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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Carica batteria veloce
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Caricabatterie, batterie, celle galvaniche Il dispositivo descritto nell'articolo è progettato per la ricarica accelerata di batterie Ni-Cd e Ni-MH con una corrente esponenzialmente decrescente. I suoi vantaggi includono la possibilità di selezionare il tempo di ricarica nell'intervallo da 45 minuti a 3 ore, facilità di fabbricazione e regolazione, nessun riscaldamento delle batterie al termine della ricarica, la possibilità di controllare visivamente il processo di ricarica, ripristino automatico del processo quando l'alimentazione viene spenta e poi accesa, facilità d'uso. Il dispositivo può essere utilizzato come supporto per misurare le caratteristiche di carica e scarica delle batterie. Quando si carica con una grande corrente costante (0.5E o più, dove E è la capacità della batteria), la batteria inizia a riscaldarsi dopo una carica del 75 ... 80% e le batterie Ni-MH si riscaldano più di Ni-Cd [1 ]. Dopo che la batteria è completamente carica, la temperatura aumenta rapidamente [1] e, se questo processo non viene interrotto in tempo, termina con l'accensione o l'esplosione della batteria. La temperatura consigliata per terminare la ricarica è di +45 °С [2]. Tuttavia, questo criterio è adatto solo in caso di emergenza: la combinazione di sovraccarico e surriscaldamento riduce la capacità della batteria e, quindi, ne accorcia la durata. Anche il raggiungimento di una certa tensione sulla batteria non è un criterio soddisfacente per la fine del processo. Il fatto è che il suo valore corrispondente a una carica completa non è noto in anticipo, poiché dipende dalla temperatura e dall '"età" della batteria. Un errore di pochi millivolt porta al fatto che la carica della batteria non finisce mai o termina troppo presto [3]. Quando si carica con una corrente costante, è facile controllare la carica: è direttamente proporzionale alla durata del processo. In particolare il suo valore può essere impostato pari alla capacità nominale della batteria. Ma nel tempo, la sua capacità diminuisce e alla fine della sua vita utile è circa l'80% del valore nominale. Pertanto, limitare la carica alla capacità nominale non garantisce l'assenza di sovraccarico e surriscaldamento delle batterie e, quindi, non può essere l'unico criterio per la fine della carica. Il criterio più difficile per la fine del processo è il momento in cui la tensione sulla batteria raggiunge il massimo e quindi inizia a diminuire. La tensione massima sulla batteria corrisponde a una carica completa, ma in [2] si mostra che è una conseguenza del riscaldamento della batteria in fase di recupero della carica. Il valore massimo è molto piccolo, specialmente per le batterie Ni-MH (circa 10 mV), quindi per rilevarlo vengono utilizzati ADC o convertitori tensione-frequenza [2]. Quando si carica una batteria, la tensione massima dei suoi diversi elementi viene raggiunta in momenti diversi, quindi è consigliabile controllarli separatamente. Inoltre, ci sono batterie con una caratteristica di carica anomala, sulle quali questo massimo è assente. In altre parole, monitorare solo la tensione non è sufficiente, è necessario controllare anche la temperatura e la quantità di carica che passa attraverso la batteria. Pertanto, quando si carica una batteria con una corrente costante elevata, è necessario controllare ciascuno dei suoi elementi in base a diversi criteri, il che complica il caricabatterie. Solo la ricarica con una corrente bassa (non superiore a 0,2E) non provoca il surriscaldamento di emergenza delle batterie anche con una grande ricarica. In questo caso, non è necessario monitorare lo stato di ciascun elemento, il caricabatterie risulta essere molto semplice, ma anche il suo svantaggio è evidente: un lungo tempo di ricarica. Esistono caricatori in cui la corrente di carica inizialmente elevata diminuisce nel tempo [4-6]. Anche in questo caso non è necessario monitorare lo stato di ogni elemento della batteria. Ma in questi dispositivi non c'è il controllo della quantità di carica e il raggiungimento di una certa tensione viene utilizzato come criterio per la carica completa, che, come accennato in precedenza, non è soddisfacente. In [7], viene descritto un caricabatterie in cui la batteria viene caricata come un condensatore da una sorgente di tensione costante attraverso un resistore. In questo caso, la corrente di carica dovrebbe teoricamente diminuire in modo esponenziale nel tempo con una costante di tempo pari al prodotto della capacità equivalente della batteria per la resistenza di questo resistore. In pratica, la dipendenza della corrente di carica dal tempo differisce da quella esponenziale, poiché la capacità equivalente e l'impedenza di uscita della sorgente cambiano durante il processo di carica. Ma anche se trascuriamo la differenza indicata, il parametro più importante - la costante del tempo di ricarica - è sconosciuto, per cui è impossibile controllare la carica che passa attraverso la batteria. Pertanto, la ricarica termina di nuovo quando viene raggiunta una certa tensione ... Nel dispositivo proposto viene scelta la corrente di carica sotto forma di impulso decrescente esponenzialmente perché di facile attuazione utilizzando il circuito RC più semplice. Termina naturalmente, eliminando la necessità di un timer per spegnere le batterie dopo un tempo predeterminato, e la carica è limitata anche se le batterie sono nel caricabatterie per molto tempo. È essenziale che la corrente di carica sia generata da un generatore di corrente, quindi il suo valore e la sua forma non dipendono dalla tensione sulle batterie, o dalla non linearità delle loro caratteristiche di carica. Durante la carica, la corrente attraverso le batterie I diminuisce esponenzialmente: I = l0exp(-t/T0), (1) dove t è il tempo; l0 - corrente di carica iniziale; T0 è la costante di tempo di ricarica. In questo caso, ogni batteria riceve una carica q, stimata dall'espressione q = I0T0[1 - exp(-t/T0)] = (I0 - I)T0. (2) I grafici delle dipendenze di I e q dal tempo t sono presentati in fig. uno.
