Электрические схемы бесплатно. Схемы зарядных устройств для малогабаритных аккумуляторов

Кто не сталкивался в своей практике с необходимостью зарядки батареи и, разочаровавшись в отсутствии зарядного устройства с необходимыми параметрами, вынужден был приобретать новое ЗУ в магазине, либо собирать вновь нужную схему?
Вот и мне неоднократно приходилось решать проблему зарядки различных аккумуляторных батарей, когда под рукой не оказывалось подходящего ЗУ. Приходилось на скорую руку собирать что-то простое, применительно к конкретному аккумулятору.

Ситуация была терпимой до того момента, пока не появилась необходимость в массовой подготовке и, соответственно, зарядке батарей. Понадобилось изготовить несколько универсальных ЗУ - недорогих, работающих в широком диапазоне входных и выходных напряжений и зарядных токов.

Предлагаемые ниже схемы ЗУ были разработаны для зарядки литий-ионных аккумуляторов, но существует возможность зарядки и других типов аккумуляторов и составных батарей (с применением однотипных элементов, далее - АБ).

Все представленные схемы имеют следующие основные параметры:
входное напряжение 15-24 В;
ток заряда (регулируемый) до 4 А;
выходное напряжение (регулируемое) 0,7 - 18 В (при Uвх=19В).

Все схемы были ориентированы на работу с блоками питания от ноутбуков либо на работу с другими БП с выходными напряжениями постоянного тока от 15 до 24 Вольт и построены на широко распространенных компонентах, которые присутствуют на платах старых компьютерных БП, БП прочих устройств, ноутбуков и пр.

Схема ЗУ № 1 (TL494)

На инверсный вход (вывод 2) этого же усилителя ошибки подается регулируемое посредством переменного резистора PR1, напряжение сравнения с встроенного в микросхему источника опорного напряжения (ИОН - вывод 14), меняющего разность потенциалов между входами усилителя ошибки.
Как только величина напряжения на R10 превысит значение напряжения (установленного переменным резистором PR1) на выводе 2 микросхемы TL494, зарядный импульс тока будет прерван и возобновлен вновь лишь при следующем такте импульсной последовательности, вырабатываемой генератором микросхемы.
Регулируя таким образом ширину импульсов на затворе транзистора VT2, управляем током зарядки АБ.

Транзистор VT1, включенный параллельно затвору мощного ключа, обеспечивает необходимую скорость разрядки затворной емкости последнего, предотвращая «плавное» запирание VT2. При этом амплитуда выходного напряжения при отсутствии АБ (или прочей нагрузки) практически равна входному напряжению питания.

При активной нагрузке выходное напряжение будет определяться током через нагрузку (её сопротивлением), что позволит использовать эту схему в качестве драйвера тока.

При заряде АБ напряжение на выходе ключа (а, значит, и на самой АБ) в течении времени будет стремиться в росте к величине, определяемой входным напряжением (теоретически) и этого, конечно, допустить нельзя, зная, что величина напряжения заряжаемого литиевого аккумулятора должна быть ограничена на уровне 4,1 В (4,2 В). Поэтому в ЗУ применена схема порогового устройства, представляющего из себя триггер Шмитта (здесь и далее - ТШ) на ОУ КР140УД608 (IC1) или на любом другом ОУ.

При достижении необходимого значения напряжения на АБ, при котором потенциалы на прямом и инверсном входах (выводы 3, 2 - соответственно) IC1 сравняются, на выходе ОУ появится высокий логический уровень (практически равный входному напряжению), заставив зажечься светодиод индикации окончания зарядки HL2 и светодиод оптрона VH1 который откроет собственный транзистор, блокирующий подачу импульсов на выход U1. Ключ на VT2 закроется, заряд АБ прекратится.

По окончании заряда АБ он начнет разряжаться через встроенный в VT2 обратный диод, который окажется прямовключенным по отношению к АБ и ток разряда составит приблизительно 15-25 мА с учетом разряда кроме того через элементы схемы ТШ. Если это обстоятельство кому-то покажется критичным, в разрыв между стоком и отрицательным выводом АБ следует поставить мощный диод (лучше с малым прямым падением напряжения).

Гистерезис ТШ в этом варианте ЗУ выбран таким, что заряд вновь начнется при понижении величины напряжения на АБ до 3,9 В.

