Главная » Микроконтроллеры
Призовой фонд
на март 2017 г.
1. UNI-T UT-39C
Паяльник
2. Тестер компонентов LCR-T4
Паяльник
3. 100 руб.
От пользователей

Правильное ЗУ NiMh/NiCd аккумуляторов электроотвертки

Все началось с приобретения электроотвертки "Einhell" 4.8BAS. Она верой и правдой отслужила три года, пережила полномасштабный ремонт квартиры, завинтила не одну сотню саморезов, после чего приказала долго жить… Развиваемое усилие уменьшилось в несколько раз, в течение двух суток после зарядки, аккумулятор умирал полностью, даже если отверткой не пользовались.

Электроотвертка Einhell 4.8BAS

Вскрытие показало: из четырех аккумуляторов один с внутренним КЗ, емкость остальных сразу после зарядки составляет 500мА*ч, а через день 150мА*ч при паспортной - 1000мА*ч. Дальнейшее расследование показало, что механика в неплохом состоянии, однако вскрытие родного ЗУ обнаружило внутри следующие детали: трансформатор, с выходным напряжением ~6В, диодный мост и … все.

Так как новая отвертка стоила на местном рынке 29$, а четыре аккумулятора АА DURACEL 1700mA*ч удалось найти за 11$ (и они помещались в аккумуляторный отсек), было решено заменить аккумуляторы, и собрать «правильное» ЗУ.

При поиске подходящей схемы в интернете была найдена статья [2], после чего было решено собрать ЗУ работающего по следующему алгоритму:

1.  Выбор режима работы (разряд-заряд, или только заряд). 
2.  Определение наличия аккумулятора.
3.  Разряд (если был выбран)
4.  Пред-зарядка (pre-charge).
5.  Быстрая зарядка (fast charge).
6.  Дозарядка (top-off charge).
7.  Поддерживающая зарядка.

Схема же была разработана на базе статьи [1], с использованием дешевой зарядки от мобильного телефона (в моем случае NOKIA). Однако схема была доработана для возможности зарядки нескольких аккумуляторов, и применен более дешевый и компактный контроллер ATINY 13V (1,5$).

Применение готового ЗУ от телефона облегчает задачу, так как ЗУ изначально обладает свойствами источника тока – отпадает необходимость в блоке питания с гальванической развязкой и стабилизаторе тока. Такое ЗУ обладает так же хорошим КПД, отпадает необходимость в дополнительном охлаждении.

mc54-2s.png

На схеме ZU -  обозначена зарядка от NOKIA, с небольшими переделками: вторичная обмотка трансформатора была увеличена на 4витка, после чего на холостом ходу зарядка стала выдавать 9В (до переделки было 6,5В), а при нагруженных аккумуляторах ток зарядки составил 480мА (был 320мА). Разборка трансформатора не составляет труда, если его предварительно положить сердечником на жало разогретого паяльника на 1…2мин, после чего клей размягчается и сердечник без проблем рассоединяется.

Так же к силовой обмотке трансформатора был добавлен еще один выпрямитель на элементах VD10 (FR107) и С9 (навесным монтажом возле трансформатора). Он служит для питания контроллера. Раздельное питание необходимо для того, что бы при разряженных аккумуляторах не было просадок напряжения на контроллере. При начальной зарядке контроллер выдает зарядные импульсы с 20% заполнением, и в паузах конденсатор С9 успевает достаточно зарядится, что бы питать схему управления. В связи с этим применен и стабилизатор с низким падением напряжения LM-2940-3.3 на 3.3В.

Вход РВ4 контроллера работает как вход при включении ЗУ, и опрашивает кнопку SA1 для выбора режима. При подключении ЗУ к аккумуляторам, порт переключается на выход и управляет свечением светодиода VD1, который сигнализирует о текущем режиме работы.

Ключ на VT4 служит для разрядки аккумуляторов, а так же для создания разрядного импульса в режиме зарядки с разрядным импульсом. В качестве транзистора IRLL110 можно применить любой аналогичный, или составной биполярный n-p-n, например КТ972, КТ827, при этом необходимо увеличить сопротивление R10 до 1кОм.

Ключ на VT1,VT2 служит для подачи зарядного тока на аккумуляторы. В качестве VT1 возможно применение любого маломощного n-p-n транзистора с коэффициентом передачи не менее 100 (например, КТ315Б). VT2 может быть любым аналогичным с коэффициентом передачи тока не менее 40 (например, КТ816Б).

Резисторы R4, R5 служат для согласования уровня напряжения на аккумуляторе с напряжением опорного источника напряжения контроллера (1,1В). При указанных номиналах максимальное измеряемое напряжение составит 1,1/560*3560=6,99В., одна ступенька АЦП: 6,99/1024=6,83мВ.

