Типы и назначение автоматических зарядных устройств

Различные электронные устройства в своей работе используют портативные источники энергии, аккумуляторы. Наиболее распространённое напряжение для их работы составляет 12 вольт. Аккумуляторы, отдавая накопленную энергию устройствам, периодически сами нуждаются в зарядке. При восстановлении их энергии наиболее удобно применять автоматическое зарядное устройство (ЗУ), позволяющее упростить операции, выполняемые пользователем до минимума.

Типы аккумуляторов и принцип их работы

Существуют различные технологии, применяемые при изготовлении аккумуляторных батарей (АКБ). В зависимости от процессов, проходящих в середине элементов батарей, используются разные методы восстановления заряда. Имея примерно одинаковый принцип работы, аккумуляторы разделяются по материалам изготовления и химическим процессам, проходящим в них.

1. Никель-кадмиевые (NiCd). Впервые появились в 1899 году. Их технология производства улучшалась до тех пор, пока в 1947 году не создали элемент с возможностью аннигиляции газов, появляющихся в процессе заряда. Основные достоинства этого типа: возможность проводить быстрый заряд, высокая нагрузочная способность, невысокая цена, хорошая надёжность и морозостойкость. Хранить АКБ, возможно, при любой степени заряда. В то же время из недостатков выделяется: присутствие эффекта памяти, токсичность, низкая плотность энергии, скорость саморазряда достигает 10 процентов в месяц. В настоящее время в быту практически не используются из-за своей токсичности.
2. Никель-металл-гидридные (NiMh). В 1984 году применение соединения La-Ni-Co позволило поглощать водород на протяжении более 100 циклов. При сравнении с Ni-Cd аккумуляторами у них выделяют более высокие значения удельных энергетических показателей и они не токсичны. Срок службы NiMh батарей зависит от времени заряда и метода его контроля. Такого типа аккумуляторы чувствительны к перезаряду и характеризуются от 500 до 1 тыс. разрядно-зарядными циклами. Срок эксплуатации составляет от 3 до 5 лет.
3. Литий-ионный (LiIon). Являются на сегодняшний день самыми перспективными элементами. По цене они дороже других видов батарей, но практически не имеют недостатков. Первый такого типа аккумулятор был выпущен в 1991 году корпорацией Sony. Кроме, высокой энергетической ёмкости имеют самую низкую величину саморазряда из всех других типов. Количество циклов заряд-разряд превышает тысячу раз. Батареи первого поколения на основе анода из металлического лития, обладали взрывоопасностью при перезаряде или многократных циклах заряд-разряд. Замена анода на графит, в изделиях второго поколения, полностью устранила проблему.
4. Литий-полимерный (LiPol). Такого типа аккумулятор разрабатывался для замены LiIon первого поколения. В основе конструкции используется переход полимеров в полупроводниковое состояние при воздействии на них ионов. Основное отличие от литий-ионных батарей использование твёрдого электролита. Современные LiPol батареи могут выполняться в гибкой форме, при этом толщина элементов составляет один и более миллиметров. Количество циклов заряда 800 раз, эффект памяти отсутствует. Для устранения возникновения воспламенения или взрыва, все аккумуляторы комплектуются электронной схемой, контролирующей заряд и не допускающей перегрева.
5. Свинцово-кислотное устройство было разработано в 1859 году. Конструктивно батарея собирается из шести элементов питания с номинальным значением напряжения 2,2 вольта, соединённых между собой последовательно. Каждый элемент представляет собой набор решетчатых пластин из свинца. Пластины покрываются активным материалом и погружаются в электролит. Батарея обладает значением саморазряда ниже, чем NiCd в шесть раз и имеет хорошую переносимость мощных нагрузок. Недостатки, заключаются в тяжёлом весе и быстром ухудшении характеристик на морозе. При глубоком разряде, превышающем восемьдесят процентов, продолжительность жизни аккумулятора резко снижается.
6. Гелиевые батареи. Выпускаются по технологии AMG и GEL с электролитом, находящимся в связанном состоянии. Характеризуются низким саморазрядом и выдерживают около двухсот циклов заряд-разряд. При восстановлении энергии требуют 10% от номинальной ёмкости АКБ. Недостаток этого типа в том, что аккумулятор не должен нагреваться, так как возможен переход гелия в жидкое состояние.

Принцип действия аккумуляторов основан на химических реакциях, проходящих при взаимодействии разных материалов между собой. Эти процессы обратимы, циклы накопления и отдачи энергии имеют возможность повторяться неоднократно. Корпус АКБ изготавливается герметичного вида с выводами клемм.

Все современные батареи не требуют обслуживания.

Виды зарядных устройств для аккумуляторов

Ёмкость и продолжительность периода использования аккумуляторной батареи зависит от условий её эксплуатации и выбора метода зарядки. Качественное ЗУ должно не допускать перезаряда батареи и иметь защиту от перегрева. Существует два метода осуществления контроля заряда:

• по току;
• по напряжению.

Первый способ используется для NiCd и NiMh аккумуляторных батарей, а второй для свинцово-кислотных, LiIon и LiPol батарей. Автоматические ЗУ для аккумуляторов используют в свой работе специализированные микросхемы, контролирующие весь процесс восстановления энергии.

ЗУ с контролем тока

Такие устройства называют гальваностатическими. Главной характеристикой прибора заряда является величина тока, которым заряжается батарея. Правильно зарядить аккумулятор и продлить его рабочие характеристики, получится только при подборе нужного значения величины, а также скорости заряда. Чем больше ток, тем выше и скорость, но высокое значение скорости заряда приводит к быстрой деградации аккумулятора. Автоматические зарядные устройства устанавливают значения тока равным десяти процентам от ёмкости батареи (0,1С).