Это ЗУ можно использовать и для заряда последовательно соединенных литиевых (и не только) АБ. Достаточно откалибровать с помощью переменного резистора PR3 необходимый порог срабатывания.
Так, например, ЗУ, собранный по схеме 1, функционирует с трехсекционной последовательной АБ от ноутбука, состоящей из сдвоенных элементов, которая была смонтирована взамен никель-кадмиевой АБ шуруповерта.
БП от ноутбука (19В/4,7А) подключен к ЗУ, собранному в штатном корпусе ЗУ шуруповерта взамен оригинальной схемы. Зарядный ток «новой» АБ составляет 2 А. При этом транзистор VT2, работая без радиатора нагревается до температуры 40-42 С в максимуме.
ЗУ отключается, естественно, при достижении напряжения на АБ=12,3В.

Гистерезис ТШ при изменении порога срабатывания остается прежним в ПРОЦЕНТНОМ отношении. Т.е., если при напряжении отключения 4,1 В, повторное включение ЗУ происходило при снижении напряжения 3,9 В, то в данном случае повторное включение ЗУ происходит при снижении напряжения на АБ до 11,7 В. Но при необходимости глубину гистерезиса можно изменить.

Калибровка порога и гистерезиса зарядного устройства

Настройка токового режима еще проще.
1. Отключаем пороговое устройство любыми доступными (но безопасными) способами: например, «посадив» движок PR3 на общий провод устройства или «закорачивая» светодиод оптрона.
2. Вместо АБ подключаем к выходу ЗУ нагрузку в виде 12-вольтовой лампочки (например, я использовал для настройки пару 12V ламп на 20 Вт).
3. Амперметр включаем в разрыв любого из проводов питания на входе ЗУ.
4. Устанавливаем на минимум движок PR1 (максимально влево по схеме).
5. Включаем ЗУ. Плавно вращаем ручку регулировки PR1 в сторону роста тока до получения необходимого значения.
Можете попробовать поменять сопротивление нагрузки в сторону меньших значений ее сопротивления, присоединив параллельно, скажем, ещё одну такую же лампу или даже «закоротить» выход ЗУ. Ток при этом не должен измениться значительно.

В процессе испытаний устройства выяснилось, что частоты в диапазоне 100-700 Гц оказались оптимальными для этой схемы при условии использования IRF3205, IRF3710 (минимальный нагрев). Так как TL494 используется неполно в этой схеме, свободный усилитель ошибки микросхемы можно использовать, например, для работы с датчиком температуры.

Следует иметь в виду и то, что при неправильной компоновке даже правильно собранное импульсное устройство будет работать некорректно. Поэтому не следует пренебрегать опытом сборки силовых импульсных устройств, описанном в литературе неоднократно, а именно: все одноименные «силовые» соединения следует располагать на кратчайшем расстоянии относительно друг друга (в идеале - в одной точке). Так, например, точки соединения такие, как коллектор VT1, выводы резисторов R6, R10 (точки соединения с общим проводом схемы), вывод 7 U1 - следует объединить практически в одной точке либо посредством прямого короткого и широкого проводника (шины). То же касается и стока VT2, вывод которого следует «повесить» непосредственно на клемму "-" АБ. Выводы IC1 также должны находиться в непосредственной «электрической» близости к клеммам АБ.

Схема ЗУ № 2 (TL494)

Как видно, для быстрой смены токового режима и работы с разным количеством последовательно соединенных элементов, введены фиксированные настройки с подстроечными резисторами PR1-PR3 (установка тока), PR5-PR7 (установка порога окончания зарядки для разного количества элементов) и переключателей SA1 (выбор тока зарядки) и SA2 (выбор количества заряжаемых элементов АБ).
Переключатели имеют по два направления, где вторые их секции переключают светодиоды индикации выбора режима.

Ещё одно отличие от предыдущего устройства - использование второго усилителя ошибки TL494 в качестве порогового элемента (включенного по схеме ТШ), определяющего окончание зарядки АБ.

Ну, и, конечно, в качестве ключа использован транзистор р-проводимости, что упростило полное использование TL494 без применения дополнительных компонентов.

Методика настройки порогов окончания зарядки и токовых режимов такая же , как и для настройки предыдущей версии ЗУ. Разумеется, для разного количества элементов, порог срабатывания будет меняться кратно.

При испытании этой схемы был замечен более сильный нагрев ключа на транзисторе VT2 (при макетировании использую транзисторы без радиатора). По этой причине следует использовать другой транзистор (которого у меня просто не оказалось) соответствующей проводимости, но с лучшими токовыми параметрами и меньшим сопротивлением открытого канала, либо удвоить количество указанных в схеме транзисторов, включив их параллельно с раздельными затворными резисторами.

Использование указанных транзисторов (в «одиночном» варианте) не критично в большинстве случаев, но в данном случае размещение компонентов устройства планируется в малогабаритном корпусе с использованием радиаторов малого размера или вовсе без радиаторов.