VD2 служит для защиты от перегрузки порта АЦП контроллера, С8 – для фильтрации помех.

Размер платы при применении SMD элементов составил всего 50х35мм. Общий размер блока ЗУ 60х44х38мм. (без вилки) – и это при токе зарядки в 480мА. без значительного нагрева ЗУ. Внешний вид плат ЗУ:

Внешний вид зарядного устройства

Общий алгоритм работы зарядного устройства следующий:

При включении ЗУ, включается зарядный ключ VT1,VT2 и измеряется напряжение на аккумуляторе. Светодиод VD1 при отсутствии аккумулятора не светится. Если напряжение на аккумуляторе понижается ниже 7В, ЗУ понимает, что аккумулятор присутствует и переходит к дальнейшим действиям. В связи с этим минимальное напряжение без нагрузки телефонной зарядки должно быть гарантировано выше 7В.

Пока нет аккумулятора, опрашивается кнопка SA1. Если она была нажата, предварительно выбирается режим предварительной разрядки. Светодиод VD1 при этом начинает мигать два раза в секунду, а светодиод VD4 погашен.

После установки аккумулятора напряжение на разъеме Х4 понижается, и включается режим предварительного разряда, если он был выбран, в противном случае ЗУ переходит к фазе предварительной зарядки.

В фазе предварительного разряда ключ зарядного тока VT1,VT2 отключается, и включается разрядный ключ VT4, при этом загорается светодиод VD4. Этот режим длится до тех пор, пока напряжение на аккумуляторах не понизится ниже 4В (1В на элемент). В этом режиме контролируется время разряда, если аккумулятор не будет разряжен за 10 часов, (ток разряда ~170мА), ЗУ перейдет в режим аварии, ключи отключатся, светодиод VD1 начнет мигать пять раз в секунду.

После режима разряда ЗУ переходит в режим предварительного заряда, при этом заряд идет импульсами 0,2с. с паузами 0,8с. (20% заполнение). Этот режим длится не менее 1мин. и заканчивается при достижении на аккумуляторах напряжения более 4В. Он служит для «раскачивания» аккумуляторов, если они глубоко разряжены. Светодиод VD1 при этом мигает раз в секунду короткими вспышками. Если в течение 30 мин. ЗУ не может «раскачать» аккумуляторы, то оно переходит в режим аварии (см. выше).

После предзаряда ЗУ переходит к основному быстрому режиму заряда. В этом режиме контроллер проводит измерения циклически раз в секунду. При этом в начале каждого цикла отключается ток заряда, делается пауза 10мс., после чего в безтоковой паузе делается подряд четыре измерения, которые в дальнейшем усредняются. При измерении напряжения без тока заряда исключается падение напряжения на сопротивлении контактов, которое может быть достаточно значительным, что повышает точность измерения. Общая безтоковая пауза составляет около 20мс. Как преимущество такого метода называют лучшее выравнивание концентрации активных веществ по всему объему, меньшую вероятность образования крупных кристаллических образований на электродах и их пассивации. Если же аккумуляторы были предварительно разряжены в ЗУ, то аккумуляторы заряжаются по методу FLEX negative pulse charging. Его отличие состоит в том, что после измерения напряжения кратковременно (на 5мс.) включается разрядный ключ для увеличения эффекта регенерации. Как преимущество такого метода называют более низкую температуру аккумулятора в процессе зарядки и способность устранять крупные кристаллические образования на электродах (вызывающих эффект «памяти»). В этом режиме светодиод VD1 мигает раз в секунду, с равными засветками-паузами. Если имеются разрядные импульсы, светодиод VD4 короткими вспышками извещает о них.

Окончания заряда определяется по условию ∆V<=0. Для этого во время заряда, ЗУ суммирует каждую секунду измеренные усредненные значения напряжения. Раз в минуту контролер делит полученное значение на 60, и таким образом получает усредненное значение напряжения за минуту. В памяти хранятся эти значения за последние 12мин. Каждую минуту проверяется условие: если десять из 11 предыдущих напряжений больше или равны последнему измеренному, значит кривая заряда идет на спад или горизонтальна, режим заряда прекращается. Одно выпадение допускается, для уменьшения влияния единичных импульсных помех. В режиме быстрой зарядки проверяется время заряда. Если оно более 5ч., ЗУ переходит в режим аварии.

