Типи і призначення автоматичних зарядних пристроїв

Різні електронні пристрої в своїй роботі використовують портативні джерела енергії, акумулятори. Найбільш поширене напруга для їх роботи становить 12 вольт. Акумулятори, віддаючи накопичену енергію пристроїв, періодично самі потребують зарядки. При відновленні їх енергії найзручніше застосовувати автоматичний зарядний пристрій (ЗУ), що дозволяє спростити операції, що виконуються користувачем до мінімуму.

Типи акумуляторів і принцип їх роботи

Існують різні технології, що застосовуються при виготовленні акумуляторних батарей (АКБ). Залежно від процесів, що проходять в середині елементів батарей, використовуються різні методи відновлення заряду. Маючи приблизно однаковий принцип роботи, акумулятори поділяються за матеріалами виготовлення і хімічних процесів, які проходять в них.

1. Нікель-кадмієві (NiCd). Вперше з'явилися в 1899 році. Їх технологія виробництва поліпшувалася до тих пір, поки в 1947 році не створили елемент з можливістю анігіляції газів, що з'являються в процесі заряду. Основні переваги цього типу: можливість проводити швидкий заряд, висока здатність навантаження, невисока ціна, хороша надійність і морозостійкість. Зберігати АКБ, можливо, при будь-якого ступеня заряду. У той же час з недоліків виділяється: присутність ефекту пам'яті, токсичність, низька щільність енергії, швидкість саморозряду досягає 10 відсотків на місяць. В даний час в побуті практично не використовуються через свою токсичність.
2. Нікель-метал-гидридні (NiMh). У 1984 році застосування сполуки La-Ni-Co дозволило поглинати водень протягом більше 100 циклів. При порівнянні з Ni-Cd акумуляторами у них виділяють більш високі значення питомих енергетичних показників і вони не токсичні. Термін служби NiMh батарей залежить від часу заряду і методу його контролю. Такого типу акумулятори чутливі до перезаряду і характеризуються від 500 до 1 тис. Разрядно-зарядними циклами. Термін експлуатації складає від 3 до 5 років.
3. Літій-іонний (LiIon). Є на сьогоднішній день найбільш перспективними елементами. За ціною вони дорожче інших видів батарей, але практично не мають недоліків. Перший такого типу акумулятор був випущений в 1991 році компанією Sony. Крім, високою енергетичною ємності мають найнижчу величину саморозряду з усіх інших типів. Кількість циклів заряд-розряд перевищує тисячу разів. Батареї першого покоління на основі анода з металевого літію, володіли вибухонебезпечність при перезаряді або багаторазових циклах заряд-розряд. Заміна анода на графіт, у виробах другого покоління, повністю усунула проблему.
4. Літій-полімерний (LiPol). Такого типу акумулятор розроблявся для заміни LiIon першого покоління. В основі конструкції використовується перехід полімерів в напівпровідниковий стан при впливі на них іонів. Основна відмінність від літій-іонних батарей використання твердого електроліту. Сучасні LiPol батареї можуть виконуватися в гнучкою формі, при цьому товщина елементів становить один і більше міліметрів. Кількість циклів заряду 800 раз, ефект пам'яті відсутній. Для усунення виникнення пожежі та вибуху, все акумулятори комплектуються електронною схемою, яка контролює заряд і не допускає перегріву.
5. Свинцево-кислотний пристрій був розроблений в 1859 році. Конструктивно батарея збирається з шести елементів живлення з номінальним значенням напруги 2,2 вольта, з'єднаних між собою послідовно. Кожен елемент представляє собою набір ґратчастих пластин зі свинцю. Пластини покриваються активним матеріалом і занурюються в електроліт. Батарея має значенням саморазряда нижче, ніж NiCd в шість разів і має хорошу переносимість потужних навантажень.Недоліки, полягають у важкій вазі і швидке погіршення характеристик на морозі. При глибокому розряді, що перевищує вісімдесят відсотків, тривалість життя акумулятора різко знижується.
6. Гелієві батареї. Випускаються за технологією AMG і GEL з електролітом, що знаходяться у зв'язаному стані. Характеризуються низьким саморазрядом і витримують близько двохсот циклів заряд-розряд. При відновленні енергії вимагають 10% від номінальної ємності АКБ. Недолік цього типу в тому, що акумулятор не повинен нагріватися, так як можливий перехід гелію в рідкий стан.

Принцип дії акумуляторів заснований на хімічних реакціях, що проходять при взаємодії різних матеріалів між собою. Ці процеси зворотні, цикли накопичення і віддачі енергії мають можливість повторюватися неодноразово. Корпус АКБ виготовляється герметичного виду з висновками клем.

Всі сучасні батареї не вимагають обслуговування.

Види зарядних пристроїв для акумуляторів

Ємність і тривалість періоду використання акумуляторної батареї залежить від умов її експлуатації і вибору методу зарядки. Якісне ЗУ має не допускати перезарядження батареї і мати захист від перегріву. Існує два методи здійснення контролю заряду:

Перший спосіб використовується для NiCd і NiMh акумуляторних батарей, а другий для свинцево-кислотних, LiIon і LiPol батарей. Автоматичні ЗУ для акумуляторів використовують в свій роботі спеціалізовані мікросхеми, які контролюють весь процес відновлення енергії.

ЗУ з контролем струму

Такі пристрої називають гальваностатичного. Головною характеристикою приладу заряду є величина струму, яким заряджається батарея. Правильно зарядити акумулятор і продовжити його робочі характеристики, Вийде тільки при підборі потрібного значення величини, а також швидкості заряду. Чим більше струм, тим вище і швидкість, але високе значення швидкості заряду призводить до швидкої деградації акумулятора. Автоматичні зарядні пристрої встановлюють значення струму рівним десяти відсоткам від ємності батареї (0,1).

