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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Cargador seguro
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Cargadores, baterías, celdas galvánicas El diseño propuesto pone énfasis en la seguridad de la carga. El dispositivo verifica que la batería esté conectada correctamente, la apaga automáticamente cuando se completa la carga y detiene la carga cuando la batería se calienta por encima de la temperatura establecida. Se sabe que incluso el algoritmo de carga rápida (con una corriente de 1...2C, donde C es la capacidad de la batería) supone que la duración del proceso de carga es de 1...5 horas [1]. Es difícil imaginar que el proceso será monitoreado todo este tiempo. Y esto a pesar de que la carga rápida es la más peligrosa. Incluso con un ligero incumplimiento del régimen, la carcasa de la batería puede romperse con todas las consecuencias consiguientes. La carga estándar con una corriente de 0,1 C es mucho más segura, pero dura demasiado (hasta 14...16 horas). El dispositivo descrito proporciona carga acelerada (4...7 horas) de una batería Ni-Cd o Ni-MH con una capacidad de 250 a 1000 mAh. Un amplio rango de corriente de carga no contribuye en absoluto a la seguridad del dispositivo debido a posibles errores del usuario al configurar la corriente de carga, por lo que se proporcionan varios métodos para proteger la batería y la propia unidad de carga. El resultado es un dispositivo que puede parecer innecesariamente complejo. Sin embargo, esta complejidad dará sus frutos con una mayor duración de la batería y tranquilidad con respecto a la situación de seguridad contra incendios en el apartamento. La posibilidad de cargar una sola batería se debe al deseo de garantizar una carga completa y, nuevamente, segura. Entre las características técnicas del dispositivo, cabe destacar el modo de carga acelerada "suave", el apagado automático de la batería después de la carga, protección contra polaridad incorrecta de su conexión y sobrecalentamiento, indicación de modos, notificación sonora del modo de emergencia y, finalmente , una tensión de alimentación bastante baja (a partir de 3,5, XNUMX B), lo que en algunos casos puede resultar muy deseable. El diagrama esquemático del dispositivo se muestra en la fig. 1.
Su parte principal, el estabilizador de corriente, consta de tres unidades: un estabilizador de tensión maestro y dos reguladores de corriente de diseño idéntico. El regulador principal (DA6.1, VT3) proporciona una corriente de carga de 0,1C y funciona durante todo el ciclo. El segundo regulador (DA6.2, VT4), que se puede llamar forzado, produce una corriente igual a 0 V y se enciende cuando el voltaje de la batería es superior a 0,6 V, pero no ha alcanzado los 1,4 V. En este momento, Ambos reguladores funcionan y, al estar conectados en paralelo, suministran a la batería una corriente total de 0,4C. Las restricciones en el funcionamiento del regulador de corriente forzada se deben a lo siguiente. Si la batería está muy descargada (su voltaje Uacc < 0,6 V), cargarla con una corriente alta no es seguro, por lo que la carga se realiza con una corriente de 0,1 C utilizando únicamente el regulador de corriente principal. Cuando el voltaje Uacc alcanza los 1,4 V, el regulador forzado se apaga, ya que este voltaje está cerca del límite y es recomendable realizar una carga adicional con una corriente estándar de 0,1 C. Cuando se alcanza Uacc = 1,48 V, el regulador principal también se apaga y la carga se detiene. En este caso, el LED HL3 ("Carga") se apaga y el HL1 ("Carga completa") se ilumina. Los diodos VD1, VD2 evitan que la batería se descargue después de detener la carga. Ambos reguladores son fuentes de corriente controladas por voltaje. El voltaje de control (relativo al cable de alimentación positivo) es generado por el estabilizador de voltaje maestro DA3 y regulado por la resistencia variable R23 (la corriente de carga requerida se establece según la capacidad de la batería). La peculiaridad de los amplificadores operacionales KR1446UD1A utilizados en los reguladores de corriente [2] es la capacidad de funcionar con voltajes de suministro bajos (desde 2,5 V para unipolar) y, lo más importante, el rango de sus señales de entrada y salida es casi igual a la suma. de las tensiones de alimentación. En nuestro caso, DA6.1 funciona con un voltaje de entrada igual a Us - UR25, donde Us es el voltaje de suministro positivo y UR25 es la caída de voltaje a través de la resistencia de medición R25. Este último, de hecho, es una "copia" del voltaje de control (como se sabe, los voltajes en ambas entradas del amplificador operacional cubierto por el OOS coinciden hasta el voltaje de compensación cero). Por lo tanto, con una corriente de carga de 25 mA (para una batería con una capacidad de 250 mAh) UR25 = 0,2 V. Esto significa que el voltaje de entrada puede ser solo 0,2 V menor que el voltaje de suministro positivo del amplificador operacional DA6.1 . Los amplificadores operacionales comunes permiten el funcionamiento con voltajes de entrada de no más de (Us - 1,5...2) V. Lo mismo puede decirse de los voltajes de salida. Durante la carga, DA6.1 proporciona un voltaje de salida igual a Us - UR25 - UBE VT3, donde UBE VT3 es el voltaje directo en la unión del emisor VT3 (0,6...0,8 V). Para detener el funcionamiento del regulador de corriente, el amplificador operacional proporciona un voltaje igual a Us, cerrando así el transistor. Todo lo anterior también se aplica al regulador forzado del DA6.2. Ambos reguladores se apagan mediante los transistores VT1 y VT2, respectivamente (más precisamente, esto lo hace VT1, ya que cuando se abre, pasa por alto las resistencias R21, R23, desde donde se suministra voltaje a las entradas de ambos amplificadores operacionales). En el estado apagado, la corriente de salida del regulador no es cero, ya que el voltaje en la resistencia R25 no es cero. Hay dos razones para esto. En primer lugar, la resistencia del canal del transistor de efecto de campo abierto VT1 es distinta de cero y, por lo tanto, el voltaje USI VT1 es de varios milivoltios. La segunda razón es el voltaje de compensación cero del amplificador operacional DA6.1. Como resultado, el voltaje a través de la resistencia R25 depende del signo del voltaje de compensación cero y es igual a UCI VT1 ± UCM DA6.1. En este caso, es mejor usar el amplificador operacional KR1446UD1A; su voltaje de polarización no excede ±3 mV, por lo que cuando el regulador está apagado, produce una pequeña corriente residual de 1...3 mA. El regulador de corriente forzada se comporta exactamente de la misma manera. Como resultado, una vez completada la carga, el estabilizador de corriente mantiene un cierto voltaje en la batería, evitando que se descargue debido a la autodescarga y la fuga de corriente a través de los circuitos del dispositivo. Una corriente tan baja no puede dañar la batería. Además, esta característica garantiza la estabilidad del dispositivo cuando se retira la batería y se aplica el voltaje de entrada. La corriente establecida por el regulador principal es igual a Ureg/R25, donde Ureg es la caída de voltaje entre las resistencias R21+R23 (sin tener en cuenta el voltaje de polarización cero del amplificador operacional DA6.1, su corriente de entrada y la corriente de fuga del canal cerrado VT1) Ureg depende del voltaje de estabilización DA3 ( 2,5 V) y del coeficiente de división del divisor de voltaje R21-R23 (como se señaló, se cuenta desde el "más" del suministro). La corriente establecida por el regulador forzado se determina de manera similar. Pasemos ahora a la segunda parte del dispositivo, que consta de un generador de voltaje de referencia, comparadores, que se utilizan como chips de amplificador operacional DA4, DA5 y un nodo lógico. Como puede verse en el diagrama, el voltaje de la batería se suministra a las entradas de los comparadores DA4.1-DA4.4 no directamente, sino a través de las resistencias R14, R16-R18, para evitar daños al amplificador operacional. cuando se inserta la batería y se apaga el cargador. Las resistencias en las entradas de "referencia" eliminan el error causado por las corrientes de entrada del amplificador operacional (pero no la diferencia en las corrientes de entrada). La entrada "modelo" del amplificador operacional DA4.3 no tiene dicha resistencia, ya