Si può notare che durante il tempo 0T0,95 la carica raggiunge il valore 0I0T0 per poi avvicinarsi al valore I0T0. Si consiglia di scegliere i valori di I0 e TXNUMX secondo le formule I0 \u0d nE, T1 \u1.2,3,4d 3 h / n, dove n \uXNUMXd XNUMX. (XNUMX) Il valore più conveniente è n \u1d 3. La corrente di carica iniziale in questo caso è pari alla capacità elettrica E, il tempo di ricarica è di 2 ore (puoi praticamente lasciare le batterie nel caricabatterie durante la notte e al mattino saranno completamente carico). Se tale tempo di carica è troppo lungo, il valore di n viene aumentato. A n = 1,5, saranno 2 ore con una corrente di carica iniziale di 3E. Questa modalità è adatta per batterie Ni-Cd e Ni-MH. Aumentando n a 1 si riduce il tempo di carica a 4 ora, ma la corrente di carica iniziale aumenta a 45E. Infine, a n = 4, il tempo di carica viene ridotto a XNUMX min e la corrente di carica iniziale viene aumentata a XNUMXE. Valori di n pari a 3 e 4 sono accettabili per le batterie Ni-Cd, poiché la loro resistenza interna è bassa (inferiore a 0,1 ohm). Per quanto riguarda le batterie Ni-MH, la loro resistenza interna è parecchie volte maggiore, quindi una grande corrente può riscaldarle all'inizio della carica, il che è inaccettabile. I valori superiori a 4 non sono consigliati. È possibile scegliere I0 5% più grande di quello determinato dalla formula (3). Quindi il tempo esatto di ricarica sarà di 3 h/n e un'ulteriore ricarica del 5% non è significativa. Il principio di funzionamento del dispositivo è illustrato in Fig. 2.
Il condensatore C1, precaricato alla tensione U0l, viene scaricato attraverso l'amplificatore di corrente A1 con resistenza di ingresso Rin e guadagno di corrente Ki. La corrente nel circuito di ingresso dell'amplificatore Iin | P è determinata dall'espressione lin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (quattro) La corrente nel circuito di uscita dell'amplificatore I = Kilin carica la batteria GB1: I = KlU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0exp(-t/RinC1), (5) dove S = Ki/Rin è la pendenza del guadagno dell'amplificatore visto come un convertitore tensione-corrente. Confrontando (2) e (5), abbiamo T0 = RinC1, I0 = KU0/Rin = SU0.(6) Conviene scegliere U0 = 1 V, C1 = 1000 μF, quindi dalla (3) segue che Rin = 3,6 MΩ / n, S = nE, Ki = SRin = 3600000E. (7) Ad esempio, a E = 1 Ah e n = 1, i seguenti parametri dovrebbero essere: Rin=3,6 MΩ, S=1 A/V, K=3600000=131 dB. Lo schema schematico del dispositivo è mostrato in fig. uno.
