Eenvoudige Ni-Cd-batterijladercircuits onderzocht

De post bespreekt een eenvoudig NiCd-laadcircuit met een automatische bescherming tegen overlading en een constante stroomoplading.

Als het gaat om het correct opladen van een nikkel-cadmiumcel, wordt het ten zeerste aanbevolen om het laadproces te stoppen of af te breken zodra het volledig opgeladen is. Als u dit niet volgt, kan dit een negatieve invloed hebben op de levensduur van de cel, waardoor de efficiëntie van de back-up aanzienlijk afneemt.

Het eenvoudige Ni-Cad-oplaadcircuit dat hieronder wordt weergegeven, pakt effectief het overladencriterium aan door voorzieningen op te nemen zoals opladen met constante stroom en het afsluiten van de voeding wanneer de celterminal de volledige oplaadwaarde bereikt.

Belangrijkste kenmerken en voordelen

• Automatische uitschakeling bij volledig laadniveau
• Constante stroom tijdens het opladen.
• LED-indicatie voor afgesneden volledige lading.
• Hiermee kan de gebruiker meer fasen toevoegen voor het gelijktijdig opladen van maximaal 10 NiCd-cellen.

Schakelschema

Hoe het werkt

De eenvoudige configuratie die hier wordt beschreven, is ontworpen om een ​​enkele 'AA'-cel van 500 mAh op te laden met de aanbevolen laadsnelheid van bijna 50 mA, maar het kan gemakkelijk goedkoop worden aangepast om meerdere cellen tegelijk op te laden door het gebied dat met stippellijnen wordt weergegeven, te herhalen.

De voedingsspanning voor het circuit wordt verkregen van een transformator, bruggelijkrichter en 5 V IC-regelaar.

De cel is opgeladen met een T1-transistor die is geconfigureerd als een constante stroombron.

T1 daarentegen wordt bestuurd door een spanningscomparator met behulp van een TTL Schmitt-trigger N1. Gedurende de tijd dat de cel oplaadt, wordt de klemspanning van de cel op ongeveer 1,25 V gehouden.

Dit niveau lijkt lager te zijn dan de positieve triggerdrempel van N1, waardoor de output van N1 hoog blijft, en de output van N2 laag wordt, waardoor T1 de basisvoorspanning door de potentiaalverdeler R4 / R5 kan krijgen.

Zolang de Ni-Cd-cel wordt opgeladen, blijft de LED D1 verlicht. Zodra de cel bijna volledig is opgeladen, stijgt de klemspanning naar ongeveer 1,45 V. Hierdoor stijgt de positieve triggerdrempel van N1, waardoor de uitgang van N2 hoog wordt.

Deze situatie schakelt T1 onmiddellijk uit. De cel stopt nu met opladen en ook de LED D1 gaat uit.

Omdat de positieve activeringslimiet van N1 ongeveer 1,7 V is en deze wordt bestuurd door een specifieke tolerantie, zijn R3 en P1 opgenomen om deze te wijzigen in 1,45 V. De negatieve triggerlimiet van de Schmitt-trigger is ongeveer 0,9 V, wat toevallig lager is. dan de klemspanning van zelfs een volledig ontladen cel.

Dit houdt in dat het aansluiten van een ontladen cel in een circuit het opladen nooit automatisch zal starten. Om deze reden is een startknop S1 opgenomen die, indien ingedrukt, de invoer van NI laag neemt.

Om een ​​groter aantal cellen op te laden, kan het gedeelte van het circuit dat wordt onthuld in het vak met stippellijnen afzonderlijk worden herhaald, één voor elke batterij.

Dit zorgt ervoor dat, ongeacht de ontladingsniveaus van de cellen, elk afzonderlijk tot het juiste niveau wordt opgeladen.

PCB-ontwerp en component-overlay

In het onderstaande PCB-ontwerp zijn twee fasen gedupliceerd, zodat twee Nicad-cellen tegelijk kunnen worden opgeladen vanaf een enkele kaart.

Ni-Cad-oplader met behulp van een weerstand

Deze specifieke eenvoudige oplader kan worden gemaakt met onderdelen die te zien zijn in zowat de afvalcontainer van elke constructeur. Voor een optimale levensduur (aantal laadcycli) moeten Ni-Cad-accu's worden opgeladen met een relatief constante stroomsterkte.

