Автоматическое зарядное устройство аккумуляторной батареи

Общеизвестно, что аккумуляторная батарея будет служить долго лишь при соблюдении правильного режима эксплуатации. На ее состояние отрицательно сказывается как перезарядка, так и глубокая разрядка. За последние годы в "Радио" были опубликованы описания двух устройств с автоматическим отключением аккумуляторной батареи по окончании зарядки [1, 2]. Но они, на мой взгляд, имеют существенный недостаток - время зарядки всегда не минимально, так как зарядный ток не стабилизирован и в процессе зарядки "плавает" из-за изменения напряжения источника питания и внутреннего сопротивления батареи. Кроме того, в одном из этих устройств [2] от заряжающейся батареи питается источник образцового напряжения, который потребляет значительный ток, и после отключения тока зарядки батарея разряжается через стабилитрон.

Предлагаемое зарядное устройство (рис.1) свободно от этих недостатков и обладает расширенными возможностями. Зарядный ток батареи стабилизирован. Устройство может быть встроено в бытовую радиоаппаратуру, а также использовано в системах аварийного питания. Порог отключения тока зарядки соответствует максимальному напряжению батареи, а порог включения зарядного тока - минимальному ее напряжению. Устройство предназначено для зарядки батареи из семи дисковых аккумуляторов Д-0,06, Д-0,1, Д-0,25, Д-0,5 и аналогичных малогабаритных.

Основные технические характеристики:
Напряжение источника питания, В 12...15
Ток зарядки, мА 0...50
Напряжение порога отключения тока зарядки, В 10
Напряжение порога включения тока зарядки, В 7
Длительность цикла зарядка-измерение, мин 2
Время измерения, с 1

Источник тока зярядки батареи GB1 образуют транзисторы VT1, VT2, диод VD3, светодиод HL1 и резисторы R8, R9. Ключевой транзистор VT1 управляет источником тока. Свегодиод HL1 служит одновременно источником образцового напряжения, которое подается на базу регулирующего транзистора VT2, и индикатором зарядки батареи. Резистор R8 ограничивает ток через светодиод. Подстроечным резистором R9 устанавливают ток зарядки, протекающий через транзистор VT2. Диод VD3 предотвращает разрядку батареи через устройство в случае отключения от него источника напряжения питания. Стабилитрон VD2, резистор R6 и конденсатор C2 образуют стабилизатор напряжения питания микросхемы DD1 узла автоматики зарядного устройства.

На логических элементах DD1.1, DD1.2 микросхемы, резисторах R1, R2, диоде VD1 и конденсаторе C1 собран генератор, формирующий импульсы длительностью около 1 с и периодом следования около 2 мин. Эти импульсы отключают источник тока на время измерения напряжения заряжаемой батареи. Элементы DD1.3, DD1.4 и резисторы R3, R4 образуют триггер Шмитта, контролирующий степень заряженности батареи.

Работу устройства иллюстрируют временные диаграммы, показанные на рис.2. При включении источника питания (t₁ на рис.2) элемент DD1.3 триггера Шмитта устанавливается в единичное состояние и напряжением высокого уровня, поступающим на входной вывод 2 элемента DD1.1, разрешает работу генератора (диаграмма 2). Когда на выходе элемента DD1.2 появляется сигнал высокого уровня (диаграмма 3), он открывает транзистор VT1 и, таким образом, включает источник тока зарядки батареи на время приблизительно 2 мин.

Одновременно сигнал низкого уровня с выхода элемента DD1.1 (диаграмма 2) поступает на вывод 8 элемента DD1.3 и блокирует работу триггера Шмитта. Далее на выходе элемента DD1.2 появляется сигнал низкого уровня, транзистор VT1 закрывается и прекращается зарядка батареи. В этот момент высокий уровень напряжения на выходе элемента DD1.1 генератора разрешает работу триггера Шмитта. Измерение продолжается около 1 с, после чего генератор вновь включает источник тока и цикл зарядка-измерение повторяется. Так длится до тех пор, пока напряжение на батарее не станет равным 10 В (диаграмма 5) и в очередном периоде измерения напряжение, снимаемое с делителя R10R11, достигнет порога переключения триггера Шмитта. Теперь на выходе элемента DD1.3 триггера будет низкий уровень, который, действуя на вход 2 элемента DD1.1, запрещает работу генератора. При этом источник тока выключится - прекратится процесс зарядки батареи (момент t₂ на рис.2).

