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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Cargador de batería rápido
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Cargadores, baterías, celdas galvánicas El dispositivo descrito en el artículo está diseñado para la carga acelerada de baterías Ni-Cd y Ni-MH con una corriente decreciente exponencialmente. Sus ventajas incluyen la capacidad de seleccionar el tiempo de carga en el rango de 45 minutos a 3 horas, facilidad de fabricación y ajuste, no calentamiento de las baterías al final de la carga, la capacidad de controlar visualmente el proceso de carga, recuperación automática del proceso cuando la energía se apaga y luego se enciende, facilidad de uso. El dispositivo se puede utilizar como soporte para medir las características de carga y descarga de las baterías. Cuando se carga con una corriente constante grande (0.5 E o más, donde E es la capacidad de la batería), la batería comienza a calentarse después de una carga del 75 al 80 %, y las baterías de Ni-MH se calientan más que las de Ni-Cd [1]. Una vez que la batería está completamente cargada, la temperatura aumenta rápidamente [1] y, si este proceso no se detiene a tiempo, termina con la batería incendiándose o explotando. La temperatura de terminación de carga recomendada es +45 °С [2]. Sin embargo, este criterio solo es adecuado en caso de emergencia: la combinación de sobrecarga con sobrecalentamiento reduce la capacidad de la batería y, por lo tanto, acorta su vida útil. Alcanzar un cierto voltaje en la batería tampoco es un criterio satisfactorio para el final del proceso. El caso es que su valor correspondiente a una carga completa no se conoce de antemano, ya que depende de la temperatura y la "edad" de la batería. Un error de unos pocos milivoltios hace que la carga de la batería nunca termine o termine demasiado pronto [3]. Cuando se carga con una corriente constante, es fácil controlar la carga: es directamente proporcional a la duración del proceso. En particular, su valor se puede establecer igual a la capacidad nominal de la batería. Pero con el tiempo, su capacidad disminuye y al final de su vida útil es aproximadamente el 80% del valor nominal. Por tanto, limitar la carga a la capacidad nominal no garantiza la ausencia de sobrecarga y sobrecalentamiento de las baterías y, por tanto, no puede ser el único criterio para el final de la carga. El criterio más difícil para el final del proceso es el momento en que el voltaje de la batería alcanza un máximo y luego comienza a disminuir. El voltaje máximo en la batería corresponde a una carga completa, pero en [2] se muestra que es consecuencia del calentamiento de la batería en el proceso de recuperación de carga. El valor máximo es muy pequeño, especialmente para las baterías de Ni-MH (alrededor de 10 mV), por lo que se utilizan ADC o convertidores de voltaje a frecuencia para detectarlo [2]. A la hora de cargar una batería, la tensión máxima de sus diferentes elementos se alcanza en distintos momentos, por lo que es conveniente controlar cada uno de ellos por separado. Además, hay baterías con una característica de carga anormal, en las que este máximo está ausente. En otras palabras, monitorear solo el voltaje no es suficiente, también es necesario controlar tanto la temperatura como la cantidad de carga que pasa a través de la batería. Así, al cargar una batería con una gran corriente constante, es necesario controlar cada uno de sus elementos según varios criterios, lo que complica el cargador. Solo la carga con una corriente baja (no más de 0,2 E) no provoca un sobrecalentamiento de emergencia de las baterías, incluso con una recarga grande. En este caso, no es necesario controlar el estado de cada elemento, el cargador resulta muy simple, pero su desventaja también es obvia: un tiempo de carga prolongado. Hay cargadores en los que la corriente de carga inicialmente grande disminuye con el tiempo [4-6]. En este caso, tampoco es necesario monitorear el estado de cada celda de la batería. Pero en estos dispositivos no hay control de la cantidad de carga, y se utiliza como criterio de carga completa la consecución de un determinado voltaje, lo que, como se ha mencionado anteriormente, no es satisfactorio. En [7] se describe un cargador en el que la batería se carga como un condensador desde una fuente de tensión constante a través de una resistencia. En este caso, la corriente de carga teóricamente debería disminuir exponencialmente con el tiempo con una constante de tiempo igual al producto de la capacidad equivalente de la batería y la resistencia de esta resistencia. En la práctica, la dependencia de la corriente de carga con el tiempo difiere de la exponencial, ya que la capacitancia equivalente y la impedancia de salida de la fuente cambian durante el proceso de carga. Pero incluso si ignoramos la diferencia indicada, entonces se desconoce el parámetro más importante, la constante de tiempo de carga, por lo que es imposible controlar la carga que pasa a través de la batería. Por lo tanto, la carga finaliza nuevamente cuando se alcanza un cierto voltaje ... En el dispositivo propuesto, se elige la corriente de carga en forma de pulso decreciente exponencialmente porque es fácil de implementar utilizando el circuito RC más simple. Termina de forma natural, eliminando la necesidad de un temporizador para apagar las baterías después de un tiempo predeterminado, y la carga está limitada incluso si las baterías están en el cargador durante mucho tiempo. Es esencial que la corriente de carga sea generada por un generador de corriente, por lo que su valor y forma no dependen ni del voltaje de las baterías ni de la no linealidad de sus características de carga. Durante la carga, la corriente a través de las baterías I disminuye exponencialmente: I = l0exp(-t/T0), (1) donde t es el tiempo; l0 - corriente de carga inicial; T0 es la constante de tiempo de carga. En este caso, cada batería recibe una carga q, que se estima mediante la expresión q = I0T0[1 - exp(-t/T0)] = (I0 - I)T0. (2) Los gráficos de las dependencias de I y q del tiempo t se presentan en la fig. una.
