. Любительские конструкции зарядных устройств и устройств контроля состояния батарей
Радиолюбительские решения при конструировании различных электронных устройств интересны, прежде всего, тем, что часто имеют оригинальное решение при ограниченном выборе элементной базы. Рассмотри некоторые конструкции.
Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов солнечной энергией
Зарядное устройство (рис. 8.22) предназначено для заряда двух никель-кадмиевых кадмиевых аккумуляторов типоразмера АА или ААА от солнечной батареи. При попадании солнечных лучей каждый элемент солнечной батареи выдает напряжение 0,5 В при токе нагрузки до 25 мА (используются элементы малой мощности на ток 25...50 мА). Стабилитрон D1 предотвращает разряд аккумуляторов в темное время суток. В пасмурную погоду напряжение солнечной батареи следует увеличить подключением дополнительного элемента SC8. Время заряда составляет примерно один световой день.
170
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
171
2 элемента АА или ААА
Рис. 8.22. Зарядное устройство на солнечных элементах
Простое устройство для заряда никель-кадмиевых аккумуляторов
Заряд никель-кадмиевых аккумуляторов с использованием описываемого устройства (рис. 8.23) происходит при постоянном токе заряда. Оно обеспечивает заряд от 1 до 20 аккумуляторов одновременно при токе заряда 20...200 мА. В качестве источника питания используется трансформатор с мостовым выпрямителем. Вторичная обмотка трансформатора должна обеспечивать напряжение 24...30 В при токе нагрузки не менее 500 мА. В каче стве реостата лучше всего использовать- проволочный переменный резистор достаточной мощности. Ток заряда выставляется в соответствии с емкостью заряжаемых аккумуляторов. Его величина — 0,1С.
Рис. 8.24. Монитор состояния 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи
ной — 11,89 В и менее. В схеме используются три светодиода зеленого цвета, которые отображают степень заряда батареи более чем на 50 %, четыре светодиода желтого цвета — 30...50 % емкости и три светодиода красного цвета — при заряде батареи менее чем на 30 %.
При настройке монитора на его вход подают напряжение 12,65 В и подстройкой потенциометра R10 добиваются свечения всех десяти светодиодов. Постепенно снижая напряжение, проверяют работу монитора. При его величине 11,89 В должен светиться один — последний — красный светодиод. Яркость свечения светодиодов регулируется подбором сопротивления резистора R5. Диод VD1 защищает схему от переполюсовки подаваемого на нее напряжения.
Рис. 8.23. Простое устройство для заряда никель-кадмиевых аккумуляторов
Монитор состояния 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи
На рис. 8.24 приведена схема простого монитора состояния свинцово-кислотной батареи. Десять светодиодов отображают состояние батареи. Состоянию полностью заряженной батареи соответствует напряжение 12,65 В и более, состоянию разряжен-
Источники питания зарядных устройств
173
|