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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Caricatore intelligente
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Caricabatterie, batterie, celle galvaniche Le batterie Ni-Cd sono ampiamente utilizzate per alimentare le moderne apparecchiature indossabili. Vengono prodotti molti dispositivi per caricarli; dispositivi simili vengono assemblati anche dai radioamatori. Tuttavia, la maggior parte dei progetti industriali e amatoriali sono progettati per ricaricare semplicemente le batterie. Spesso non sono in grado di caricarle completamente a causa dello svantaggio intrinseco delle celle Ni-Cd, il cosiddetto “effetto memoria”. Sta nel fatto che se si carica una batteria parzialmente scarica, rilascerà energia solo al livello da cui è iniziata la ricarica. Affinché questo effetto non si verifichi, la batteria deve essere completamente scarica (fino a circa 1 V) e quindi caricata a una tensione di circa 1,4 V. Il dispositivo microcontrollore descritto di seguito risolve automaticamente questo problema. La batteria, che non ha rinunciato completamente alla sua capacità, prima la scarica completamente, quindi la carica al livello specificato, ne verifica la capacità di funzionare normalmente e quindi la scollega dal dispositivo. Il dispositivo proposto è progettato per la ricarica indipendente simultanea di quattro batterie Ni-Cd con una capacità di 600, 800 e 1200 mAh, ma può essere utilizzato anche per caricare altri tipi di batterie. La possibilità di modificare a livello di codice l'algoritmo operativo del dispositivo fornisce la flessibilità necessaria e la facilità di utilizzo. Lo schema schematico del caricabatterie è mostrato in Fig. 1. Funzionalmente è costituito da un'unità di controllo e da quattro celle di carica-scarica identiche.
La centralina contiene MK DD1, interruttore DD2, comparatore DA1, generatore di tensione di riferimento (VT13, VT14), segnalatore acustico guasto batteria (VT15) e buffer DD3. L'MK controlla il funzionamento del dispositivo nel suo insieme, garantendo il funzionamento indipendente di tutti e quattro i nodi di ricarica. La commutazione delle tensioni provenienti dalle batterie all'ingresso non invertente del comparatore DA1 viene effettuata dall'interruttore DD2. Le tensioni di riferimento si formano in base al codice determinato dai segnali E0 ed E1 specificati dal microcontrollore. Il buffer DD3 fornisce il disaccoppiamento della porta P1 del microcontrollore dalle celle di carica-scarica. Ciascuna di queste celle è costituita da uno stabilizzatore di corrente DA2 (di seguito sono indicate le designazioni di posizione degli elementi della cella A1), resistori di regolazione della corrente R3 - R5, interruttori a transistor (VT1 - VT3), commutazione dello stato del nodo (carica-scarica -controllo) e i LED HL1 (rosso) e HL2 (verde), che indicano lo stato del nodo (rosso - in carica, verde - in scarica). Gli interruttori SA1 e SA2 consentono di impostare la corrente di carica richiesta (in questo caso 60, 80 o 120 mA). Diamo un'occhiata al funzionamento del dispositivo in modo più dettagliato. All'accensione, il programma analizza lo stato della batteria G1, confrontando alternativamente la tensione su di essa (segnale K1) con le tensioni di riferimento prodotte dal driver sui transistor VT13, VT14. Se la tensione della batteria è inferiore a 0,7 V, “conclude” che la cella è scarica e passa ad analizzare lo stato di quella successiva. Se la tensione sulla batteria è superiore a 1 V (caso normale), MK DD1 produce (tramite buffer DD3) segnali R1=1, Z1=1. In questo caso, il LED HL2 si accende e i transistor VT1, VT3 si aprono. Il primo blocca il canale di ricarica (DA2, R3-R5, VT2) e il secondo collega il resistore R9 in parallelo con la batteria. Inizia il processo di dimissione. Nelle modalità di scarica e ricarica, la tensione sulle batterie viene misurata una volta ogni 4 s. Il ciclo di misura (segnale Z1=1, R1=0) è di circa 1 s, cioè il tempo per la