Схема ЗУ № 3 (TL494)

Схема ЗУ № 3а (TL494)

Схема ЗУ № 4 (TL494)

Такой модуль всегда пригодится для стендовых испытаний как АБ, так и прочих устройств. Имеет смысл использование встроенных приборов (вольтметр, амперметр). Формулы расчета накопительных и помеховых дросселей описаны в литературе. Скажу лишь, что использовал готовые различные дроссели (с диапазоном указанных индуктивностей) при испытаниях, экспериментируя с частотой ШИМ от 20 до 90 кГц. Особой разницы в работе регулятора (в диапазоне выходных напряжений 2-18 В и токов 0-4 А) не заметил: незначительные изменения в нагреве ключа (без радиатора) меня вполне устраивали. КПД, однако, выше при использовании меньших индуктивностей.
Лучше всего регулятор работал с двумя последовательно соединенными дросселями 22 мкГн в квадратных броневых сердечниках от преобразователей, интегрированных в материнские платы ноутбуков.

Схема ЗУ № 5 (MC34063)

Схема ЗУ № 6 (UC3843)

В схемах 5 и 6, при экспериментах использовались те же наборы компонентов (включая дроссели). По результатам испытаний все перечисленные схемы мало в чем уступают друг другу в заявленном диапазоне параметров (частота/ток/напряжение). Поэтому схема с меньшим количеством компонентов предпочтительнее для повторения.

Схема ЗУ № 7 (TL494)

Применено реле для коммутации батареи из режима «заряд» в режим «нагрузка».

Работа с ЗУ аналогична работе с предыдущими устройствами. Калибровка осуществляется переводом тумблера в режим «калибровка». При этом контакт тумблера S1 подключает пороговое устройство и вольтметр к выходу интегрального регулятора IC2. Выставив необходимое напряжение для предстоящей зарядки конкретной АБ на выходе IC2, с помощью PR3 (плавно вращая) добиваются зажигания светодиода HL2 и, соответственно, срабатывания реле К1. Уменьшая напряжение на выходе IC2, добиваются гашения HL2. В обоих случаях контроль осуществляется встроенным вольтметром. После установки параметров срабатывания ПУ, тумблер переводится в режим заряда.

Схема № 8

Конструкция зарядного устройства

Сконструировал несколько, различных по функционалу и элементной базе, цифровых измерителей длительности импульсов.

Более 30-ти рацпредложений по модернизации узлов различного профильного оборудования, в т.ч. - электропитающего. С давних пор все больше занимаюсь силовой автоматикой и электроникой.

Почему я здесь? Да потому, что здесь все - такие же, как я. Здесь много для меня интересного, поскольку я не силен в аудио-технике, а хотелось бы иметь больший опыт именно в этом направлении.

Читательское голосование

Статью одобрили 77 читателей.

Андрей Барышев, г. Выборг

В данной статье описывается изготовление несложного устройства, предназначенного для безопасной зарядки любых малогабаритных аккумуляторов. Под «безопасностью» здесь подразумевается возможность ручной установки зарядного тока, рекомендованного для каждого конкретного типа аккумулятора, а также автоматическое снижение выходного тока до нулевого значения после того, как аккумулятор зарядится полностью, до своего номинального напряжения. Такое зарядное устройство (ЗУ), конечно, не может служить полноценной заменой «фирменному» ЗУ, которое разрабатывается под конкретный тип аккумулятора и обеспечивает оптимальный режим его заряда. Но его удобно иметь под рукой, если вам часто приходится пользоваться различными типами аккумуляторов, а специальных «зарядок» к этим аккумуляторам нет. ЗУ позволяет заряжать аккумуляторы разных типов, с номинальным напряжением, начиная от 1.2 В («таблетки», «пальчиковые»), батареи сотовых телефонов различных моделей (напряжением 3.7…4.5 В), а также 9 и 12-вольтовые аккумуляторы. Зарядный ток может быть до 500 мА и выше, это зависит только от мощности примененных в схеме элементов.

Принцип работы

Как правило, рекомендуемый изготовителем зарядный ток аккумулятора составляет 1/10 от номинальной паспортной емкости С А, которая измеряется в А/ч (ампер/час) и указывается на его корпусе. То есть, например, для аккумулятора емкостью 700 мА/ч оптимальным будет ток заряда 70 мА. Поскольку ток в процессе зарядки будет уменьшаться, его первоначальное значение можно задать немного выше рекомендованного для того, чтобы ускорить процесс зарядки (если это необходимо). Но делать это следует в умеренных пределах, чтобы не допустить сильного нагрева аккумулятора. Максимальное значение начального зарядного тока рекомендуется устанавливать не более (0.2 - 0.3)С А.