Для устранения эффекта саморазряда, после окончания заряда происходит переключение работы ЗУ в режим подзаряда малым током. Некоторые приборы для восстановления энергии оборудованы возможностью быстрого заряда, при этом ток возрастает до значения 1С от ёмкости батареи. Часто использовать такой режим не рекомендуется в связи с сокращением срока службы элементов энергии.

Заряд батареи завершается, если ток заряда не изменяется в течение трёх часов.

ЗУ с контролем напряжения

Работают приборы в потенциостатическом режиме. Сам процесс состоит из двух этапов, на первом контролируется ток, а на втором напряжение. Окончание заряда происходит по значению снижения тока на установленную величину или через определённое время. Свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы заряжаются алгоритмами отличными от никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных. Для последних существуют три скорости заряда: медленный (0,1С), быстрый (0,3С) и сверхбыстрый (1С). Заряд аккумулятора останавливается при достижении на нём установленного значения напряжения.

Требования к зарядным приборам

Большее применение получили 12 вольтовые батареи в автомобилях и источниках бесперебойного питания. На торговых площадках можно встретить готовые автоматические зарядные устройства для аккумуляторов на 12в. Основные требования, предъявляемые к ним, следующие:

1. Регулировка тока. Прибор для заряда должен уметь регулировать ток заряда как автоматически, так и вручную.
2. Учёт нагрева. Зарядное устройство должно контролировать температуру. Значение температуры АКБ в процессе заряда изменяется, правильно при этом изменять и напряжение на ней. Например, при увеличении температуры на 5 градусов, напряжение на батареи необходимо снизить на 0,1–0,2 вольта. При сильном нагреве процесс заряда должен останавливаться.
3. Проведение зарядки в несколько стадий. Стадийность процесса зарядки в ЗУ позволяет продлить сроки использования батареи. Первый этап заключается в анализе состояния батареи и при необходимости её разряда до порогового значения (устранение эффекта памяти). Второй этап заряд ростом напряжения и уменьшением силы тока. На третьем этапе происходит подзаряд с поддержанием минимального тока и напряжения.
4. Рабочая температура. ЗУ должно обеспечивать бессбойную работу в широком диапазоне рабочих температур.
5. Все происходящие стадии должны легко идентифицироваться на индикаторах прибора.
6. Зарядное устройство должно иметь защиту от короткого замыкания и перенапряжения на входе и выходе.

Всеми процессами в автоматических ЗУ управляют микропроцессоры. Благодаря им цифровой прибор не требует вмешательства, а сам подбирает необходимое напряжение и ток заряда. При использовании таких устройств возможность перезаряда батареи полностью исключена. В последнее время в ЗУ стали применять не постоянный сигнал, а импульсный, обеспечивающий эффективный и щадящий режим. Из всех моделей на рынке можно выделить следующие зарядные устройства:

• Нyundai НY400.
• Daewoo DW450.
• WelleAwO5–1208.
• Dexa Star SM150.
• Vitals 2415ddca.

Универсальное устройство для самостоятельного изготовления

Требования, предъявляемые к устройству, защита батареи от перезаряда при достижении величины напряжения равного 13,7 вольт. Питание самого прибора осуществляется от внешнего источника с напряжением 20–25 вольт. Прибор заряда не содержит дефицитных радиоэлементов, прост в настройке и имеет защиту от короткого замыкания.

В качестве регулятора тока используется интегральная микросхема на LM317, его значение выставляется переключателем SB1. Вторая микросхема включена по принципу ограничения напряжения. Нужное значение устанавливается сопротивлением RP2 и RP1. При достижении установленного напряжения процесс заряда останавливается. Затем, аккумулятор может находиться подключённым любое время не боясь перезаряда.

Компаратор DA4 используется для управления светодиодной индикацией. В качестве индикации используется двухцветный диод. Красный цвет сообщает о предварительном разряде, зелёный о заряде.

При установке батареи происходит сравнение её напряжения со вторым выходом компаратора. Транзистор, работающий в режиме ключа VT1 открыт и ток, проходя, через выводы светодиода вызывает его красное свечение. На второй и четвёртый вход компаратора поступает напряжение со стабилитрона VD5, равное 6 вольт. Транзистор VT3 включён по схеме истокового повторителя. В требующем зарядку аккумуляторе, он отключает узел ограничения напряжения так, что работает только ограничитель тока.

Как только напряжение на батарее приблизится к установленному значению и составит 12,8 вольт, на первом выводе компаратора появится высокий уровень. Порог устанавливается побором RP3 и RP4. Транзистор VT1 закрывается и переводит второй и четвёртый выход микросхемы в инверсию. Красный светодиод гаснет, а зелёный загорается. VT3 закрывается и начинает работать ограничитель напряжения.

Стабилизация питания 12 вольт для блока управления и индикации, осуществляется с использованием интегрального стабилизатора DA3 7812. Так как при заряде происходит нагрев силовых ключей, их необходимо устанавливать на радиатор. Включение системы охлаждения выполнено на VT4. Если радиатор начинает нагреваться, термопара подаёт сигнал на третью ногу компаратора, который открывает транзистор VT4 и включает вентилятор.

Настройка при верном выполнении сборки и исправных деталях сводится к выставлению требуемых параметров зарядки. На вход подаётся сигнал величиной 20 вольт и проверяется присутствие 12 вольт на 3 ноге компаратора. На клемме X2, без подключения нагрузки, устанавливается переменным резистором RP1 напряжение 12,8 вольт. Переменным резистором RP3 достигается состояние, при котором светодиод светится зелёным цветом. С помощью RP5 настраивается момент включения вентилятора.