manutenzione di una batteria insieme al ritardo è di 1 s. In questo momento viene misurata la tensione sulla batteria e, in base al suo valore, il microcontrollore decide se continuare a scaricare (caricare) la batteria o spegnerla (se la ricarica è completata). Ciò è chiaramente visibile dalla luminosità dei LED. L'accensione periodica del LED verde (HL2) indica che la batteria di questa cella è in modalità di scarica e il LED rosso (HL1) è in modalità di ricarica. Ma torniamo alla modalità di scarico. Il segnale K1 (tensione sulla batteria scarica) tramite l'interruttore DD2 viene fornito all'ingresso non invertente del comparatore DA1, dove viene confrontato con la tensione di riferimento (circa 1 V) fornita all'ingresso invertente dal driver sui transistor VT13 e VT14 (il primo è aperto e il secondo è chiuso) . Nel momento in cui viene raggiunto il valore di tensione impostato, il comparatore emette un segnale che il processo di scarica è completo e l'MK commuta il dispositivo in modalità di ricarica (i segnali R1 e Z1 assumono i valori logici 0). In questo caso, il LED HL1 si accende, i transistor VT1, VT3 si chiudono e VT2 si apre. Nel processo di prototipazione del dispositivo e di test di funzionamento con batterie di diversa capacità e di diverse aziende, si è constatato che la carica massima della batteria corrisponde ad una tensione di riferimento di circa 1,45 V (tenendo conto delle perdite nei circuiti di misurazione). Se necessario, può essere modificato in una direzione o nell'altra utilizzando il resistore di regolazione R44. Quando la tensione sulla batteria G1 raggiunge circa 1,45 V, la ricarica si interrompe. Successivamente per un certo tempo (circa 8...10 s) la cella passa in modalità di scarica (il LED HL2 si accende) con controllo della tensione sulla batteria. Se durante questo tempo non è cambiato in modo significativo, la ricarica termina (entrambi i LED non si accendono). Se la tensione scende bruscamente (fino a 1... 1,1 V), indicando un malfunzionamento della batteria, viene emesso un segnale acustico e il LED HL2 inizia a lampeggiare. Il dispositivo ha una modalità di ricarica forzata. Viene utilizzato quando la batteria viene scaricata a una tensione inferiore a 1 V o deve essere ricaricata urgentemente (aggirando il processo di scarica a 1 V). L'accensione della ricarica forzata si effettua tramite il pulsante SB1 (tenerlo premuto fino all'accensione del led HL1). La selezione delle correnti di carica pari a 0,1 capacità della batteria viene effettuata dagli interruttori SA1 e SA2 deviando il resistore R4 con i resistori R3 e R5. Nelle posizioni dell'interruttore mostrate nello schema, la corrente di carica è determinata dalla resistenza del resistore R4 ed è pari a 60 mA. La chiusura dei contatti dell'interruttore SA1 porta ad un aumento della corrente di carica a 80 mA ed entrambi (SA1 e SA2) a 110...120 mA. La corrente di uscita massima dei regolatori di tensione 78L05 è 100 mA, ma in modalità regolatore di corrente può gestire 120 mA con relativamente poco calore (in caso di necessità, è possibile inserirvi un piccolo dissipatore di calore). Le parti del caricatore sono montate su un circuito stampato in fibra di vetro a doppia faccia (Fig. 2).
La scheda è progettata per utilizzare resistori permanenti MLT, tuning SPZ-19a, condensatori K50-35 (C1, C4), KD-1 (C2, C3) e KM (altri), una sezione a due pin da una spina PLS-40 (XP1), pulsante B38 o B32 (SB1), interruttori a scorrimento miniaturizzati VDMZ-2V (SA1-SA8). Il circuito di regolazione della frequenza del generatore MC integrato utilizza un risuonatore al quarzo con frequenza di 3,58 MHz, ma è possibile utilizzarne anche un qualsiasi altro con frequenza da 3 a 8 MHz (in questo caso alcune costanti avranno da modificare nel programma). Come emettitore sonoro BF1, è possibile utilizzare telefoni di tipo TM-2B o un emettitore piezoelettrico ZP-31. Per collegare il DD1 MK, viene utilizzato un pannello a 20 pin. Nella tabella sono riportati i codici "firmware" della ROM MK.
