Адаптивное зарядное устройство для аккумулятора

Предлагается изготовить зарядное устройство для аккумулятора, со стабилизацией тока, с регулировкой по току и напряжению на нагрузке. Диапазон применения обширен. Один из вариантов его применения рассмотрен на частном примере.

При изготовлении и установке блока автомагнитолы в домашней обстановке «Использование автомагнитолы в домашнем варианте» обнаружилась одна небольшая проблема. Она заключается в том, что при изготовлении магнитолы, энергонезависимая память еще не была широко распространена. А автопоиск станций уже использовался. Поэтому, для сохранения настроек в памяти приемника, требовалось дополнительное питание для ячеек памяти при выключенном приемнике. В автомобиле, это решалось постоянным подключением блока памяти к аккумулятору бортовой сети. При установке автомагнитолы в квартире, пришлось искать выход.

Использовать для питания ячеек памяти трехвольтовые батарейки, аналогично сохранения памяти в компьютере, не получается. Для питания блока памяти в автомагнитоле (согласно инструкции) требуется 3,1…3,5 вольта.

При установке аккумулятора, появляется своя проблема. Приходится следить за состоянием заряда аккумулятора и периодическим снятием его для подзарядки, что неудобно и не практично. Поэтому, на мой взгляд, проще, в изготовленный блок автомагнитолы стационарно установить аккумулятор, изготовить для него и установить там же зарядное устройство.

В итоге, задача сложилась следующим образом. Требуется изготовить зарядное устройство для аккумулятора, с регулировкой и стабилизацией тока, с ограничением по максимальному напряжению на аккумуляторе 3,6 вольта. Аккумулятор должен заряжаться автоматически и только при включении приемника, а поддерживать его память постоянно. Для исключения полного разряда или перезаряда, режимы зарядки должны приспосабливаться к степени разряда аккумулятора, т.е. зарядное устройство должно быть адаптивным (в меру возможности).

Схема зарядного устройства отличается максимальной простотой и доступностью компонентов, в основе содержит два транзистора и регулируемый стабилитрон. Маломощный управляющий транзистор VT1 осуществляет функцию регулирования и стабилизации тока. Транзистор VT2 является силовым, по нему протекает основной ток заряда аккумулятора. Также, зарядное устройство содержит регулятор выходного напряжения на стабилитроне VD1.

Основу регулятора напряжения определяет управляемый стабилитрон VD1 - TL431. Регулировка напряжения на TL431 производиться с помощью делителя напряжения R4, R5. Подбором номиналов этих резисторов добиваемся необходимого диапазона регулировки. Затем, изменяя сопротивление подстроечного резистора R4, до установки аккумулятора в зарядное устройство, выставляем предельное напряжение заряда (3,6V) на выходных контактах Х1 и Х2.

При подключении разряженного аккумулятора к зарядному устройству, напряжение на выходных контактах падает и аккумулятор начинает потреблять, установленный с помощью резистора R2 и ограниченный резистором R3 ток. При приближении напряжения аккумулятора, к заданному регулятором выходного напряжения, ток заряда будет уменьшаться и при достижении напряжения на аккумуляторе 3,6V зарядный ток будет практически нулевым.

Это происходит по следующей причине. Управляемый стабилитрон TL431 закрыт до тех пор, пока на его управляющем электроде имеется напряжение ниже 2,5V и при этом не влияет на работу зарядного устройства. При зарядке аккумулятора и приближении напряжения на нем, к ранее установленному регулятором выходному напряжению, потенциал на управляющем электроде достигает 2,5V и стабилитрон TL431 начинает открываться. В связи с этим, силовой транзистор VT2 начинает закрываться, а ток зарядки, протекающий по нему, будет постепенно уменьшаться практически до нуля.

Таким образом, мы ограничиваем максимальное напряжение на аккумуляторе до заданного и исключаем его перезаряд, переводя при этом зарядку в капельный режим (0,005С), который лишь поддерживает память и компенсирует саморазряд аккумулятора.

Стабилизатор тока поддерживает стабильный выходной ток для заряда аккумулятора при исключении влияния со стороны регулятора напряжения.