Se puede observar que durante el tiempo 0T0,95 la carga alcanza el valor 0I0T0 y luego se aproxima al valor I0T0. Se recomienda elegir los valores de I0 y TXNUMX según las fórmulas I0 \u0d nE, T1 \u1.2,3,4d 3 h / n, donde n \uXNUMXd XNUMX. (XNUMX) El valor más conveniente es n \u1d 3. La corriente de carga inicial en este caso es igual a la capacidad eléctrica E, el tiempo de carga es de 2 horas (prácticamente puede dejar las baterías en el cargador durante la noche y por la mañana estarán completamente cargadas). Si dicho tiempo de carga es demasiado largo, el valor de n aumenta. En n = 1,5, serán 2 horas con una corriente de carga inicial de 3E. Este modo es adecuado para baterías Ni-Cd y Ni-MH. El aumento de n a 1 reduce el tiempo de carga a 4 hora, pero la corriente de carga inicial aumenta a 45E. Finalmente, en n = 4, el tiempo de carga se reduce a XNUMX min y la corriente de carga inicial se incrementa a XNUMXE. Valores de n igual a 3 y 4 son aceptables para baterías de Ni-Cd, ya que su resistencia interna es baja (menos de 0,1 ohm). En cuanto a las baterías Ni-MH, su resistencia interna es varias veces mayor, por lo que una gran corriente puede calentarlas al comienzo de la carga, lo cual es inaceptable. No se recomiendan valores superiores a 4. Es posible elegir I0 5% mayor que el determinado por la fórmula (3). Entonces el tiempo de carga exacto será de 3 h/n, y un 5% adicional de recarga no es significativo. El principio de funcionamiento del dispositivo se ilustra en la Fig. 2.
El condensador C1, precargado al voltaje U0l, se descarga a través del amplificador de corriente A1 con resistencia de entrada Rin y ganancia de corriente Ki. La corriente en el circuito de entrada del amplificador Iin | P está determinada por la expresión lin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (cuatro) La corriente en el circuito de salida del amplificador I = Kilin carga la batería GB1: I = KlU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0exp(-t/RinC1), (5) donde S = Ki/Rin es la pendiente de ganancia del amplificador cuando se ve como un convertidor de voltaje a corriente. Comparando (2) y (5), tenemos Т0 = RinC1, I0 = KU0/Rin = SU0.(6) Es conveniente elegir U0 = 1 V, C1 = 1000 μF, luego de (3) se sigue que Rin = 3,6 MΩ/n, S = nE, Ki = SRin = 3600000E. (7) Por ejemplo, en E = 1 Ah y n = 1, los siguientes parámetros deberían ser: Rin=3,6 MΩ, S=1 A/V, K=3600000=131 dB. El diagrama esquemático del dispositivo se muestra en la fig. 3.