Зарядившаяся батарея может долго оставаться подключенной к устройству, что практически не отражается на ее состоянии, так как через делитель R10R11 протекает незначительный ток - около 100 мкА. Триггер Шмитта при этом находится в состоянии контроля за напряжением батареи. Но если в процессе разрядки напряжение на батарее снизится до 7 В, то григгер переключится в исходное состояние и начнется подзарядка батареи. Этот режим особо необходим при использовании устройства в системах аварийного питания, например, в электронных часах - для предотвращения сбоя показаний при пропадании напряжения сети. Циклы зарядка-измерение будут повторяться, пока батарея не зарядится до 10 В.

В литературе приводятся различные, нередко противоречивые сведения по режимам зарядки и номинальному напряжению, до которого необходимо заряжать дисковые аккумуляторы. Практика показывает, что напряжение на батарее после окончания зарядки медленно уменьшается по мере завершения химических процессов в ее элементах. В предлагаемом устройстве время измерения мало и напряжение на батарее измеряется без нагрузки. При таком режиме зарядки и измерения батарея набирает номинальное количество энергии при напряжении большем номинальгюго - 10 В (изготовители батарей рекомендуют номинальное значение 9,45 В).

Микросхема DD1, используемая в зарядном устройстве, может быть К176ЛА7 или К561ЛА7. Транзистор КТ312Б можно заменить любым из серии КТ315, КТ316, а КТ814А - любым P-N-P транзистором средней мощности. Светодиод HL1 - любой на номинальный ток 10 мА. Диод КД522А заменим на Д220, КД503Б, а КД103А - на КД102А, КД104А; стабилитрон VD2 - на любой другой на напряжение стабилизации около 9 В. Конденсатор C1 - неполярный К50-4 или K50-15; C2 - К50-6 или К50-12. Подстроечные резисторы - СПО, остальные МЛТ. Неполярный оксидный конденсатор C1 можно заменить двумя полярными такой же емкости на номинальное напряжение 10 В, включенными как в [1].

Все детали устройства, кроме светодиода, разъемного соединителя X1 для подключения заряжаемой батареи и подстроечных резисторов R9 и R14, находящихся на лицевой панели корпуса, смонтированы на печатной плате (рис.3), выполненной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Постоянные резисторы, диоды и конденсаторы установлены на плате в вертикальном положении.

Если нет ошибок в монтаже и детали исправны, то устройство сразу начинает работать. Надо только отрегулировать напряжение срабатывания узла автоматики и установить необходимый ток зарядки батареи. Делают это в следующем порядке. Движок резистора R9 устанавливают в положение максимального, а резистора R11 - в положение минимального сопротивления. Вывод 1 элемента DD1.1 соединяют с плюсовым выводом питания микросхемы DD1. К разъему X1 вместо батареи подключают резистор сопротивлением 510 Ом. Затем на устройство подают напряжение питания и резистором R9 устанавливают необходимый ток зарядки батареи (для 7Д-0,115 - 11,5 мА). Далее на верхний по схеме вывод резистора R10 подают от вспомогательного источника постоянное напряжение 10 В и медленно увеличивают сопротивление резистора R11 до момента погасания светодиода HL1. Затем, медленно уменьшая напряжение дополнительного источника, фиксируют момент включения светодиода. Если светодиод включился при напряжении менее 7 В, то резистор R4 заменяют другим, меньшего сопротивления, а если более 7 В, то резистором большего сопротивления и повторяют регулировку резистором R11.

Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Нечаев И. Автоматическое зарядное устройстве. - Радио, 1985, №12, стр.45
2. Александров И. Автоматическое зарядное устройство. - Радио, 1990, №5, стр.39

Н.Скриндевский
г. Москва
Радио, №12, 1991 г.