Nabíječka pro všechny typy baterií

Nabíječka pro čtyři Ni-Cd nebo Ni-MH baterie velikosti AA a AAA.

Autor: Pavlov Alexander
Zveřejněno 18.08.2010

Vše začalo potřebou čtyř baterií do fotoaparátu, což znamenalo, že byla potřeba nabíječka, která je rychle nabije a udrží v provozuschopném stavu. Čínský „zázrak“ byl zakoupen za dobré peníze v renomovaném obchodě pod názvem: Nabíječka baterií Lenmar PRO290.
Přenosná nabíječka. Umožňuje nabíjet 2-4 baterie AA a AAA. Moderní design a malé rozměry. Při nabíjení eliminuje „paměťový efekt“ baterií. Zobrazuje stav procesu nabíjení baterie pomocí indikátoru. Nejlepší řešení pro nabíjení AA baterií. Obsah balení: PRO290R (4 Ni-Mh AA 2500 mAh baterie)
Popis stavebnice byl docela uspokojivý, ale slibům Číňanů se nedá věřit. Otevřel jsem ji a nakreslil schéma:

Nejsou tam žádné ochrany ani měření, natož schéma, jak se zbavit paměťového efektu. Nechybí běžný 9hodinový časovač a dvě tlačítka pro ovládání nabíjecího proudu. Baterie obsažené v sadě jsou samostatným tématem, popíšu je níže.
Po zklamání jsem to všechno pro jistotu odsunul na druhou kolej, protože už to bylo koupené a mohlo by se to najednou někde hodit. Nekupoval jsem si jiný, dražší a sofistikovanější, neexistovaly žádné záruky, že dostanu, co jsem chtěl. Bylo rozhodnuto vyrobit vlastní design nabíječky. Při hledání na internetu jsem nenašel nic, co by mě mohlo zajímat. Některá schémata si zasloužila pozornost, ale jako vždy tomu alespoň něco chybělo. Celkově vzato, to, co bylo potřeba, byla nezávislá údržba baterií, nikoli jako součást baterií. Vlastní jsem si musel vyrobit v jiném pouzdře, pomocí mikroprocesoru, s ovládáním všech potřebných parametrů při nabíjení a vybíjení, zobrazováním výsledků na LCD, případně jejich přenosem do počítače, s nezávislým nabíjením/vybíjením každé ze čtyř baterií. Problém s případem byl vyřešen jednoduše, koupil jsem ho za 130 rublů. další nabíječku, vyhodil všechny vnitřnosti kromě připojovacích svorek, utěsnil zbytečné otvory a doplnil potřebné. Ukázalo se, že je docela miniaturní, což znamená, že si ho můžete vzít na cesty, otázka připojení k počítači zmizela sama (ale možná to časem implementuji).
Vzhled toho, z čeho bylo vše sestaveno:

(testovací výstup na LCD, napájení z programátoru)
Diagram je uveden níže.
Provozní algoritmus nabíječky je navržen takto: Po zapnutí napájení se přítomnost baterií kontroluje dodáním nabíjecího proudu a měřením napětí na svorkách, pokud je v rozsahu od 0,8 V do 2.2 V, pak se domníváme, že je baterie přítomna. Zkontrolujeme, zda nedošlo k nouzovému výpadku proudu, pokud ano, pak načteme dříve uložené parametry z paměti EEPROM (v nabíjecím cyklu vše ukládáme každých 10 minut). Pokud vypnutí není zaznamenáno, zahájíme nový cyklus, jehož režimy se volí z paměti EEPROM, stejně jako dříve. Lze jej změnit stisknutím tlačítka, po kterém se nové parametry uloží do paměti. Výběr jednoho ze 16 přednastavených režimů umožňuje nabíjet a trénovat širokou škálu stávajících baterií. V případě potřeby můžete upravit svá individuální nastavení v paměti EEPROM, s tím nejsou žádné zvláštní problémy. Jedním stisknutím tlačítka nezměníte režim, ale zapnete cyklus vybíjení baterie před nabíjením. Vybíjení se provádí stabilním proudem 0,36 A a doba vybíjení se počítá, dokud napětí baterie nedosáhne 1 V, čímž se získá skutečná kapacita nebo se baterie jednoduše natrénuje, aby se snížil „paměťový efekt“. Dále se aktivuje režim nabíjení, jehož konec může nastat při dosažení stanoveného napětí, nebo při překročení teploty akumulátoru nebo po uplynutí stanovené doby nabíjení. Ukončení nabíjení na základě změny napětí dU zatím nebylo implementováno, kvůli jeho složité definici u starých baterií a při nabíjecím proudu výrazně menším než 1C. Tady vlastně žádné překážky neexistují, pokud někdo opravdu chce, stačí změnit program. Na konci nabíjecího cyklu jsou akumulátory „napájeny“ krátkými pulzy, trvajícími cca 10 mS s intervalem 120 mS, s průměrným proudem cca 30 mA. Nabíječka implementuje princip zpětného nabíjení pro zlepšení nabíjecích charakteristik baterií, podrobnější informace lze nalézt na internetu. Poměr nabíjecích a vybíjecích pulsů je 8 %, tzn. 10 mS výboj s proudem 0,36 A, v celkovém nabíjecím cyklu 120 mS, s proudem 0,39 A, tedy průměrný nabíjecí proud je také roven 0,36 A. Tyto aktuální hodnoty jsou vybírány z mnoha faktorů: snadnost výpočtu, všestrannost při nabíjení široké škály baterií, snížení zahřívání zařízení, ale také nezdržování procesu nabíjení, někdy není možné čekat 10-14 hodin. Praktické testy ukázaly docela dobré výsledky, ale ne hned. Bylo nutné upravit stabilizátory nabíjecího proudu a snížit napájecí napětí na 3,2V. To byla cena za jeho miniaturní velikost. I ve finální verzi je při nabíjení ztrátový výkon na stabilizátorech o něco menší než 3W. To vede k částečnému zahřívání desky a zvýšení teploty uvnitř pouzdra. Proto regulace teploty funguje spíše jako senzor překročení stanoveného limitu než jako přesné měření v celém rozsahu. Dovedu si hned představit spoustu rad, použít hotové teploměry, např. DS18B20, ale problém není v měření, ale v přebytku tepla uvnitř pouzdra. Senzory byly kalibrovány v rozsahu skutečných provozních teplot, od +35°C do +46°C, baterie se nezahřály výše ani v tak horkém počasí letošního léta. Rovněž nemá smysl počítat s teplotami pod +30°C. To je zatím jediná nevýhoda zařízení, která mě trochu dráždí, ale plánuji to do budoucna napravit. Byl nápad umístit senzory na vnější povrch baterií, ale pak byste museli vymyslet nějaký kryt s dráty, což se ne vždy hodí. Byl nápad spojit napájení a mikroprocesorovou desku a kontejner s bateriemi zvlášť, také ne ideální, příliš mnoho vodičů a vše se bude muset předělat.
Něco málo o měření vnitřního odporu. Parametr je velmi zajímavý a užitečný pro analýzu stavu baterie, existuje mnoho schémat a metod pro jeho určení, ale pomocí této nabíječky můžete určit pouze jeho přibližnou hodnotu. Ve zjednodušené verzi se provádějí dvě měření napětí, první při aktuálním nabíjecím proudu a druhé na samém konci pulzu vybíjecího proudu, rozdíl v úbytku napětí na baterii se vydělí dvojnásobným proudem, protože existují dva přírůstky dU pro nabíjecí proud a pro vybíjecí proud: r=(Uз-Up)/(0.36*2). Výsledky měření vnitřního odporu několika nových baterií byly v rozsahu od 0,03 Ohm do 0,05 Ohm a testování starých (používaných déle než 2 roky) ukázalo hodnoty odporu od 0,07 Ohm do 0,16 Ohm. Kromě toho se tyto údaje neustále mění, počínaje jejich maximální hodnotou a poté klesající na minimum na konci nabíjecího cyklu.
Nyní o napájení. Bylo plánováno vyrobit vlastní pulzní zdroj s napětím 3,3 V a proudem 2 A, ale v prodeji byl nalezen vhodný z hlediska designu, velikosti, parametrů a za cenu 470 rublů. Zcela náhodou, jen tak z nudy, jsem z něj zkopíroval schéma a na přání mohu tento návrh zopakovat.
Takto vypadá zakoupený napájecí zdroj:

Je sestaven podle následujícího schématu:

Transformátor jsem nerozvinul, ale jeho parametry jsou přibližně následující:
Ferit EE-16 (nebo EE-19), s mezerou 0,1 mm;
Primární vinutí asi 95 závitů drátu PEV-0,2 (indukčnost 1,3 mH);
Sekundární vinutí 4 závity s dvojitým drátem PEV-0,51 (nebo MGTF-0,2);
Je lepší odstranit všechny zbytečné odpory v řídicích obvodech, aby nedošlo k omylu přepnutí na vyšší napětí. Optimální napájení od 2,8V do 3,3V. Pokud je napětí příliš vysoké, stabilizátory nabíjecího proudu se silněji zahřívají a pokud je napětí příliš nízké, nemusí být práh otevření tranzistoru s efektem pole dostačující (reálná měření ukázala Ugs=1.9B při Is=0.38A).
Obecně se každý rozhoduje sám za sebe, co dělat a co koupit. Po určitém úsilí při sestavení a napsání programu se podařilo získat celkem univerzální nabíječku.
Takhle to vypadá:

Konečná verze schématu je následující:

Skládá se ze čtyř stejných řídicích jednotek pro nabíjecí a vybíjecí proudy, s obvodem pro měření teploty každé baterie. Celý obvod je řízen mikroprocesorem PIC16F876A. Výstup informací do indikátoru z mobilního telefonu Nokia-3310. Pro zlepšení přesnosti měření je použit externí generátor referenčního napětí +2,5V. Původní verze měla stabilizátory nabíjecího proudu na bipolárních tranzistorech KT664A-9, v důsledku toho bylo nutné zajistit dostatečný proud báze, což vyžadovalo napájení zařízení od +4V a zvýšený proud z portu mikroprocesoru. Zahřívání bylo samozřejmě výrazné, zvláště při zavřené skříni se všechny problémy táhly řetězem. Proto jsem musel opustit bipolární tranzistory, použít tranzistory s efektem pole s p-kanálem a vše přepnout na redukované napájení (ve skutečnosti je to v mém obvodu +3,1V). Stabilizátory vybíjecího proudu na n-kanálových tranzistorech s efektem pole typu IRLML2502, ale lze použít i jiné s podobnými parametry. Aplikované obvodové řešení zajišťuje stabilní provoz a udržování stability proudu, s poměrně širokým rozsahem provozních napětí, navíc se jedná pouze o nabíječku, nikoli o měřící zařízení. Někdy stačí zhodnotit kvalitu nabíjecích baterií a co z nich lze po nabití získat.
Zde je malý příklad. Jsou tam hodně staré baterie, z rozebrané baterie do radiostanice (na fotce nahoře žlutá bez označení), od roku 2001 se povalovaly někde v koši. a oni sami jsou ještě starší. Parametry baterie byly následující: napětí 12V, kapacita 600mAh, Ni-Cd. Bylo jich 10 zapojených do série. Před nabíjením měření zbytkového napětí ukázalo, že je snazší je vyhodit, každý měl přibližně 0,02:0,06V. Nabíječka je nejprve vůbec nerozpoznala (což je logické do úrovně 0,8V) a „kapacím nabíjením“ za 10 minut zvedla napětí nad 0,8V. Poté se zapnulo zpětné nabíjení, netrvalo dlouho, napětí vzrostlo na 1,9 V (ovladač byl vypnutý, jak se ukázalo, někdy to může být užitečné), a poté se postupně snížilo na 1,55-1,65 V. Nebylo mi líto baterií, tak jsem na nich upravil všechny proudy a napětí a odladil nabíjecí algoritmus. Po dokončení všech prací, po 4 úplných cyklech nabití-vybití, byly získány tyto parametry: čerpáno během nabíjení 0,83 A/h (2,3 hodiny * 0,36 A), maximální napětí bylo 1,49 V, naměřená kapacita ve vybíjecím cyklu byla 0,43-0,45 A/h, vnitřní odpor 0,12 Ohm. Co lze považovat za vcelku snesitelné ukazatele u vyhazovacích baterií, obnovily až 70 % své kapacity. Pokud také vezmeme v úvahu, že k výboji došlo proudem, který byl pro ně příliš vysoký, 0,5C, pak jsou tato čísla velmi povzbudivá. Nyní „staříci“ pracují v bezdrátové myši, která stačí na několik dní aktivního používání. Ale čínské Lenmar-2500mAh byly úplným zklamáním. Místo slibovaných 2,5 A/h dosahují sotva 1,4 A/h a vybíjecí proud u nich je 0,36 A (méně než 0,2 C), což lze považovat za normální. To vše po čtyřech celých cyklech práce ve fotoaparátu a nabíjení v nabíječce zakoupené v sadě. Na konci každého nabíjecího cyklu byly baterie poměrně horké. To vše se týká informací, které lze získat v procesu práce. Jak vidíme, analýza nevyžaduje žádnou zvláštní přesnost.
Nyní o designu. LED diody jsou zelené, aby „nebolely oči“, jas se nastavuje pomocí rezistorů. Nepřetržité svícení znamená, že se baterie nabíjejí a symbol každého prvku současně ukazuje tento proces. Blikající LED signalizuje, že je baterie nabitá a symbol článku je zcela tmavý, zatímco proces udržovacího nabíjení pokračuje. V horním řádku vidíte, kolik času uplynulo od začátku provozního cyklu s těmito bateriemi, ale tento čas nemá zvláštní hodnotu, jen pro obecnou představu. Dále se každé 4 sekundy změní informace o baterii a za svislou čarou se zobrazí symbolické označení parametru:
Q=. A/h – kapacita měřená při vybíjení
E=. A/h – kapacita akceptovaná během nabíjení
R=. Ohm je vnitřní odpor baterie
t=:°C — teplota baterie
Zde je několik příkladů výstupu:

Číslo baterie se nepřetržitě zobrazuje na indikátoru. Je-li nainstalován, pak jeho symbol s indikací nabití/vybití/dokončení a aktuálního napětí. Pokud jsou v nabíječce méně než 4 baterie nebo je špatný kontakt, zobrazí se na volné pozici pod příslušným číslem nápis „OFF“. Spodní řádek obsahuje krátké upozornění na provozní režim nabíječky, zejména:
2,5A/h baterie (limit doby nabíjení 8h 20min)
chybí ovládání napětí (max 2,5V)
maximální teplota na konci nabíjení 45°C.
Provozní režim a parametry se mění jediným tlačítkem. Po stisknutí vynulujeme všechny proměnné, tzn. zahájíme nový pracovní cyklus, na LCD vidíme nastavená omezení: kapacita baterie (pro výpočet doby nabíjení), maximální napětí, maximální přípustná teplota. Celkem si můžete vybrat jeden ze 16 předem nahraných režimů v paměti EEPROM. Tuto sadu lze upravit tak, aby vyhovovala vašim vlastním potřebám a dostupným bateriím. Při programování stačí provést příslušné změny v tabulce EEPROM. Struktura záznamu je následující:
v 00 článku je kapacita baterie (nebo spíše doba jejího nabíjení v desítkách minut)
v 01 buňce maximální přípustná teplota
v 02 článku maximální napětí nabité baterie
v 03 buňce 00 (zatím rezervováno)
pak ve stejném pořadí pro druhý režim:
v kapacitě 04článkové baterie
v 05 buňce maximální přípustná teplota
v 06 článku maximální napětí nabité baterie
v 07 buňce 00
Takto je vyplněna celá tabulka pro šestnáct režimů, tzn. 16 krát 4 buňky, celkem 64 bajtů. Všechna čísla v hexadecimálním formátu znamenají následující:
Teplota ve stupních, tedy 45°C = 45 = 0x2D, ​​toto je číslo odpovídající teplotě.
Maximální napětí je zapsáno na základě výpočtu, že 1,45V = 145 = 0x91
Kapacita baterie v 1A/h = 20 = 0x14 (tj. pro garantované nabití (1/0,36)*120 %=3,3 hodiny).
To určuje, že baterii lze nabíjet po maximální možnou dobu 20*10=200 minut nebo 3 hodiny 20 minut. a pokud během této doby nedojde k vypnutí nabíjení z důvodu přepětí nebo teploty, zastaví se v určený čas.
Ve výchozím nastavení se zaznamenávají následující parametry režimu baterie:
osm z nich je 700mAh, 1Ah, 1,3Ah, 1,5Ah, 1,8Ah, 2Ah, 2,5Ah, 2,7Ah s teplotním limitem 43°C a maximálním napětím na konci nabíjení 1,45V.
Dalších osm je stejných, ale bez regulace maximálního napětí a maximální teploty 45°C.
Do budoucna plánuji vyřadit režimy, které se nepoužívají vůbec (např. takové baterie nejsou), ale rozšířit ty, které se používají často. To lze snadno provést změnou dat v EEPROM. Obsah buněk počínaje adresou 0x40 a dále by se neměl dotýkat. Jsou tam zapsány aktuálně uložené parametry.
Věnujte prosím pozornost! Zařízení by nemělo být používáno k nabíjení běžných baterií AA nebo AAA. Pokud je režim nabíjení povolen bez regulace maximálního napětí, nebo je nastaven na více než 1,5V, zařízení se pokusí takové baterie nabít se všemi negativními důsledky tohoto procesu.
Nyní něco málo o vnitřnostech nabíječky. Nemá smysl dodávat moji verzi plošného spoje z důvodu nutnosti úprav (odstranit KT664 na každém kanálu a na jeho místo nainstalovat IRF7306 do páru s KT3107 nebo BC856, mírně upravit tištěné vodiče). Pro obecnou představu vypadají desky takto:

LED ještě nejsou připájeny. Na vnější straně pouzdra je pouze napájecí konektor a tlačítko pro volbu režimu. Před finální montáží by bylo dobré zkontrolovat správnou funkci celé desky a případně vybrat některé prvky. V mém případě vše fungovalo okamžitě a bez jakékoli konfigurace. Chcete-li spustit testovací program, podržte tlačítko stisknuté a zapněte napájení. Dále můžete pomocí tlačítka přepínat mezi třemi provozními režimy:
1 Nabíjení je zapnuto (kontrola a nastavení nabíjecího proudu na 0,39A)
2 Vybíjení je zapnuto (kontrola a nastavení vybíjecího proudu na 0,36A)
3 Měření teploty (kalibrace senzoru a nastavení teplotního rozsahu)
Ve třetím testovacím režimu je naměřená teplota z každého senzoru zobrazena na LCD, pokud je výrazný rozptyl, vyberte odpory v obvodu příslušné diody. Nastavení rozsahu se provádí volbou R11 C14 (viz obrázek).
Probíhaly pokusy o simulaci obvodu v Proteusu, vše fungovalo do určité fáze, až program přidal úkol filtrovat měření ADC pomocí nejjednodušší metody akumulace a průměrování hodnot. Problémy se objevily okamžitě: všechny periody cyklu, stejně jako aktualizace LCD, byly strašně natažené a spojení s reálným časem bylo ztraceno. Během ladění na živém mikroprocesoru nedochází k takovým „zpomalením“ a naměřené hodnoty jsou velmi stabilní. Proto se tam vše kontrolovalo na úrovni jednotlivých uzlů, což nemá smysl postovat. Stávající nabíječka byla testována a již funguje, ale vývoj programu ještě není dokončen. Již při psaní tohoto textu se objevilo několik nových nápadů na vylepšení práce a přidání nových funkcí. Na přání si programátoři mohou sami implementovat libovolný algoritmus provozu, zde je pouze základní princip, jak zvládnout nezávislé nabíjení čtyř baterií. Odborníci, prosím, nesuďte mě přísně, jsem elektrotechnik, ne programátor. Omlouvám se, pokud je vše popsáno zmateně, spěchal jsem, abych to dokončil co nejrychleji před začátkem soutěže.
Pokud budete mít nějaké dotazy, pokusím se je zodpovědět.

Otázky jako obvykle vkládáme sem.