que este comparador no requiere alta precisión. El comparador DA4.1 determina el momento en que se apaga el regulador de corriente forzada (cuando el voltaje de la batería alcanza los 1,4 V), DA4.2 determina el momento en que finaliza la carga y emite una señal para apagar el regulador de corriente principal. La resistencia R24, que crea retroalimentación positiva, forma una pequeña histéresis (aproximadamente 40 mV), que evita un estado inestable del comparador después de que se detiene la carga. El comparador DA4.3 emite una señal para encender el regulador de corriente forzada cuando el voltaje en la batería excede los 0,6 V, y DA4.4 "verifica" la conexión correcta de la batería: si la polaridad es incorrecta, los reguladores de corriente se encienden se apaga y la campana piezoeléctrica HA1 emite una señal sonora de advertencia. Para determinar la polaridad, se utiliza la capacidad del amplificador operacional KR1401UD2A para trabajar con voltajes de entrada inferiores al voltaje de suministro de polaridad negativa. Una característica importante del dispositivo descrito es el control de la temperatura de la batería que se está cargando. Se realiza mediante un sensor de temperatura DA2 y un amplificador operacional DA5.1. El LM335Z es un regulador de voltaje integrado con una característica de temperatura lineal: su voltaje de salida aumenta en 10 mV por cada grado Celsius de aumento de temperatura. A una temperatura de +25°C (298 K), la tensión de salida es de 2,98 V. Cuando la batería se calienta a aproximadamente +33°C, se activa el comparador DA5.1, se detiene la carga, se enciende el LED HL2 ("Sobrecalentamiento" ) se enciende y suena una señal sonora (como cuando la conexión de la batería está incorrectamente polarizada). Los voltajes de referencia a los comparadores provienen de un controlador fabricado en DA1. Un dispositivo lógico en los elementos del chip DD1 procesa señales provenientes de comparadores, controla indicadores LED, una campana y reguladores de corriente. En lugar de K1401UD2A, el dispositivo puede utilizar el microcircuito K1401UD2B, así como su análogo extranjero LM124. KR1446UD1A se puede reemplazar con un microcircuito de esta serie con índice B o C, sin embargo, es posible que la corriente residual (después de apagar los reguladores de corriente) sea demasiado grande o no exista en absoluto. Ambos son indeseables. KR142EN19A se puede reemplazar con un TL431 analógico extranjero en cualquier versión. Además de los indicados en el diagrama, el dispositivo puede utilizar transistores de efecto de campo de la serie KP303 con otros índices de letras, sin embargo, su tensión de corte no debe ser superior a 3 y, preferiblemente, no inferior a 0,5 V. KT814A puede ser reemplazado por transistores de esta serie con índices B, V. La instancia a utilizar en el regulador de corriente forzada (VT4) debe tener un coeficiente de transferencia de corriente base estática de al menos 70 con una corriente de emisor de 300 mA. Si se cumple esta condición, es posible utilizar un transistor de la serie KT816. KT3107A son intercambiables con cualquiera de esta serie. Diodos KD212: con cualquier índice de letras. Los LED L-53LYD (amarillo) y L-53LID (rojo) de Kingbright se caracterizan por una baja corriente de funcionamiento (los parámetros de iluminación están normalizados a una corriente de 2 mA) y pueden reemplazarse por otros similares con una corriente directa máxima permitida de al menos 7 mA. HL3: cualquier LED verde. Emisor piezoeléctrico HA1 - NPM14AX de JL World con un generador 3H incorporado (consumo de corriente - no más de 7 mA). Para configurar la corriente de carga (R23), se recomienda utilizar una resistencia variable bobinada, por ejemplo, PPZ-40, PPZ-41, y configurar los voltajes de referencia (R3, R6, R11) - bobinado multivuelta SP5- 2, SP5-3 y similares. Las piezas del cargador están montadas en una placa de circuito impreso colocada en una caja de plástico. El compartimento para la batería está abierto, como contactos se utilizan contactos del mismo propósito del Avómetro doméstico M4317. Se debe prestar especial atención al montaje del sensor de temperatura DA2 (fig. 2, pos. 4).