После быстрой зарядки ЗУ переходит в режим дозарядки, при этом происходит 20% заполнение импульсов (аналогично фазе предзарядки), при этом средний зарядный ток составлял около 100мА. Положительным эффектом дозарядки является выравнивание заряда аккумуляторов в батарее, т.е. аккумуляторы, которые полностью заряжены, будут рассеивать подводимую энергию в виде тепла, в то время как другие будут заряжаться. Фаза дозарядки длится 20мин. В этом режиме светодиод VD1 мигает раз в секунду с длинной засветкой и короткой паузой.

После окончания дозарядки ЗУ переходит в режим поддерживающей зарядки. Аккумуляторы поддерживаются в заряженном состоянии короткими (5мс. раз в секунду) импульсами. Светодиод VD1 постоянно светится – аккумуляторы заряжены.

Общий вид собранного ЗУ

Если в любом из режимов отсоединить аккумуляторы, то ЗУ перейдет в режим аварии (светодиод VD1 начнет мигать пять раз в секунду, все ключи выключены).

При эксплуатации ЗУ аккумуляторы заряжались немногим более 4ч., при этом, если их сразу же поставить на разряд, время разряда составляло около 10ч., что соответствует емкости аккумуляторов 1700мА*ч. Во время заряда температура аккумуляторов повышалось от комнатной (22°С) до 34…36°С, причем наибольший прирост температуры в 5..6°С наблюдался за последние 20…30мин. быстрой зарядки, что дополнительно свидетельствует о правильном определении конца заряда. Транзисторы VT2 и VT4 нагреваются не боле чем до 40С – так что никаких радиаторов. Если при повторении у кого то будет греться VT2 – уменьшайте сопротивление R9.

Программа писалась в среде CodeVisionAVR V2.04.4a и прилагается к статье. Прошивка микроконтроллера производилась с помощью обычного LPT программатора, состоящего из 4-х резисторов (в интернете находится без особого труда). Запрограммированные фьюзы: CKSEL1=SUT0=0 – галочки (внутренний генератор 9,6МГц, но затем программно делится на 8).

Если необходимо заряжать не четыре, а например 3 аккумулятора, то можно или пропорционально пересчитать коэффициент деления резисторов R4, R5 (например, R5 уменьшить  до 2100 Ом), или изменить константы в начале Си-программы (в программе много примечаний, разобраться несложно). Однако при этом следует учесть, что при переходе в режим основного заряда напряжение на выходе телефонной зарядки будет немногим более 3В, что может быть недостаточно для питания стабилизатора контроллера, поэтому возможно будет необходимо домотать 4…5 витков к основной обмотке (заряжающей аккумуляторы), и питать выпрямитель стабилизатора от полученной «удлиненной» обмотки. При этом желательно, что бы напряжение на выходе выпрямителя VD10, С9 не опускалось ниже 4В.

Литература

  1. Ридико Л.И. Немного о зарядке NiMH и NiCd аккумуляторов //http://radiomaster.com.ua/index.php?newsid=668
  2. Спорыш В.В Простое интеллектуальное зарядное устройство NiMh/NiCd аккумуляторов //Радиоаматор. – 2011. - №1,2.

Виталий Спорыш (CPU)

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
U1 МК AVR 8-бит
ATtiny13
1 Поиск в FivelВ блокнот
DA1 Линейный регулятор
LM2940-N
1 Поиск в FivelВ блокнот
VT1 Биполярный транзистор
КТ3102
1 КТ315БПоиск в FivelВ блокнот
VT2 Биполярный транзистор
BD140
1 КТ816БПоиск в FivelВ блокнот
VT4 MOSFET-транзистор
IRLL110
1 КТ972, КТ827Поиск в FivelВ блокнот
VD1 Светодиод1 Поиск в FivelВ блокнот
VD2 Стабилитрон
BZX84C3V3
1 3.3ВПоиск в FivelВ блокнот
VD3 Диод1 Поиск в FivelВ блокнот
VD4 Светодиод1 Поиск в FivelВ блокнот
VD10 Выпрямительный диод
FR107
1 Поиск в FivelВ блокнот
С1, С4, С7 Конденсатор100 нФ3 Поиск в FivelВ блокнот
С2 Электролитический конденсатор100 мкФ1 Поиск в FivelВ блокнот
С3, С6 Конденсатор330 нФ2 Поиск в FivelВ блокнот
С4 Электролитический конденсатор100 мкФ 16 В1 Поиск в FivelВ блокнот
С8 Конденсатор10 нФ1 Поиск в FivelВ блокнот
С9 Электролитический конденсатор1000 мкФ 16 В1 Поиск в FivelВ блокнот
С10 Электролитический конденсатор1 Поиск в FivelВ блокнот
R1 Резистор
330 Ом
1 Поиск в FivelВ блокнот
R2, R10 Резистор
100 Ом
2 Поиск в FivelВ блокнот
R3 Резистор
5.1 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
R4, R8, R9 Резистор
560 Ом
3 Поиск в FivelВ блокнот
R5 Резистор
3 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
R6 Резистор
1 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
R7, R11 Резистор
10 кОм
2 Поиск в FivelВ блокнот
R12, R13 Резистор
56 Ом
2 1 ВтПоиск в FivelВ блокнот
L1 Катушка индуктивности33 мкГн1 Поиск в FivelВ блокнот
SA1 Кнопка1 Поиск в FivelВ блокнот
T2 Трансформатор1 Поиск в FivelВ блокнот
Х1-Х3 Разъем3 Поиск в FivelВ блокнот
Х4, Х5 Разъем1 Поиск в FivelВ блокнот
XS1 Разъем1 Поиск в FivelВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Теги:

Спорыш Виталий Опубликована: 2011 г. 0 0
Я собрал 0 0
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 0 Проголосовало: 0 чел.

Комментарии (27) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Var #
Здравствуйте!
Очень понравился ваш зарядочник,только есть один вопрос,что менять в схеме(в прошивке) чтобы мог зарядить один аккумулятор АА?
Ответить
0
Женя #
А возможно ли заряжать батарею из 6 аккумуляторов (для рации), и какие изменения надо будет внести в схему и прошивку?
Ответить
0
CPU #
Необходимо:
1. Применить отдельный источник зарядного тока до 1А(если оставить ключевые транзисторы те же) с Uхх около 12В, и подключить его к выводам Х1-Х3; VD3,C10 удалить.
2. R12,R13 выбрать так, что бы разрядный ток был до 0,2С(емкости АКБ) и при этом они выдержали рассеиваемую на них мощность.
3. Увеличить R8, что бы ток ч/з светодиод не превышал допустимый (680Ом...1кОм).
4. Увеличить R5 до 4,7кОм (в идеале 4783Ом)
Ответить
0
Женя #
Собрал схему для 6 аккумов, всё бы хорошо, но уж очень греется VT2, выше 70 градусов, R9 уже понизил до 200 Ом, не помогает. Что делать?
Ответить
0
CPU #
Греется - значит не до конца открывается. Проверьте напряжение на коллекторе VT1 когда включен зарядный ток - напряжение должно быть менее 1В - если больше, замените VT1. Если все ОК - замените VT2, у него судя по всему малый коэф. усиления. В качестве VT2 лучше применять составник (дарлингтон), например BD676,BD678,BD680 или аналогичные.
Ответить
0
Женя #
Огромное спасибо! VT2 заменил на BD680? А в качестве VT1 поставил BC547. Даже и не думает греться!
Ответить
0
tcpip #
Запрограммированные фьюзы: CKSEL1=SUT0=0 – галочки (внутренний генератор 9,6МГц, но затем программно делится на 8)
Если выставить CKSEL1=SUT0=0, то выйдем на частоту 4,8МГц не так ли?
Уточните, пожалуйста, еще раз какие фьюзы нужно программировать (и нужно ли писать CKDIV8=0)?
Ответить
0
CPU #
Извиняюсь за ошибочку в статье :( - опубликовал ее ч/з пол года после того, как сделал устройство, кое что забыл.
Фьюзы в статье указаны верно CKSEL1=SUT0=0 – галочки, но действительно, частота генератора будет 4,8МГц, а затем в программе настройкой регистра CLKPR делится на 4, так что результат тот же - фактическая частота 1.2МГц - она же и указана в свойствах проекта CodeVisionAVR.
CKDIV8 программировать не нужно (CKDIV8=1).
Ответить
0
yolet #
Можно ли вместо стабилизатора питания контроллера на 3,3 В использовать на 5 В и будут ли изменения если источник тока сделать на lm317 вместо bd140 и ZU
Ответить
0
CPU #
Можно заменить стабилизатор на пяти вольтовый, но напряжение перед ним не должно быть ниже 8В (для LM7805). Транзистор VT2 в связке с VT1-это ключ, который раз в секунду открывается-закрывается для обеспечивания общего алгоритма работы, поэтому его выбрасывать нельзя. Внешний источник тока должен быть подключен к эмиттеру VT2, чтобы он мог включать/выключать зарядный ток АКБ.
Ответить
0
yolet #
Все заработало. Может кому нибудь поможет: в самой отвертке стоял диод к аккумам видно защитный от переплюсовки, заменил проводом все пошло работать
Ответить
0
Дядя Женя #
Хочу сделать примерно то же самое, только опорное у АЦП у меня 5В, соответственно делитель другой, 2K2/4K6. Аккумуляторы 780mAh, питаются через стабилизатор тока на 78mA на LM317. Вот с чем столкнулся: пока стабилитрона нету, АЦП отдаёт корректные значения, например на аккумуляторах 6В, на АЦП - 4.05. Всё путём. Как только ставлю параллельно нижнему плечу стабилитрон 4V7, напряжение падает до ~3.8В. Почему так? В этой схеме стабилитрон не влияет на работу делителя?
Ответить
0
CPU #