V poslední době se objevilo mnoho zařízení, která podporují zrychlené nabíjení baterií, s proudy, které často překračují nominální kapacitu. Aniž bychom popírali možnost použití takových režimů ve výjimečných případech, poznamenáváme, že technická dokumentace by měla tuto možnost odrážet a poskytovat charakteristiky režimu – proud, čas, teplotu elektrolytu nebo pouzdra baterie. Pokud tyto údaje nejsou k dispozici, je lepší použít osvědčený „staromódní“ způsob, který neškodí žádnému typu akumulátoru – nabíjení stejnosměrným proudem (tedy ze zdroje stejnosměrného proudu). Co je to? Jsme zvyklí používat zdroje napětí a čím je konstantnější, tím lépe. Pro ideální zdroj napětí zůstává jeho výstupní napětí konstantní, nezávisle na odporu zátěže, zatímco proud dodávaný zátěži se mění (to znamená, že její vnitřní odpor je nulový). V ideálním zdroji proudu se výstupní napětí mění se zátěží, ale proud zůstává konstantní (vnitřní odpor je nekonečný). Nejjednodušší způsob, jak přeměnit zdroj napětí na zdroj proudu, je zapojit další rezistor do série se zátěží a dostaneme vnitřní odpor rovný tomuto dodatečnému rezistoru. Na Rintu. U autobaterie 0,002 Ohm stačí zařadit do nabíjecího obvodu odpor 2 Ohm pro dobrou stabilizaci nabíjecího proudu. Ti, kteří znají Ohmův zákon, si mohou procvičit výpočet takového odporu s napětím baterie 12,6 voltů a Rintem 2,5 ohmů. Použití moderních integrovaných stabilizátorů napětí umožňuje vytvoření velmi jednoduchých obvodových zdrojů stabilního proudu. Všimněte si, že stabilita je zachována při změně zátěžového proudu a mírně se změní, když se změní napájecí napětí. Tato okolnost bývá zanedbávána, ale pokud chcete získat dokonalou stabilitu, stabilizujte napájení. Výpočet proudu je velmi jednoduchý – proud v ampérech se rovná 1,2 V děleno odporem R1 v Ohmech. K indikaci proudu se používá tranzistor (z důvodu nízkého otevíracího napětí nezbytně germaniový), umožňující vizuální pozorování proudů až do 50 mA. Dioda D1 a pojistka F2 chrání nabíječku před nesprávným připojením baterie. Kapacita C1 se volí z poměru: na 1 ampér je potřeba 2000 μF. Výhody navrhovaného zařízení: nebojí se zkratů; Počet nabíjených prvků v baterii a jejich typ nejsou důležité – můžete nabíjet 12,6V uzavřenou kyselou baterii, 3,6V lithiovou baterii a 7,2V alkalickou baterii. Proudový spínač by měl být zapnut přesně tak, jak je znázorněno na obrázku – tak, aby rezistor R1 zůstal při jakékoli manipulaci. Použití proměnlivého nízkoodporového rezistoru je nežádoucí kvůli nestabilitě pohyblivého kontaktu při zatěžovacích proudech větších než 0.2 A. Omezení: maximální napětí nabíjené baterie musí být o 4 volty nižší než napájecí napětí; Mikroobvod 142EN12 je namontován na radiátoru, který při nabíjení jednoho alkalického článku s maximálním proudem 20 A rozptyluje 1 W. Nabíjecí proud 0,1 z kapacity je vhodný pro všechny typy baterií. K úplnému nabití baterie je třeba ji nabít na 120 % její nominální kapacity, ale předtím ji musí zcela vybít. Proto je doba nabíjení v doporučeném režimu 12 hodin. S návrhy na ukončení nabíjení při dosažení určitého napětí je třeba zacházet s určitou opatrností – zpravidla po odpojení nabíjecího proudu napětí na svorkách baterie postupně klesá a to vede k opětovnému zapnutí nabíjecího režimu, pokud má komparátor nedostatečnou hysterezi; Kromě toho se kritéria pro výběr tohoto napětí pro různé baterie liší. Upozorňujeme, že před nabíjením MUSÍ BÝT baterie VYBITÁ. „Správné“ značkové nabíječky to dělají – nejprve z vlastní iniciativy vybijí připojenou baterii a poté ji nabijí.

Seznam radioprvků

Tagy:

pane Murre Publikováno: 2006 0

Odměna, kterou jsem nasbíral 0 0

Ohodnoťte tento článek

• Technická gramotnost

Průměrné hodnocení článku: 0 Hlasovalo: 0 lidí.