Схемотехника зарядных устройств
145
Рис. 8.3. Принципиальная схема импульсного зарядного устройства на основе
МАХ712, МАХ713
элементе. Например, необходимо изготовить зарядное устройство на четыре никель-кадмиевых элемента. Напряжение конца заряда для них составляет 1,4 В. Напряжение источника выбирают из расчета 1,4 + 2 = 3,4 В/элемент. С учетом того, что элементов четыре, напряжение источника питания должно быть не менее 3,4*4= 13,6 В.
Приведенные выше схемы дают представление о том, насколько просто при наличии современной элементной базы можно изготовить зарядное устройство с высокими эксплуатационными характеристиками. На практике любая из этих схем, принятая за основу, «обрастает», добавляя зарядному устройству новые возможности, улучшая его и без того хорошие характеристики. Например, для того чтобы еще существенно снизить нагрев линейного зарядного устройства, используют ШИМ2-стабилизатор на основе сдвоенного таймера 1СМ7556. Вместо регулирующего транзистора можно включить микросхемы ключевого стабилизатора напряжения МАХ726. Это позволит увеличить ток заряда импульсного зарядного устройства до 5 А. Если немного доработать схему и ввести в нее микросхему таймера ICM7555, транзисторный ключ и светодиод с гасящим резистором, несложно
|
|
2 ШИМ — широтно-импульсная модуляция.
обеспечить индикацию заряда: в режиме быстрого заряда светодиод будет гореть непрерывно, а в режиме компенсирующего заряда мигать с заданной частотой.
Если зарядное устройство собирают «для себя» в кустарных условиях, достаточно приобрести необходимые детали, собрать и отладить устройство. Другое дело, если требуется изготовить серию подобных устройств или серии устройств с близкими характеристиками, но разными характеристиками. В этом случае значительно сэкономить время позволит выпускаемый той же фирмой, что и микросхемы зарядных устройств, комплект разработчика или, как его называют в иностранной литературе Development Kit, Evaluation Kit.
Такой комплект представляет собой готовую плату, на которой смонтированы детали зарядного устройства, установлены переключатели, позволяющие изменять его режимы работы. Комплекты могут выпускаться для одной микросхемы, а могут и для нескольких сходных по параметрам микросхем. На фото 8.1 показан комплект разработчика (Fast Charge Development System) DV2004L1 для создания зарядных устройств на основе микросхемы bq2004 — очень популярной у производителей электронной техники.
Почему так популярна bq2004? На основе этой микросхемы создают зарядные устройства скоростного заряда для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей в основном используемых в бытовой и профессиональной технике подвижной связи, в других приложениях. Заряд в таких устройствах протекает в два этапа: скоростной заряд и после него выравнивающий или компенсирующий заряд. Величина зарядного тока программируется и может составлять от С/4 до 4С. Но главное — очень четкое прекращение процесса заряда практически по всем возможным характеристикам заряда: по скорости нарастания температуры ΔТ/Δt, по пиковому напряжению на батарее, по кратковременному спаду напряжения -ΔV/Δt, по максимальному напряжению, по максимальной температуре, по сигналу таймера. Однако и это не все! Микросхема bq2004 обеспечивает индикацию скоростного и компенсирующего заряда, а также принудительный контрольно-тренировочный цикл, для запуска которого необходимо один раз нажать на кнопку. Сразу после этого зарядное устройство полностью разрядит аккумуляторную батарею, а затем зарядит ее вновь. Это очень удобно, и
|
|
146
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
147
Фото 8 1 Плата из комплекта разработчика DV2004L1 для создания зарядных устройств на основе bq2004
даже неподготовленному пользователю будет несложно устранить последствия эффекта памяти. Микросхема bq2004 имеет модификации, которые незначительно отличаются по параметрам: bq2004, bq2004E, bq2004H.
Микросхемы bq2004 выпускаются в 16-выводных корпусах двух типов: DIP — для монтажа в отверстие и SOIC Narrow (SN) — для поверхностного монтажа. Расположение выводов показано на рис. 8.4.
Рис 8.4. Расположение выводов микросхемы bq2004 |
По выводу DCMD (Discharge-befo-re-Charge Control Mode) происходит управление запуском контрольно-тренировочного цикла — глубоко заряда с последующим немедленным зарядом. Запуск осуществляется подачей на этот вывод отрицательного импульса. Он может быть принудительным, если между выводом и общим проводом включить, например, кнопку, а может быть и автоматическим, если этот вывод соединить непосредственно с общим проводом. В последнем случае при каждой установке аккумуляторной батареи на заряд она автоматически сначала будет разряжена, а по окончании цикла разряда немедленно заряжена.
По выводу DSEL обеспечивается управление индикацией — двумя светодиодами LED1 и LED2, подключаемыми к соответствующим выводам микросхемы, которые показывают состояние зарядного устройства. В зависимости от того, куда подключен вывод DSEL, можно включить один из трех режимов индикации (табл. 8.4).
По выводу VSEL производится выбор метода прекращения заряда. Если на нем высокий уровень — используется отключение батареи по достижении пикового напряжения. Если этот вывод не подключен, используется метод -ΔV заряда. Если же уровень на выв. DSEL низкий, то оба способа отключения батареи неактивны.
Установкой различных уровней на выводах ТМ1, ТМ2 программируются режимы работы таймеров, которые задают время быстрого заряда, время отключения по окончании заряда, время компенсирующего заряда (табл. 8.5).
По выводу ТСО задается максимальное значение температуры батареи, при которой происходит прекращение цикла заряда. Это так называемая температура отсечки (Temperature Cut-off). Если потенциал между выводами TS и SNS меньше напряжения на входе ТСО, процесс заряда — быстрого или выравнивающего — прекращается.