La maggior parte dei resistori sono installati perpendicolarmente alla scheda. I ponticelli sono inseriti nei fori contrassegnati nel disegno inferiore (secondo la Fig. 2) con quattro punti, collegando i conduttori stampati su diversi lati della scheda. La configurazione del dispositivo si riduce all'impostazione delle tensioni di riferimento e dei valori richiesti delle correnti di carica e scarica. Le tensioni di riferimento (vedere la tabella nella parte inferiore sinistra della Fig. 1) vengono impostate tagliando i resistori R42, R43, R44 e selezionando il resistore R41. Lo fanno senza MK, rimuovendolo temporaneamente dal pannello. Due conduttori vengono inseriti nelle prese 2 e 3 (o saldati ai corrispondenti cuscinetti di contatto della scheda) e collegati tramite resistori con una resistenza di 10 kOhm a una sorgente di tensione di +5 V. Quindi l'alimentazione viene fornita alla scheda e, collegando i contatti del pannello nominati in diverse combinazioni con il filo comune (codici 00, 01, 10, 11), utilizzando resistori regolati, impostare le tensioni indicate sullo schema al punto K (pin 4 del chip DA1; E0 è il più significativo bit, E1 è il bit meno significativo). Le correnti di carica richieste vengono impostate selezionando i resistori R3 - R5. Per fare ciò, installare una batteria scarica a 1 V in qualsiasi cella, inserire una striscia di lamina in fibra di vetro a doppia faccia (o getinax) con pezzi di filo di montaggio saldati alla lamina tra il terminale positivo e il contatto corrispondente e collegare un milliamperometro con limite di misura ai capi liberi di quest'ultimo di 150...300 mA. Il resistore R4 viene temporaneamente sostituito con un resistore sintonizzato con una resistenza di 270...330 Ohm (preferibilmente a filo avvolto multigiro) e, attivando la modalità di carica forzata con il pulsante SB1, selezionano tale resistenza della parte del resistore introdotto nel circuito in cui la corrente di carica è pari a 6 mA (per una batteria con una capacità di 600 mA h). Quindi saldano invece un resistore costante di resistenza simile, lo sostituiscono con un resistore di sintonizzazione R3 e, chiudendo i contatti dell'interruttore SA1, ottengono un aumento di corrente a 80 mA (per batterie con una capacità di 800 mAh). Infine, con i contatti di entrambi gli interruttori SA1 e SA2 chiusi, viene selezionata la resistenza del resistore R5 corrispondente ad una corrente di carica di 120 mA (per batterie con capacità di 1200 mAh). Allo stesso modo vengono selezionati i resistori dei circuiti di carica e le restanti tre celle. La corrente di scarica (circa 60 mA con una tensione della batteria di 1,2 V) viene impostata selezionando il resistore R9. Per accelerare lo scarico delle batterie con una capacità di 800 e 1200 mAh (nel primo caso con una corrente di 80 e nel secondo - 120 mA), è possibile introdurre altri due resistori nel circuito del collettore del transistor VT3, collegati in parallelo a R9 utilizzando interruttori simili a SA1, SA2 (naturalmente gli stessi. In questo caso è necessario apportare modifiche ai circuiti di bit delle restanti celle). In conclusione, va notato che il dispositivo descritto è in grado di caricare batterie di capacità maggiore. Per fare ciò è necessario sostituire DA2-DA5 con stabilizzatori per una corrente più elevata (300...400 mA) e i transistor chiave con altri più potenti. Autori: M. Demenev, I. Koroleva
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