L'amplificatore di corrente è assemblato sull'amplificatore operazionale DA2.1 e sui transistor VT2 e VT3. La tensione di alimentazione dell'amplificatore operazionale è stabilizzata dal chip DA1. Il nodo sul transistor VT1 controlla il valore di questa tensione. Quando è normale, questo transistor è aperto, la corrente scorre attraverso la bobina del relè K1, i contatti del relè K1.1 sono chiusi, il LED HL1 si accende, segnalando il normale funzionamento del dispositivo. L'interruttore SA1 seleziona la modalità di carica: corrente continua (quando i suoi contatti sono chiusi) o decrescente esponenziale (quando sono aperti). I resistori R2 e R3 formano un partitore di tensione. La tensione sul motore del resistore variabile R3 determina la corrente di carica. Nella modalità "Costante", questa tensione viene alimentata attraverso il resistore R1 e i contatti chiusi del relè K1.1 all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. La sua corrente di uscita è amplificata dai transistor VT2, VT3 ed è impostata in modo tale che le tensioni attraverso i resistori R11 e R5 diventino le stesse. Il guadagno di corrente K, = R5/R11 e con i valori indicati nel diagramma è approssimativamente pari a 107, e la pendenza di conversione della tensione b corrente S=1/R11=ZA/V. Nella modalità "Decrescente" (i contatti dell'interruttore SA1 sono aperti), il condensatore C2 con una capacità di 1000 μF viene scaricato attraverso il resistore R5 con una costante di tempo selezionata dalla formula (3). La corrente in diminuzione esponenziale attraverso questo condensatore viene amplificata dall'amplificatore operazionale DA2.1 e dai transistor VT2, VT3 e carica le batterie collegate al connettore X1 ("Output"). Il diodo VD2 impedisce loro di scaricarsi quando viene interrotta la tensione di alimentazione. L'amperometro PA1 viene utilizzato per controllare il valore della corrente di carica. Il condensatore C5 impedisce l'autoeccitazione del dispositivo. Resistori R4, R8-R10 - limitazione di corrente. Proteggono l'amplificatore operazionale e il transistor VT2 in situazioni di emergenza, ad esempio quando il resistore R11 si rompe o il transistor VT3 si rompe, prevenendo il guasto di altri elementi. Quando l'alimentazione viene interrotta nella modalità di carica con una corrente decrescente, il transistor VT1 si chiude e il relè apre i contatti K1.1, impedendo l'ulteriore scarica del condensatore C2. Il LED HL1 si spegne, segnalando un'interruzione di corrente. Al ripristino dell'alimentazione il transistor VT1 si apre, il relè K1 chiude i contatti K1.1 e la carica della batteria riprende automaticamente dal valore di corrente a cui era stata interrotta. Il LED HL1 si riaccende, segnalando la ripresa della ricarica. Premendo il pulsante SB1, è possibile interrompere brevemente la carica quando si rimuovono le caratteristiche di carica. In questo caso, il condensatore C4 impedisce la penetrazione dell'interferenza di rete all'ingresso dell'amplificatore operazionale. Il dispositivo è assemblato su un circuito stampato universale e alloggiato in un alloggiamento di dimensioni 310x130x180 mm. Le batterie AA sono posizionate in una scanalatura sul coperchio superiore della custodia. Le prese di contatto sono realizzate sotto forma di pezzi di nastro in lamiera stagnata, che vengono premuti contro le batterie da una molla da un compartimento standard per una cella AA. Nessuna corrente scorre attraverso la molla. Si noti che gli scomparti in plastica disponibili in commercio sono adatti solo per correnti non superiori a 500 mA. Il fatto è che la corrente che scorre attraverso le molle di contatto le riscalda, mentre anche le batterie si riscaldano. Già a una corrente di 1 A, le molle si riscaldano così tanto da sciogliere la parete dell'alloggiamento in plastica del vano, rendendone impossibile l'ulteriore utilizzo. Il transistor VT3 è montato su un dissipatore a coste con una superficie di 600 cm2, il diodo VD2 è montato su un dissipatore a piastre con una superficie di 50 cm2. Il resistore R11 è composto da tre resistori MLT-1 collegati in parallelo con una resistenza di 1 ohm. Tutti i collegamenti ad alta corrente sono realizzati con pezzi di filo di rame con una sezione trasversale di 3 mm2, che vengono saldati direttamente alle conclusioni delle parti corrispondenti. L'amplificatore operazionale K1446UD4A (DA2) può essere sostituito con un chip K1446UD1A o un'altra di queste serie, ma tra i due amplificatori operazionali è necessario scegliere quello con la tensione di polarizzazione inferiore. Il secondo op-amp può essere utilizzato come parte di un ponte sensibile alla temperatura [8] per l'arresto di emergenza delle batterie in caso di surriscaldamento durante