El amplificador de corriente se ensambla en el amplificador operacional DA2.1 y los transistores VT2 y VT3. El voltaje de suministro del amplificador operacional está estabilizado por el chip DA1. El nodo en el transistor VT1 controla el valor de este voltaje. Cuando es normal, este transistor está abierto, la corriente fluye a través de la bobina del relé K1, los contactos del relé K1.1 están cerrados, el LED HL1 se enciende, lo que indica el funcionamiento normal del dispositivo. El interruptor SA1 selecciona el modo de carga: corriente continua (cuando sus contactos están cerrados) o exponencialmente decreciente (cuando están abiertos). Las resistencias R2 y R3 forman un divisor de voltaje. El voltaje en el motor de la resistencia variable R3 determina la corriente de carga. En el modo "Constante", este voltaje se alimenta a través de la resistencia R1 y los contactos cerrados del relé K1.1 a la entrada no inversora del amplificador operacional. Su corriente de salida es amplificada por los transistores VT2, VT3 y está configurada para que los voltajes a través de las resistencias R11 y R5 sean iguales. La ganancia de corriente K, = R5/R11 y con los valores nominales indicados en el diagrama es aproximadamente igual a 107, y la pendiente de conversión de tensión b corriente S=1/R11=ZA/V. En el modo "Decreciente" (los contactos del interruptor SA1 están abiertos), el capacitor C2 con una capacidad de 1000 μF se descarga a través de la resistencia R5 con una constante de tiempo seleccionada por la fórmula (3). La corriente que disminuye exponencialmente a través de este condensador es amplificada por el amplificador operacional DA2.1 y los transistores VT2, VT3 y carga las baterías conectadas al conector X1 ("Salida"). El diodo VD2 evita que se descarguen cuando se corta la tensión de alimentación. El amperímetro PA1 se utiliza para controlar el valor actual de la corriente de carga. El condensador C5 evita la autoexcitación del dispositivo. Resistencias R4, R8-R10 - limitación de corriente. Protegen el amplificador operacional y el transistor VT2 en situaciones de emergencia, por ejemplo, cuando se rompe la resistencia R11 o se rompe el transistor VT3, evitando la falla de otros elementos. Cuando se apaga la alimentación en el modo de carga con una corriente decreciente, el transistor VT1 se cierra y el relé abre los contactos K1.1, evitando una mayor descarga del capacitor C2. El LED HL1 se apaga, lo que indica un corte de energía. Con el restablecimiento de la energía, el transistor VT1 se abre, el relé K1 cierra los contactos K1.1 y la carga de la batería continúa automáticamente desde el valor actual en el que se interrumpió. El LED HL1 se enciende de nuevo, lo que indica la reanudación de la carga. Al presionar el botón SB1, puede detener brevemente la carga al eliminar las características de carga. En este caso, el condensador C4 evita la penetración de interferencias de red en la entrada del amplificador operacional. El dispositivo está ensamblado en una placa de circuito impreso universal y alojado en una carcasa con dimensiones de 310x130x180 mm. Las pilas AA se colocan en una ranura en la tapa superior de la caja. Los enchufes de contacto están hechos en forma de piezas de cinta de hojalata, que se presionan contra las baterías mediante un resorte desde un compartimiento estándar para una celda AA. No fluye corriente a través del resorte. Cabe señalar que los compartimentos de plástico disponibles comercialmente solo son adecuados para corrientes que no superen los 500 mA. El hecho es que la corriente que fluye a través de los resortes de contacto los calienta, mientras que las baterías también se calientan. Ya a una corriente de 1 A, los resortes se calientan tanto que derriten la pared de la carcasa de plástico del compartimiento, imposibilitando su uso posterior. El transistor VT3 está montado en un disipador de calor acanalado con un área de superficie de 600 cm2, el diodo VD2 está montado en un disipador de calor de placa con un área de 50 cm2. La resistencia R11 se compone de tres resistencias MLT-1 conectadas en paralelo con una resistencia de 1 ohm. Todas las conexiones de alta corriente se realizan con piezas de alambre de cobre con una sección transversal de 3 mm2, que se sueldan directamente a las conexiones de las partes correspondientes. El amplificador operacional K1446UD4A (DA2) se puede reemplazar con un chip K1446UD1A u otro de esta serie, pero de los dos amplificadores operacionales, debe elegir el que tenga el voltaje de polarización más bajo. El segundo amplificador operacional se puede utilizar como parte de un puente