Для усунення ефекту саморозряду, після закінчення заряду відбувається перемикання роботи ЗУ в режим підзарядки малим струмом. Деякі прилади для відновлення енергії обладнані можливістю швидкого заряду, при цьому струм зростає до значення 1С від ємності батареї. Часто використовувати такий режим не рекомендується в зв'язку з скороченням терміну служби елементів енергії.

Заряд батареї завершується, якщо струм заряду не змінюється протягом трьох годин.

ЗУ з контролем напруги

Працюють прилади в потенціостатичному режимі. Сам процес складається з двох етапів, на першому контролюється струм, а на другому напруга. Закінчення заряду відбувається за значенням зниження струму на встановлену величину або через певний час. Свинцево-кислотні та літій-іонні акумулятори заряджаються алгоритмами відмінними від нікель-кадмієвих та нікель-метал-гідридних. Для останніх існують три швидкості заряду: повільний (0,1), швидкий (0,3С) і надшвидкий (1С). Заряд акумулятора зупиняється при досягненні на ньому встановленого значення напруги.

Вимоги до зарядних приладів

Більше застосування отримали 12 вольт батареї в автомобілях і джерелах безперебійного живлення. На торгових майданчиках можна зустріти готові автоматичні зарядні пристрої для акумуляторів на 12в. Основні вимоги, що пред'являються до них, такі:

1. Регулювання струму. Прилад для заряду повинен вміти регулювати струм заряду як автоматично, так і вручну.
2. Облік нагріву. Зарядний пристрій повинен контролювати температуру. Значення температури АКБ в процесі заряду змінюється, правильно при цьому змінювати і напруга на ній. Наприклад, при збільшенні температури на 5 градусів, напруга на батареї необхідно знизити на 0,1-0,2 вольта. При сильному нагріванні процес заряду повинен зупинятися.
3. Проведення зарядки в кілька стадій.Стадійність процесу зарядки в ЗУ дозволяє продовжити терміни використання батареї. Перший етап полягає в аналізі стану батареї і при необхідності її розряду до порогового значення (усунення ефекту пам'яті). Другий етап заряд зростанням напруги і зменшенням сили струму. На третьому етапі відбувається підзаряд з підтриманням мінімального струму і напруги.
4. Робоча температура. ЗУ має забезпечувати бессбойную роботу в широкому діапазоні робочих температур.
5. Все що відбуваються стадії повинні легко ідентифікуватися на індикаторах приладу.
6. Зарядний пристрій повинен мати захист від короткого замикання і перенапруги на вході і виході.

Всіма процесами в автоматичних ЗУ управляють мікропроцесори. Завдяки їм цифровий прилад не вимагає втручання, а сам підбирає необхідну напругу і струм заряду. При використанні таких пристроїв можливість перезарядження батареї повністю виключена. Останнім часом в ЗУ стали застосовувати не постійний сигнал, а імпульсний, що забезпечує ефективний і щадний режим. З усіх моделей на ринку можна виділити із такими зарядними пристроями:

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

Універсальний пристрій для самостійного виготовлення

Вимоги, що пред'являються до пристрою, захист батареї від перезаряду при досягненні величини напруги рівного 13,7 вольт. Харчування самого приладу здійснюється від зовнішнього джерела з напругою 20-25 вольт. Прилад заряду не містить дефіцитних радіоелементів, простий в налаштуванні і має захист від короткого замикання.

Як регулятор струму використовується інтегральна мікросхема на LM317, його значення виставляється перемикачем SB1. Друга мікросхема включена за принципом обмеження напруги. Потрібне значення встановлюється опором RP2 і RP1. При досягненні встановленого напруги процес заряджання зупиниться. Потім, акумулятор може перебувати підключеним будь-який час не боячись перезарядження.

Компаратор DA4 використовується для управління світлодіодним індикацією. Як індикації використовується двоколірний діод. Червоний колір повідомляє про попереднє розряді, зелений про заряд.

При установці батареї відбувається порівняння її напруги з другим виходом компаратора. Транзистор, що працює в режимі ключа VT1 відкритий і струм, проходячи, через висновки світлодіода викликає його червоне свічення. На другий і четвертий вхід компаратора поступає напруга з стабілітрона VD5, рівне 6 вольт. Транзистор VT3 включений по схемі истокового повторювача. В вимагає зарядку акумуляторі, він відключає вузол обмеження напруги так, що працює тільки обмежувач струму.

Як тільки напруга на батареї наблизиться до встановленого значення і складе 12,8 вольт, на першому виведенні компаратора з'явиться високий рівень. Поріг встановлюється побором RP3 і RP4. Транзистор VT1 закривається і переводить другий і четвертий вихід мікросхеми в інверсію. Червоний світлодіод гасне, а зелений загоряється. VT3 закривається і починає працювати обмежувач напруги.

Стабілізація харчування 12 вольт для блоку управління і індикації, здійснюється з використанням інтегрального стабілізатора DA3 7812. Так як при заряді відбувається нагрів силових ключів, їх необхідно встановлювати на радіатор. Включення системи охолодження виконано на VT4. Якщо радіатор починає нагріватися, термопара подає сигнал на третю ногу компаратора, який відкриває транзистор VT4 і включає вентилятор.

Налаштування при правильному виконанні збірки і справних деталях зводиться до виставлення необхідних параметрів зарядки. На вхід подається сигнал величиною 20 вольт і перевіряється присутність 12 вольт на 3 нозі компаратора. На клеми X2, без підключення навантаження, встановлюється змінним резистором RP1 напруга 12,8 вольт. Змінним резистором RP3 досягається стан, при якому світлодіод світиться зеленим кольором. За допомогою RP5 налаштовується момент включення вентилятора.