la carica con corrente continua (non è stato osservato alcun surriscaldamento delle batterie durante la carica con corrente decrescente). Nel caso di utilizzo di altri tipi di amplificatori operazionali, va tenuto presente che in questo progetto il suo alimentatore è unipolare, quindi deve essere operativo a tensione zero su entrambi gli ingressi. Il microcircuito KR1157EN601A (DA1) è sostituibile dallo stabilizzatore di questa serie con indice B, così come dal microcircuito serie K1157EN602, tuttavia, quest'ultimo ha un "pinout" diverso [9]. Transistor VT1 - qualsiasi delle serie KP501, VT2 deve avere un coefficiente di trasferimento di corrente statico della base h21E di almeno 100. Il transistor KT853B (VT3) differisce in quanto il suo h21E supera 1000. Altri tipi di transistor possono essere utilizzati come VT2, VT3, ma la corrente di guadagno complessiva deve superare 100. Il condensatore C2, che imposta la costante di tempo di carica T0, deve avere una capacità stabile, non necessariamente uguale al valore nominale indicato nel diagramma, poiché il valore richiesto di T0 viene impostato quando si regola la selezione del resistore R5. L'autore ha utilizzato un condensatore di ossido Jamicon con un ampio margine di tensione (25 volte). Relè K1 - interruttore reed EDR2H1A0500 di ECE con tensione e corrente di funzionamento, rispettivamente, 5 V e 10 mA. Una possibile sostituzione è un relè KUTs-1 di produzione nazionale (passaporto RA4.362.900). L'amperometro PA1 deve essere progettato per la massima corrente di carica (nella versione dell'autore, il dispositivo M4200 è stato utilizzato per la corrente ZA). Il fusibile FU1 è un MF-R300 autoripristinante di BOURNS [10]. L'impostazione del dispositivo si riduce all'impostazione del valore richiesto della costante di tempo di ricarica T0, selezionata dalla formula (3). La resistenza del resistore R5 è scelta uguale a Rin secondo la formula (7), assumendo che la capacità del condensatore C2 sia esattamente 1000 μF. Al posto delle batterie, è incluso un amperometro digitale. Prima di accendere l'alimentazione, sia durante la ricarica delle batterie che durante la configurazione del dispositivo, il cursore della resistenza variabile R3 viene spostato nella posizione inferiore (secondo lo schema) e i contatti dell'interruttore SA1 vengono chiusi (questo è necessario per scaricare il condensatore C2). Quindi si accende l'alimentazione e, spostando il cursore del resistore R3, la corrente iniziale l0 viene impostata a circa 1 A. Successivamente, SA1 viene trasferito nella posizione "Decrescente". Dopo un tempo T1 (approssimativamente uguale a T0), viene misurata la corrente i1. Il valore di resistenza corretto del resistore R5* è calcolato dalla formula R5* = R5[ln(l0/I1)]. Infine, viene installato un resistore R5 con una resistenza pari a questo valore corretto. Le batterie prima della ricarica devono essere scaricate a una tensione di 1...1,1 V per evitare il loro sovraccarico e la manifestazione dell'effetto memoria [2]. Se le batterie si surriscaldano durante la scarica, devono essere raffreddate a temperatura ambiente (0...+30 °С [2]) prima della ricarica. Prima di collegare le batterie al caricabatterie, è necessario assicurarsi che sia diseccitato, il cursore del resistore R3 sia nella posizione inferiore (secondo lo schema) e SA1 sia nella posizione "Costante". Inoltre, osservando la polarità, installare le batterie, accendere l'alimentazione e utilizzare il resistore variabile R3 per impostare la corrente iniziale l0 secondo la formula (3). Successivamente, SA1 viene trasferito nella posizione "Decrescente" e, trascorso il tempo del XNUMX, le batterie sono pronte per l'uso. Per alimentare il dispositivo, è necessaria una sorgente di tensione da 8 a 24 V, che può essere non stabilizzata. Puoi caricare da una a dieci celle contemporaneamente. La tensione di alimentazione minima, tenendo conto dell'ondulazione, dovrebbe essere di 2 V per cella più 4 V (ma entro i limiti specificati). Il dispositivo può essere utilizzato come supporto per non solo caricare, ma anche scaricare le caratteristiche delle batterie. In quest'ultimo caso, la batteria in prova deve essere collegata al dispositivo con polarità inversa. La tensione sui suoi elettrodi deve essere costantemente monitorata con un voltmetro. Non dovrebbe essere consentito cambiare la sua polarità, in modo da non causare la distruzione di emergenza della batteria. Per questo motivo si sconsiglia di scaricare una batteria di più celle collegate in serie in questo modo, in quanto è possibile perdere il momento di guasto della cella di minore capacità. Letteratura
Autore: M. Evsikov, Mosca
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