Dit wordt vaak vrij eenvoudig bereikt door via een weerstand op te laden vanaf een voedingsspanning die vele malen hoger is dan de accuspanning. Verandering in de accuspanning tijdens het opladen heeft dan waarschijnlijk een minimale invloed op de laadstroom. Het voorgestelde circuit bestaat uit slechts een transformator, diodegelijkrichter en serieweerstand zoals aangegeven in figuur 1.

Door de bijbehorende grafische afbeelding kan de benodigde serieweerstandswaarde worden bepaald.

Een horizontale lijn wordt getrokken door de transformatorspanning op de verticale as totdat deze de gespecificeerde accuspanningslijn kruist. Vervolgens geeft een lijn die vanaf dit punt verticaal naar beneden wordt getrokken om de horizontale as te ontmoeten, ons vervolgens de benodigde weerstandswaarde in ohm.

De stippellijn laat bijvoorbeeld zien dat als de transformatorspanning 18 V is en de op te laden Ni-Cd-batterij 6 V, de weerstandswaarde voor de beoogde stroomregeling ongeveer 36 ohm zal zijn.

Deze aangegeven weerstand wordt berekend om 120 mA te leveren, terwijl voor sommige andere laadstroomsnelheden de weerstandswaarde op passende wijze moet worden verlaagd, b.v. 18 ohm voor 240 mA, 72 ohm voor 60 mA etc. D1.

NiCad-laadcircuit met behulp van automatische stroomregeling

Nikkel-cadmiumbatterijen hebben over het algemeen een constante laadstroom nodig. Het hieronder getoonde NiCad-laadcircuit is ontwikkeld om ofwel 50mA te leveren aan vier 1,25V-cellen (type AA), of 250mA aan vier 1,25V-cellen (type C) die in serie zijn aangesloten, hoewel het eenvoudig kan worden aangepast voor verschillende andere laadwaarden.

In het besproken NiCad-laadcircuit stellen R1 en R2 de onbelaste uitgangsspanning vast op ongeveer 8V.

De uitgangsstroom loopt door middel van R6 of R7, en als deze stijgt, wordt transistor Tr1 geleidelijk ingeschakeld.

Dit veroorzaakt punt Y te verhogen, transistor Tr2 in te schakelen en punt Z minder en minder positief te laten worden.

Het proces verlaagt dientengevolge de uitgangsspanning en heeft de neiging om de stroom te verlagen. Uiteindelijk wordt een balansniveau bereikt dat wordt bepaald door de waarde van R6 en R7.

Diode D5 blokkeert de batterij die wordt opgeladen en levert voeding aan de IC1-uitgang in het geval dat de 12V wordt verwijderd, wat anders ernstige schade aan de IC zou kunnen veroorzaken.

FS2 is ingebouwd om te beschermen tegen schade aan de accu's die worden opgeladen.

De keuze tussen R6 en R7 gebeurt met vallen en opstaan, wat betekent dat je een ampèremeter nodig hebt met een geschikt bereik, of, als de R6- en R7-waarden echt bekend zijn, de spanningsval erover kan worden berekend via de wet van Ohm.

Ni-Cd-oplader met een enkele opamp

Dit Ni-Cd-oplaadcircuit is ontworpen voor het opladen van standaard NiCad-batterijen van AA-formaat. Voor NiCad-cellen wordt meestal een speciale oplader aanbevolen omdat ze een extreem lage interne weerstand hebben, wat resulteert in een verhoogde laadstroom, zelfs als de gebruikte spanning net iets hoger is.

De oplader moet daarom een ​​circuit bevatten om de laadstroom tot een juiste limiet te beperken. In dit circuit werken T1, D1, D2 en C1 als een traditionele step-down, isolatie, dubbelfasige gelijkrichter en DC-filtercircuit. De extra onderdelen bieden de huidige regeling.

IC1 wordt gebruikt als een comparator met een afzonderlijke buffertrap Q1 die in dit ontwerp een behoorlijk hoge uitgangsstroomfunctionaliteit biedt. De niet-inverterende ingang van IC1 wordt geleverd met een 0,65 V: referentiespanning die wordt aangeboden via R1 en D3. De inverterende ingang is via R2 met aarde verbonden binnen ruststroomniveaus, waardoor de uitgang volledig positief kan worden. Met een NiCad-cel aan de uitgang, kan een hoge stroom een ​​poging doen om via R2 te komen, waardoor een gelijkwaardige hoeveelheid spanning over R2 ontstaat.