sensible a la temperatura [8] para el apagado de emergencia de las baterías cuando se sobrecalientan durante la carga de CC (no se observó sobrecalentamiento de las baterías al cargar con corriente decreciente). En el caso de utilizar otro tipo de op-amp, hay que tener en cuenta que en este diseño su alimentación es unipolar, por lo que debe estar operativo a tensión cero en ambas entradas. El microcircuito KR1157EN601A (DA1) es reemplazable por el estabilizador de esta serie con índice B, así como por el microcircuito de la serie K1157EN602, sin embargo, este último tiene un "pinout" diferente [9]. Transistor VT1: cualquiera de las series KP501, VT2 debe tener un coeficiente de transferencia de corriente estática de la base h21E de al menos 100. El transistor KT853B (VT3) difiere en que su h21E excede 1000. Se pueden usar otros tipos de transistores como VT2, VT3, pero la ganancia de corriente total debe exceder 100. El condensador C2, que establece la constante de tiempo de carga T0, debe tener una capacitancia estable, no necesariamente igual al valor nominal indicado en el diagrama, ya que el valor requerido de T0 se establece al ajustar la selección de la resistencia R5. El autor usó un capacitor de óxido Jamicon con un gran margen de voltaje (25 veces). Relé K1 - interruptor de láminas EDR2H1A0500 de ECE con un voltaje y corriente de operación, respectivamente, 5 V y 10 mA. Un posible reemplazo es un relé KUTs-1 de fabricación nacional (pasaporte RA4.362.900). El amperímetro PA1 debe estar diseñado para la corriente de carga máxima (en la versión del autor, el dispositivo M4200 se usó para la corriente ZA). El fusible FU1 es un MF-R300 de reinicio automático de BOURNS [10]. La configuración del dispositivo se reduce a configurar el valor requerido de la constante de tiempo de carga T0, seleccionado por la fórmula (3). La resistencia de la resistencia R5 se elige igual a Rin según la fórmula (7), asumiendo que la capacitancia del capacitor C2 es exactamente 1000 μF. En lugar de baterías, se incluye un amperímetro digital. Antes de encender, tanto al cargar las baterías como al configurar el dispositivo, el control deslizante de la resistencia variable R3 se mueve a la posición inferior (según el diagrama) y los contactos del interruptor SA1 están cerrados (esto es necesario para descargar el condensador C2). Luego, se enciende la alimentación y, al mover el control deslizante de la resistencia R3, la corriente inicial l0 se establece en aproximadamente 1 A. A continuación, SA1 se transfiere a la posición "Decreciente". Después de un tiempo T1 (aproximadamente igual a T0), se mide la corriente i1. El valor de resistencia corregido de la resistencia R5* se calcula mediante la fórmula R5* = R5[ln(l0/I1)]. Finalmente, se instala una resistencia R5 con una resistencia igual a este valor corregido. Las baterías antes de cargarlas deben descargarse a una tensión de 1...1,1 V para evitar su sobrecarga y la manifestación del efecto memoria [2]. Si las baterías se calientan durante la descarga, deben enfriarse a temperatura ambiente (0...+30 °С [2]) antes de cargarlas. Antes de conectar las baterías al cargador, debe asegurarse de que esté desenergizado, el control deslizante de la resistencia R3 esté en la posición inferior (según el diagrama) y SA1 esté en la posición "Constante". Además, observando la polaridad, instale las baterías, encienda la alimentación y use la resistencia variable R3 para establecer la corriente inicial l0 de acuerdo con la fórmula (3). Después de eso, SA1 se transfiere a la posición "Decreciente", y después del tiempo de XNUMX, las baterías están listas para usar. Para alimentar el dispositivo, necesita una fuente de voltaje de 8 a 24 V, que se puede desestabilizar. Puede cargar de una a diez celdas al mismo tiempo. La tensión de alimentación mínima, teniendo en cuenta el rizado, debe ser de 2 V por celda más 4 V (pero dentro de los límites especificados). El dispositivo se puede usar como soporte para tomar no solo las características de carga, sino también las de descarga de las baterías. En este último caso, la batería bajo prueba debe conectarse al dispositivo en polaridad inversa. El voltaje en sus electrodos debe monitorearse constantemente con un voltímetro. No se debe permitir que cambie su polaridad, para no causar la destrucción de emergencia de la batería. Por esta razón, no se recomienda descargar una batería de varias celdas conectadas en serie de esta manera, ya que es posible perder el momento de falla de la celda con menor capacidad. Literatura
Autor: M. Evsikov, Moscú
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