В предлагаемой схеме предусмотрена ручная установка значения этого тока и возможность его визуального отображения и контроля в процессе зарядки при помощи светодиода и небольшого встроенного стрелочного прибора.

Принципиальная схема ЗУ приведена на рис. 1.

Постоянное выпрямленное напряжение поступает с выпрямителя Br1 на схему ограничителя тока с узлом индикации, собранном на транзисторах VT1, VT2 и светодиоде VD1. Затем, через стабилизатор напряжения на микросхеме DA1, ток заряда поступает на аккумулятор, подключенный к контактам J1 и J2. При этом регулируемый стабилизатор напряжения на микросхеме (МС) DA1 позволяет изменять напряжение стабилизации схемы при помощи переключателя S1 в соответствии с рабочим напряжением подключаемого аккумулятора. Если аккумулятор разряжен и его напряжение меньше значения напряжения стабилизации схемы, через резистор Р1 начинает течь ток, значение которого будет тем больше, чем сильнее степень разряда аккумулятора. В начале зарядки напряжение на этом резисторе превысит значение 0.6 В, откроется транзистор VT2, а VT1, наоборот, станет закрываться, ограничивая выходной ток схемы. Резистор R2 в цепи базы транзистора VT2 защищает его от перегрузки, а светодиод в его коллекторной цепи служит индикатором и светится в процессе заряда. Когда аккумулятор полностью зарядится и его напряжение сравняется с напряжением стабилизации МС DA1, ток через резистор Р1 упадет и транзистор VT2 закроется, что приведет к погасанию светодиода и полному открытию транзистора VT1. При этом напряжение на заряжаемом аккумуляторе не превысит значения напряжения стабилизации МС DA1 (установленное переключателем S1) и это защитит аккумулятор от перезаряда. Таким образом, переменный резистор Р1 является своеобразным «датчиком тока», изменяя сопротивление которого можно задавать первоначальный максимальный зарядный ток.

Конструкция и детали

Схема может питаться от любого малогабаритного трансформатора с напряжением на вторичной обмотке 12 … 20 В. Здесь подойдет, например, трансформатор от «зарядки» для сотовых телефонов старых типов (в «зарядках» новых типов, как правило, применяют импульсные схемы, не имеющие такого понижающего трансформатора). Переменное напряжение с этого трансформатора выпрямляется диодным мостом Br1 и, затем, сглаживается конденсатором C1 (эти элементы также можно взять из той же «зарядки», что и трансформатор). Емкость С1 может быть 470 мкФ и более, напряжение всех конденсаторов в схеме - не ниже 36 В. Диоды выпрямительного моста - любые выпрямительные на ток от 0.5 А (КД226, и др.), можно применить диодный мост типа КЦ403. Транзисторы VT1, VT2 - средней или большой мощности, n-p-n типа (например КТ815, КТ817, КТ805 c любой буквой или импортные аналоги типа ). Допустимый ток коллектора таких транзисторов позволяет устанавливать ток заряда до 1.5 А, но при токах более 200 мА эти транзисторы нужно установить на небольшие радиаторы-теплоотводы. Светодиод может быть любой маломощный, например АЛ307. Микросхема DA1 - регулируемый стабилизатор напряжения или отечественный аналог КР142ЕН12А (с учетом цоколевки выводов). Такие стабилизаторы позволяют регулировать выходное напряжение в широких пределах - от 1.25 до 35 В. Вместо плавной регулировки выходного напряжения в данном случае удобнее использовать дискретный переключатель на несколько положений, соответствующих номинальным значениям тех аккумуляторов, которые предполагается заряжать этим ЗУ. Например: 1.2 В - 2.4 В - 3.6 В - 3.9 В - 9 В - 12 В. В приведенном здесь варианте ЗУ для этой цели используется малогабаритный галетный переключатель на 6 фиксированных положений. Нужные значения напряжений устанавливаются при настройке подбором резисторов R9 … R14, номиналы которых лежат в пределах от десятков Ом до нескольких кОм.