У стабилитрона с типовым напряжением стабилизации 4.7В (при токе 15мА) ограничение на малых токах составляет как раз 3,5...3,8В, что Вы и наблюдаете. Если у Вас опора равна напряжению питания - лучше поставьте диод с резистора на плюс питания, а параллельно питанию поставьте супрессор на 6,8В. У меня опора 1,1В, что в три раза меньше напряжения стабилизации стабилитрона, поэтому он и не влияет на работу устройства.
Ответить
0
Евгений #
Так и выставлено (оптимизация по размеру)! Все равно не компилируется!
Ответить
0
CPU #
Скачал с сайта архив, распаковал, откомпилировал в CodeVisionAVR V2.04.4a. Результат - все откомпилировалось, размер программы 495слов, занято 96,7% флеш. Ошибок 0, предупреждений 0. Напишите в личку - скину скриншот результата.
Ответить
0
pegast20009 #
Проект полностью рабочий,компилирую CodeVisionAVR V2.05.0p. В свойствах проекта установите оптимизацию по размеру и более ничего.
Ответить
0
CPU #
Прошло уже три года эксплуатации: ни одного ремонта или сбоя, пользуюсь электроотверткой систематически, аккумуляторы до сих пор в порядке :)
Ответить
0
Smelter #
аккумуляторы, которые полностью заряжены, будут рассеивать подводимую энергию в виде тепла, в то время как другие будут заряжаться
При этом Ридико Л.И. [1] пишет, что презаряд крайне вреден, таким образом уравнивания не будет, в то время, как другие будут заряжаться, первые будут "подыхать" от перезаряда. Схема свободна от уравнивая зарядов в принципе, для этого каждый элемент АКБ должен заряжаться отдельно, от этом также говорит [1] но никак не в последовательной батарее.
Ответить
0
CPU #
В таких устройствах как электроотвертка или шуруповерт отсутствуют выводы от каждой батареи, поэтому раздельный заряд конструктивно невозможен, хотя никто не спорит - это наилучший вариант. А по поводу того, что при последовательном заряде выравнивание невозможно - Вы не правы, на основании десятков экспериментов с зарядкой АКБ (см. устр mc56) могу однозначно утверждать что при ограниченной дозарядке малыми токами происходит выравнивание зарядов, при этом уже заряженные незначительно греются (меньше чем при основном заряде), но на ресурс это особенно не влияет. И такое выравнивание однозначно лучше чем просто заряжать батарею до какого то уровня, с каждым разом все увеличивая перекос батарей. А электроотвертка с таким зарядным до сих пор себя неплохо чувствует через четыре года эксплуатации, что только доказывает вышесказанное.
Ответить
0
Анатолий #
Доброго времени суток!
Собрал зарядное по Вашей схеме. Столкнулся с проблемой что не включается режим "разряд". Несколько раз проверил схему и коэффициенты -ошибок нет. Остальные режимы работают. Не подскажете в чем может быть проблема?
Ответить
0
CPU #
Режим разряда выбирается без АКБ т.е. пока он не подключен!
Пока нет аккумулятора, опрашивается кнопка SA1. Если она была нажата, предварительно выбирается режим предварительной разрядки. Светодиод VD1 при этом начинает мигать два раза в секунду, а светодиод VD4 погашен.
Ответить
0
Олег #
Проект действительно очень хороший за простоту и доступность. Но у меня вот такой вопрос: как нужно менять константы чтобы заряжать на 12в. Я поставил БП на 19в. , R5 на 8,32 k но если на батареи более 11в то выбирая сначала разрядку он всё ровно переходит в зарядку. Заранее благодарен.
Ответить
0
krbofos #
Не пойму, как регулируется ток зарядки. Собрал, прошил, всё работает, даже VT2 терпимо греется, а вот диод.мост на 4А греется аки печка (в качестве питания трансформатор на ~9В).
Или здесь расчитано на то, что зарядное от мобильного само урежет макс. ток?
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется сила тока?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

AVR-программатор USB ASP
AVR-программатор USB ASP
Сатфайндер Программатор Pickit3
вверх