Het kan alleen maar toenemen tot 0,6V, maar een toenemende spanning op dit punt keert de ingangspotentialen van de IC1-ingangen om, waardoor de uitgangsspanning wordt verlaagd en de spanning rond R2 terug 0,65 V wordt verlaagd. De hoogste uitgangsstroom (en ook de ontvangen laadstroom) is als resultaat de stroom die wordt gegenereerd met 0,65 V over 10 ohm, of 65 mA simpelweg.

De meeste AA NiCad-cellen hebben een optimale geprefereerde laadstroom van niet meer dan 45 of 50 mA, en voor deze categorie moet R2 worden verhoogd tot 13 ohm zodat u over de juiste laadstroom beschikt.

Een paar varianten van snelladers werken mogelijk met 150 mA, en dit vereist een verlaging van R2 tot 4,3 ohm (3,3 ohm plus 1 ohm in serie voor het geval een ideaal onderdeel niet kan worden verkregen).

Bovendien moet T1 worden verbeterd tot een variant met een stroomsterkte van 250 mA., En Q1 moet worden geïnstalleerd met behulp van een klein koellichaam met boutbevestiging. Het apparaat kan gemakkelijk tot vier cellen opladen (6 cellen wanneer T1 wordt opgewaardeerd naar een 12 V-type), en deze moeten allemaal in serie over de uitgang worden aangesloten en niet parallel.

Universeel NiCad-oplaadcircuit

Figuur 1 toont het volledige schakelschema van de universele NiCad-oplader. Er wordt een stroombron ontwikkeld met behulp van de transistoren T1, T2 en T3, die een constante laadstroom bieden.

De huidige bron wordt pas actief als de NiCad-cellen op de juiste manier zijn bevestigd. ICI is gepositioneerd om het netwerk te controleren door de spanningspolariteit over de uitgangsklemmen te verifiëren. Als de cellen correct zijn opgetuigd, kan pin 2 van IC1 niet zo positief draaien als op pin 3.

Als resultaat wordt de IC1-uitgang positief en levert een basisstroom aan T2, die de huidige bron inschakelt. De huidige bronlimiet kan worden opgelost met S1. Een stroom van 50 mA, 180 mA en 400 mA zou vooraf kunnen worden ingesteld zodra de waarden van R6, R7 en RB zijn bepaald. Door S1 op punt 1 te plaatsen, is te zien dat de NiCad-cellen kunnen worden opgeladen, positie 2 is bedoeld voor C-cellen en positie 3 is gereserveerd voor D-cellen.

Diverse onderdelen

TR1 = transformator 2 x 12 V / 0,5 A
S1 = 3 standen schakelaar
S2 = schakelaar met 2 standen

De huidige bron werkt volgens een heel basisprincipe. Het circuit is bedraad als een current feedback-netwerk. Stel je voor dat S1 zich op positie 1 bevindt en de output van IC1 positief is. T2 en 13 beginnen nu een basisstroom te krijgen en beginnen met geleiding. De stroom via deze transistoren vormt een spanning rond R6, waardoor T1 in werking treedt.

Een escalerende stroom rond R6 betekent dat T1 sterker kan geleiden, waardoor de basisstuurstroom voor transistors T2 en T3 wordt geminimaliseerd.

De tweede transistor kan op dit punt minder geleiden en de initiële stroomstijging is beperkt. Een redelijk constante stroom door middel van R3 en de aangesloten NiCad-cellen wordt zo geïmplementeerd.

Een paar LED's die aan de stroombron zijn bevestigd, geven op elk moment de operationele status van de NiCad-oplader aan. IC1 levert een positieve spanning zodra de NiCad-cellen op de juiste manier zijn aangesloten, waardoor de LED D8 wordt verlicht.

Als de cellen niet met de juiste polariteit zijn verbonden, zal het positieve potentiaal op pin 2 van IC1 hoger zijn dan pin 3, waardoor de opamp-comparatoruitgang 0 V wordt.

In deze situatie blijft de huidige bron uitgeschakeld en gaat led D8 niet branden. Een identieke toestand kan zich voordoen als er geen cellen zijn aangesloten om op te laden. Dit kan gebeuren omdat pin 2 een verhoogde spanning zal hebben in vergelijking met pin 3, vanwege de spanningsval over D10.