Ток заряда, помимо светодиода, можно контролировать при помощи дополнительного стрелочного микроамперметра, включенного на выходе схемы последовательно с нагрузкой (аккумулятором). Для этого подойдет, например, стрелочный индикатор уровня записи старых магнитофонов или какой-нибудь аналогичный. Можно, конечно, обойтись и без него, сделав схему с заданными фиксированными значениями зарядного тока. Тогда вместо переменного резистора Р1 нужно будет применить набор постоянных сопротивлений, переключаемых в зависимости от нужного значения зарядного тока. В этом случае понадобиться и дополнительный переключатель. Но использование отдельного стрелочного прибора для этих целей сделает работу с ЗУ гораздо более удобной, а сам процесс зарядки будет наглядно отображаться на всем ее протяжении. К тому же, полное погасание светодиода VD1 произойдет при снижении тока через него ниже 10-15 мА (в зависимости от типа), а это не будет соответствовать полной зарядке подключенного аккумулятора, через который еще будет протекать небольшой ток. Поэтому лучше ориентироваться по стрелке прибора.

Зарядное устройство для варианта с МС LM317 собрано на небольшой печатной плате размерами 25 × 30 мм (рис. 2). При использовании других типов МС следует учесть расположение их выводов, оно может отличаться.

ЗУ можно собрать в небольшом корпусе подходящих размеров, например - от сетевого адаптера. Расположение деталей в корпусе такого варианта показано на рис. 3.

Настройка

Настройку предлагаемой схемы ЗУ начинают с установки необходимых зарядных напряжений на выходе. Для этого к клеммам J1 и J2 вместо аккумулятора подключают сопротивление около 100 Ом (мощностью не менее 5 Вт, лучше проволочное, иначе оно будет сильно греться!). Переключатель S1 установить в крайнее положение, соответствующее подключаемому аккумулятору, например, «1.2 В». Подбирая резистор R9, добиваются напряжения на выходных клеммах на 15 - 20 % больше номинального напряжения заряжаемого аккумулятора. То есть, в данном случае, выставляем на выходе около 1.4 В. Затем переключаем S1 в следующее положение (например «2.4 В») и подбором резистора R10 выставляем на выходе около 2.8 В… И так далее, для всех нужных значений. Максимальное напряжение, которое можно выставить таким образом, определяется максимальным значением выходного напряжения МС DA1, а входное напряжение схемы (на коллекторе VT1) должно превышать выходное не менее чем на 3 В для обеспечения нормального режима стабилизации микросхемы.

После установки всех необходимых значений выходного напряжения следует откалибровать стрелочный прибор - микроамперметр. Для этого подключаем в схему последовательно с ним тестер или амперметр, а к выходным клеммам - переменное сопротивление (проволочное, большой мощности) порядка 100 Ом и, меняя его значение, добиваемся на выходе максимального значения тока, на который будет рассчитано наше зарядное устройство (например, 300 мА). Вместо переменного здесь можно использовать и наборы постоянных сопротивлений. После чего подбираем шунт - сопротивление, которое припаиваем между контактами нашего стрелочного индикатора. Его надо подобрать так, чтобы при выбранном максимальном токе стрелка установилась в конец шкалы. Это сопротивление (его видно на рис. 3) для примененного стрелочного индикатора типа «М476» составило 1 Ом. В этом случае полное отклонение стрелки к концу шкалы будет соответствовать току заряда 300 мА. Шкалу можно проградуировать - нанести метки, соответствующие токам от 0 до 0.5 А, однако делать это необязательно. На практике вполне достаточно будет определять примерное значение тока.

Работа с ЗУ

Устанавливаем переключатель S1 в положение, соответствующее номинальному напряжению аккумулятора, который нужно зарядить.

При подключении к клеммам J1, J2 разряженного аккумулятора загорается светодиод, и стрелка прибора отклоняется к концу шкалы. С помощью переменного резистора Р1 выставляем максимальный ток зарядки для данного аккумулятора. По мере заряда аккумулятора яркость светодиода будет постепенно понижаться, а стрелка прибора приближаться к началу шкалы. На последней стадии заряда светодиод погаснет, но о полном заряде аккумулятора лучше делать вывод по стрелке прибора - когда она будет на «нуле» (то есть в самом начале шкалы). После этого аккумулятор может находиться в зарядном устройстве сколь угодно долго - перезаряда его не произойдет.

Если у вас «батарея» аккумуляторов (несколько штук, включенных параллельно или последовательно), то каждый из аккумуляторов лучше заряжать отдельно, а не в группе. Потому, что внутренние сопротивления каждого из них хоть незначительно, но отличаются от остальных, а это может привести к перезаряду или недозаряду отдельных элементов батареи, что отрицательно скажется на ее общей емкости. Например, для зарядки 4-х пальчиковых аккумуляторов лучше сделать четыре модуля (платы), подключенных на каждый аккумулятор отдельно. Трансформатор, выпрямитель (диодный мост) и сглаживающий электролитический конденсатор при этом могут быть общими, но рассчитанными на суммарную мощность нагрузки.