TS — вход для подключения термистора мониторинга температуры батареи.
ВАТ — вход контроля напряжения батареи относительно вывода SNS.
148
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
149
Таблица 8.4
Таблица 8. 5
Режим 1 | Состояние зарядного устройства | LED1 | LED2 | |
DSEL соединен с общ. проводом (VSS) | Батарея не подключена | 0 | 0 | |
|
|
DSEL не подключен
DSEL соединен с полож. выв. ист. питания (VCC)
Значение тока быстрого заряда | Уровни сигналов на выводах | Типовое время быстрого заряда, мин | Типовое время задержки после определения пикового напряжения или -ДУ,с | Значение тока выравнивающего заряда | Значение импульсного тока компенсационного заряда | Частота импульсов тока компенсационного заряда, Гц | |
ТМ1 | ТМ2 | ||||||
С/4 | 0 | 0 | 360 | 137 | откл. | откл. | откл. |
С/2 | не подкл. | 0 | 180 | 820 | откл. | С/32 | 240 |
1С | 1 | 0 | 90 | 410 | откл. | С/32 | 120 |
2С | 0 | не подкл. | 45 | 200 | откл. | С/32 | 60 |
4С | не подкл. | не подкл. | 23 | 100 | откл. | С/32 | 30 |
С/2 | 1 | не подкл. | 180 | 820 | С/16 | С/64 | 120 |
1С | 0 | 1 | 90 | 410 | С/8 | С/64 | 60 |
2С | не подкл. | 1 | 45 | 200 | С/4 | С/64 | 30 |
4С | 1 | 1 | 23 | 100 | С/2 | С/64 | 15 |
Вывод SNS представляет собой токоизмерительный вход цепи заряда. Изменение сигнала на этом выводе влияет на состояние выхода схемы управления зарядом MOD. Если вывод SNS соединить с общим проводом (VSS), на выходе MOD появится сигнал лог. 1, который инициализирует процесс заряда. Если же потенциал на выводе SNS возрастет, на выходе MOD будет сформирован сигнал лог. О, который остановит процесс заряда. Одновременно потенциал на выводе SNS является опорным для выводов TS и ВАТ. На рис. 8.5, а, б показаны цепи мониторинга напряжения и температуры аккумуляторной батареи соответственно.
Сопротивление делителя напряжения RBI, RB2 должно составлять не менее 200 кОм и не более 1 МОм. При этом отношение сопротивлений резисторов должно быть равно:
|
|
где N — количество элементов в батарее.
150
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
151
Рис. 8.5. Цепи мониторинга напряжения (а) и температуры (б) зарядного устройства на основе bq2004
В делитель напряжения RT1, RT2 цепи мониторинга температуры включен термистор с отрицательным ТКС3, который установлен внутри корпуса батареи, либо непосредственно соприкасается с элементами батареи в зарядном устройстве.
Соотношения между напряжениями в системе мониторинга определяется формулами:
Если внимательно изучить характеристики микросхемы bq2004, то обращает на себя внимание значение максимального напряжения на элементе. Оно равно 0,8 • VCC (В), а его допустимое отклонение по паспортным данным — всего ±0,030 В. Отсюда следует вопрос: а почему бы не использовать bq2004 в зарядном устройстве литий-ионных аккумуляторных батарей, ведь для них допуск напряжения заряда составляет ±0/,050 В? На рис. 8.6 представлена схема универсального зарядного устройства, предназначенного для заряда как никель-кадмиевых и ни-кель-металлгидридных, так и литий-ионных батарей.
Представленная схема зарядного устройства работает в ключевом режиме. К выводам ВАТ+ и ВАТ- подключают аккумуляторную батарею. Если батарея никель-металлгидридная, вывод SELC оставляют свободным. Если же требуется зарядить литий-ионную батарею, его соединяют с выводом ВАТ+.
3 ТКС — температурный коэффициент сопротивления.
152
Схемотехника зарядных устройств
Схемотехника зарядных устройств
153
Метод заряда никель-металлгидридных батарей — быстрый заряд с отключением по методу ΔT. Катушка L1 намотана на тороидальном сердечнике ST50-267 производства фирмы MICROMETALS и содержит 70 витков провода диаметром AWG224. Начальное значение ее индуктивности — 3 мГн. При необходимости увеличить ток заряда индуктивность следует уменьшать. Частота переключения составляет около 30 кГц.
При заряде никель-металлгидридных батарей зарядное устройство сконфигурировано, чтобы обеспечить основной заряд током 1С, а также выравнивающий заряд малым током по окончании основного с переходом в режим импульсной струйной подзарядки. В данном примере величина тока быстрого заряда выбрана равной 2,25 А. Зарядное устройство предназначено для заряда 9-элементной батареи. Порог ΔТ-отключения определяется сопротивлением резисторов R8 и R9, а порог отключения по достижению аккумуляторами максимальной температуры — R5 и R6.
Для переключения зарядного устройства в режим заряда литий-ионной батареи, как было сказано выше, вывод SELC соединяют с выводом ВАТ+. В приведенном примере обеспечивается заряд литий-ионной батареи, состоящей из трех соединенных параллельно цепочек. Каждая цепочка состоит из трех последовательно включенных литий-ионных аккумуляторов. Начальный ток заряда ограничен до величины 1,9 А при напряжении заряда 4,225 В. При заряде графитовых литий-ионных элементов это напряжение при помощи резисторов R19, R20 следует уменьшить до 4,125 В. По окончании основного заряда следует 6-часовой перерыв (устанавливается по выводам ТМ1, ТМ2). После чего включается индикатор завершения заряда.