De oplader wordt alleen geactiveerd als er een cel met minimaal 1 V is aangesloten. LED D9 geeft aan dat de huidige bron werkt als een stroombron.

Dit lijkt misschien nogal vreemd, maar een ingangsstroom gegenereerd door IC1 is gewoon niet voldoende, het spanningsniveau moet ook groot genoeg zijn om de stroom te versterken.

Dit houdt in dat de voeding altijd groter moet zijn dan de spanning over de NiCad-cellen. Alleen in deze situatie is het potentiaalverschil voldoende om de stroomterugkoppeling T1 in te schakelen en de LED D9 te verlichten.

PCB-ontwerp

Met behulp van IC 7805

Het onderstaande schakelschema toont een ideaal laadcircuit voor een ni-cad-cel.

Dit heeft een 7805 regelaar IC om een ​​constante 5V over een weerstand te leveren, waardoor de stroom afhankelijk is van de waarde van de weerstand, in plaats van van het celpotentiaal.

De waarde van de weerstand moet worden aangepast met betrekking tot het type dat wordt gebruikt voor het opladen, elke waarde tussen 10 Ohm en 470 Ohm kan worden gebruikt, afhankelijk van de cel-mAh-waarde. Vanwege het zwevende karakter van de IC 7805 met betrekking tot het aardpotentiaal, zou dit ontwerp kunnen worden toegepast voor het opladen van individuele Nicad-cellen of series van enkele cellen.

Ni-Cd-cel opladen via een 12V-voeding

Het meest fundamentele principe voor een acculader is dat de laadspanning hoger moet zijn dan de nominale accuspanning. Een 12 V-batterij moet bijvoorbeeld worden opgeladen via een 14 V-bron.

In dit 12V Ni-Cd-laadcircuit wordt een spanningsverdubbelaar gebruikt op basis van de populaire 555 IC. Omdat uitgang 3 van de chip afwisselend is aangesloten tussen de +12 V voedingsspanning en aarde, oscilleert de IC.

C₃wordt opgeladen via D_tweeen D₃tot bijna 12 V wanneer pin 3 logisch laag is. Het moment waarop pin 3 logisch hoog is, de junctiespanning van C₃en D₃verhoogt tot 24 V vanwege de negatieve pool van C₃die is aangesloten op +12 V, en de condensator zelf heeft een lading van dezelfde waarde. Vervolgens diode D₃wordt omgekeerd bevooroordeeld, maar D₄dirigeert net genoeg voor C₄om meer dan 20 V op te laden. Dit is meer dan genoeg spanning voor ons circuit.

De 78L05 in het IC_tweeposities fungeert als een huidige leverancier die toevallig zijn uitgangsspanning behoudt, U_n, van verschijnen over R₃bij 5 V. De uitgangsstroom, I_n, kan eenvoudig worden berekend uit de vergelijking:

Iη = Uη / R3 = 5/680 = 7,4 mA

De eigenschappen van de 78L05 omvatten het trekken van stroom zelf, aangezien de centrale aansluiting (meestal geaard) de onze ongeveer 3 mA geeft.

De totale laadstroom is ongeveer 10 mA en dat is een goede waarde voor het constant opladen van NiCd-batterijen. Om aan te geven dat de laadstroom vloeit, is een LED in het circuit opgenomen.

Laadstroomgrafiek

Figuur 2 geeft de eigenschappen van de laadstroom weer tegen de accuspanning. Het is duidelijk dat het circuit niet helemaal perfect is, aangezien de 12 V-batterij wordt opgeladen met een stroom van slechts ongeveer 5 mA. Enkele redenen hiervoor:

• De uitgangsspanning van het circuit lijkt te dalen met de escalerende stroom.
• De spanningsval over de 78L05 is ongeveer 5 V. Maar er moet een extra 2,5 V worden toegevoegd om ervoor te zorgen dat het IC nauwkeurig werkt.
• Over de LED is er waarschijnlijk een spanningsval van 1,5 V.

Gezien al het bovenstaande kan een 12 V NiCd-batterij met een nominale capaciteit van 500 mAh ononderbroken worden opgeladen met een stroomsterkte van 5 mA. In totaal is het slechts 1% van zijn capaciteit.