Работой стабилизатора тока управляет транзистор VT1. Предельную величину тока ограничивает резистор R3. Он представляет собой низкоомный резистор от 0,1 до 20 Ом (в зависимости от требуемой мощности зарядного устройства) и одновременно является датчиком тока. При подключении нагрузки, на этом резисторе образуется некоторое падение напряжения, пропорциональное проходящему току. Такого падения напряжения достаточно для работы управляющего транзистора VT1.

При увеличении тока, по каким либо причинам и соответствующего увеличения падения напряжения на R3, больше приоткрывается транзистор VT1. В связи с этим, силовой транзистор VT2 начинает закрываться, уменьшается и ток, проходящий по нему к аккумулятору.

При уменьшении тока через нагрузку все наоборот.

Таким образом, транзистор VT1 автоматически управляет силовым транзистором, корректируя ток протекающий по нему и нагрузке, так осуществляется процесс стабилизации тока.

На первом этапе заряд выполняется стабильным током (выбирается вручную). При достижении установленного напряжения на аккумуляторе (выбирается вручную) заряд продолжается при поддержании стабильного напряжения и уменьшающемся значении тока заряда.

Изменяя сопротивление резистора R2, возможно вручную установить необходимый ток зарядки аккумулятора.

Резистор R1 задаёт напряжение смещения для силового транзистора VT2, а также определяет рабочий ток стабилитрона VD1. Подбором R1 задают ток стабилитрона в пределах 5…10 mA.

Светодиоды в устройстве служат для визуальной сигнализации процесса заряда. Свечение светодиода LED1 сообщает о работе стабилизатора тока, а LED2 о работе регулятора напряжения.

В качестве управляющего (силового) NPN транзисторов можно применять как отечественные, так и импортные маломощные (средней мощности) транзисторы, с соответствующими характеристиками по току и напряжению. Силовой транзистор VT2 при больших нагрузках будет нагреваться и нуждается в установке на радиатор. Диод VD2 защищает аккумулятор от разряда при выключенном приемнике и ЗУ. Выводы аккумулятора подключены к блоку памяти приемника.

Для питания блока памяти в автомагнитоле используем три последовательно соединенных NiMH аккумулятора с общим номинальным напряжением 3,6 вольта (1,2 х 3) и емкостью более 2,0 Ah. Разряд каждого элемента аккумулятора допускается до 0,9 вольта, а всей батареи до (0,9 х 3) 2,7 вольта. Полный заряд батареи возможен до (1,8 х 3) 5,4 вольта. Таким образом, установив регулятор напряжения зарядного устройства на 3,6 вольта, мы гарантированно исключим перезарядку батареи, даже не отключая ее от устройства.

По поводу полного разряда аккумуляторов также имеется некоторая защита. При напряжении питания 3,0 вольта, настройки автопоиска в приемнике теряются, что заметно при следующем включении. Минимальный заряд в батарее еще остается. В этом случае, работу устройства нужно подкорректировать. Для этого необходимо лишь несколько увеличить ток зарядки.

Подбираем детали согласно приведенной схеме. Собираем схему зарядного устройства на универсальной монтажной плате. Проверяем работу схемы, установив в качестве нагрузки элемент аккумулятора. Подбирая номиналы резисторов R4, R5, добиваемся возможности регулировки выходного напряжения во всем диапазоне. Установив всю батарею аккумуляторов, проверяем возможность и значения при регулировке зарядного тока. При номинале R3 согласно приведенной схеме, ток регулируется от 0 до 350 mA при выходном напряжении от 3,2 до 9 -11 вольт.

При наличии свободного места и для улучшения температурного режима работы деталей, можно выделить из схемы блок деталей имеющих большое тепловыделение. В данном случае это силовой транзистор на радиаторе и резистор R3 (составлен из двух параллельно включенных меньшей мощности). Эти детали собраны на отдельной дополнительной плате, установленной в стороне от ведущей платы. Остальные детали собраны на основной плате.

Устанавливаем рабочую схему в ранее изготовленный блок автомагнитолы в домашнем варианте. Так как блок автомагнитолы установлен стационарно и его снятие трудоемкое занятие, ведущая плата устройства расположена в корпусе блока, около окна под кухонные часы. При извлечении из окна часов, на что необходимо 3 секунды, доступ к индикаторам работы и регулировке тока и напряжения свободен.