El microcircuito LM335Z tiene una carcasa de plástico para "transistor" KT-26 (TO-92). Se fija con su lado plano al contacto positivo 2 del compartimento de la batería mediante una fina capa de pasta termoconductora que no se seca. Si hay baja resistencia eléctrica entre el terminal positivo 1 y el terminal 2 de la batería, entonces el contacto térmico será bueno. Hay que recordar que la masa y superficie del contacto y las piezas metálicas adyacentes deben ser lo más pequeñas posible. Esto asegurará una menor pérdida de calor "en el camino" desde la batería al sensor y, por lo tanto, aumentará la precisión de la determinación de la temperatura. Para ello se colocan arandelas dieléctricas 6 debajo de las cabezas de los tornillos 2 que sujetan el contacto 8 a la base 7. El sensor 4 está "unido" al contacto mediante un trozo de cable MGTF 5 (sus extremos están soldados al contacto) y se rellena con una fina capa de pegamento epoxi alrededor del perímetro del cuerpo. La pared de la carcasa 3 sirve como tope, limitando la curvatura del contacto 2. Durante la carga, el transistor VT4 libera potencia de hasta 1,5 W, por lo que se monta verticalmente sobre una placa de duraluminio de 20x30x0,8 mm. En la pared superior del cuerpo del dispositivo hay LED HL1 - HL3 y una resistencia variable R23, cuya perilla de control está equipada con una escala redonda para configurar la corriente de carga. En la versión del autor, la escala está graduada en valores de capacidad (de 250 a 1000 mAh), lo que facilita evitar errores en la configuración de la corriente. La campana piezoeléctrica HA1 es de pequeñas dimensiones y tiene conductores rígidos, por lo que se instala en el tablero sin necesidad de fijación adicional. La configuración del dispositivo comienza con la calibración del sensor de temperatura DA2. Primero, configure el voltaje de referencia UT en el pin 3 de DA5.1. Para ello, aplique una tensión constante de 4,5...5,5 V a la entrada, mida la temperatura T (en grados Kelvin) en el lugar donde está instalado el cargador y calcule la tensión de referencia Uobr = T/100 correspondiente a esta temperatura. . Recordemos que la temperatura en grados Kelvin es igual a la temperatura en grados Celsius + 273. Luego mida el voltaje real Umeas en el pin 2 de DA2 (o, lo que es lo mismo, en el mismo pin de DA5.1) y calcule el cambio en la característica de temperatura de DA2 usando la fórmula Δ = Uobr - Uiz. Después de esto, la resistencia R3 establece el voltaje de referencia UT = 3,06 - Δ (teniendo en cuenta el signo del desplazamiento). Luego, utilizando las resistencias ajustadas R6 y R11, los voltajes de referencia se establecen secuencialmente en 1,4 y 1,48 V, respectivamente (la desviación permitida no es más de ±0,02 V). Finalmente, se calibra la escala de la resistencia variable R23. Para hacer esto, conecte un amperímetro a los contactos del compartimiento de la batería, aplique un voltaje de 4,5...5,5 V a la entrada y gire el control deslizante de la resistencia R23 para lograr una corriente de 25 mA. En la escala, la marca correspondiente a este valor actual se indica como 250 mAh. Las marcas de 350, 500, 750 y 1000 mAh están calibradas de la misma forma. Literatura
Autor: M.Bogdanov, Sarov, región de Nizhny Novgorod.
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