Автоматическое зарядное устройство
Рис. 4.5
Полностью заряженный никель-кадмиевый аккумулятор имеет напряжение 1,4...1,5 В. Это позволяет разработать автоматическое зарядное устройство, которое будет определять момент окончания процесса заряда по достижению соответствующего напряжения. На рис. 4.5 представлена схема такого устройства.
В данной схеме зарядка аккумулятора производится нестабилизированным током. Величина зарядного тока зависит от
напряжения аккумуляторной батареи, напряжения источника питания и сопротивления резистора R1. В процессе зарядки напряжение аккумуляторной батареи увеличивается, поэтому зарядный ток падает. Начальный ток зарядки обычно задается равным одной десятой от величины емкости аккумулятора. Величину резистора R1 можно рассчитать по формуле:
Рассчитаем величину резистора R1 для зарядки аккумуляторной батареи, состоящей из 8-ми последовательно включенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 0,45 А*ч. Номинальное напряжение такой батареи составляет Uакк=8*1,25 В=10,0 В, номинальный ток заряда Iзар=0,45:10=0,045 А.
Рассеиваемая мощность на резисторе R1 составляет около 0,3 Вт. Исходя из полученных величин, выбираем резистор R1 из стандартного ряда с сопротивлением 160 Ом и допустимой мощностью рассеивания 0,5 Вт. При необходимости зарядки аккумуляторов разных типов можно использовать резистор R1 переменного типа. В этом случае последовательно с переменным резистором включают дополнительный постоянный резистор, который будет ограничивать диапазон регулировки тока во избежание повреждения аккумулятора и зарядного устройства чрезмерно большим током. Такую же защитную роль играет и резистор R2. Он ограничивает ток базы транзистора VT1 в процессе регулировки напряжения, при котором происходит отключение аккумулятора от зарядного устройства. Это напряжение устанавливается так. Резистор R3 устанавливают в нижнее по схеме положение. Аккумулятор подключается к зарядному устройству, параллельно аккумулятору включается вольтметр, с помощью которого контролируется напряжение в процессе заряда.
Когда напряжение достигнет величины, соответствующей полной зарядке аккумулятора (для аккумулятора, рассмотренного выше, это напряжение составляет Uакк = 8*1,4 В = 11,2 В), плавно вращают движок резистора R3 и добиваются срабатывания реле и прекращения заряда аккумулятора. При последующей контрольной разрядке проверяют, набрал ли аккумулятор номинальную емкость. Если емкость ниже номинальной, то следует зарядить аккумулятор до напряжения на 0,1 В больше и повторить проверку. Процесс повторять до получения номинальной емкости аккумулятора. Диод VD2 защищает транзистор VT1 от пробоя повышенным напряжением, возникающим при выключении реле. Светодиод VD3 индицирует окончание зарядки аккумулятора. В качестве реле К1 можно использовать любое малогабаритное реле с напряжением срабатывания 12... 18 В и одной группой контактов, работающих на размыкание или переключение. Аналогичное по принципу действия зарядное устройство может быть выполнено и без использования реле. Схема такого устройства представлена на рис. 4.6.
Рис. 4.6 Схема отличается от предыдущей только тем, что реле заменено ключевым каскадом на транзисторе VT1 и возможностью заряда аккумуляторов с рабочим напряжением более 12В. Так как в имеющемся трансформаторе была только одна обмотка на переменное напряжение 12, то для получения постоянного напряжения около 24 В применен выпрямитель на диодах VD3 и VD4 с удвоением выходного напряжения. На транзисторе VT3 собран каскад управления индикацией. Свечение светодиода VD2 указывает на окончание процесса заряда. В остальном настройка и работа схемы аналогична предыдущей. В данной схеме можно применить транзисторы типа КТ315 с буквенными индексами В-Д или любые другие транзисторы с допустимым напряжением эмиттер-коллектор не менее 30 В и током коллектора не менее 100 мА. Современные аккумуляторы допускают зарядку в ускоренном режиме. Универсальное автоматическое зарядное устройство, обеспечивающее ускоренную зарядку, описано в [21]. Большое количество зарядных устройств для Ni-Cd аккумуляторов, в том числе обеспечивающих ускоренную зарядку, описано в [49].
Сетевой блок питания
Довольно часто мобильные радиостанции, предназначенные для работы от источника постоянного тока 13,8 В, используются в стационарных условиях. В этом случае для их работы необходим сетевой источник питания с выходным напряжением 13,8 В и током нагрузки не менее 1,5...2,0 А. Схема простого блока питания приведена на рис. 4.1.
Рис. 4.1
В качестве трансформатора Т2 используется любой подходящий по напряжению и максимальному току вторичных обмоток. В данной схеме максимально-допустимый ток вторичных обмоток должен быть не менее половины тока потребления радиостанции. Переменное напряжение вторичной обмотки составляет 25...30 В с отводом от средней точки. Трансформатор Т1 и конденсаторы С1 и С2 образуют сетевой фильтр, предотвращающий попадание высокочастотных помех в сеть электропитания. Конденсаторы должны иметь рабочее напряжение не менее 400 В. Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце диаметром 20...30 мм с проницаемостью 400...2000. Обмотка выполняется двумя сложенными вместе проводами МГШВ и имеет 10...20 витков. Стабилизатор напряжения КР142ЕН5Б устанавливается на радиаторе с поверхностью 100 кв. см. Максимальный ток источника питания при использовании микросхемы стабилизатора данного типа составляет 3 А. Вместо КР142ЕН5Б возможно использовать другие стабилизаторы этой серии при
подборе стабилитронов VD4, VD5 для получения выходного напряжения 13,8 В. При этом максимальный ток источника питания будет определяться максимально допустимым током примененной микросхемы.
Стабилизатор тока
Стабилизатор тока можно легко сконструировать на базе интегрального стабилизатора напряжения. Схема такого стабилизатора приведена на рис. 4.3.
Интегральный стабилизатор с высокой точностью поддерживает напряжение на выходе. Для микросхемы КР142 ЕН5А это напряжение составляет 5 В. Если подключить к выходу микросхемы
резистор, то через него будет протекать стабильный ток, величину которого определяют по закону Ома: I=U/R.
Рис. 4.3
Через аккумуляторную батарею будет протекать этот же ток плюс ток собственного потребления стабилизатора. Величина тока собственного потребления интегрального стабилизатора невелика и может быть учтена путем подбора токозадающих резисторов R2 — R5. В стабилизаторе тока можно использовать любые стабилизаторы напряжения, однако предпочтение следует отдавать стабилизаторам с минимальным выходным напряжением, так как в этом случае большая часть мощности источника питания идет непосредственно на зарядку аккумулятора. Микросхема позволяет сконструировать зарядное устройство со стабилизированным током до 1,5 А, однако при этом на микросхеме будет выделяться значительная тепловая мощность и для избежания перегрева ее следует установить на радиатор достаточного размера. При необходимости можно обеспечить и другие значения зарядного тока. Для этого по формуле следует рассчитать новые номиналы резисторов R2 — R5 по заданному значению тока зарядки.
R=Ucт/lз, где R — сопротивление резистора, Ом;
Uст — напряжение стабилизации микросхемы (для КР142 ЕН5А равное 5 В);
Iз — ток зарядки, А.
Таймер для отключения зарядного устройства
Описанное выше зарядное устройство требует контроля времени в процессе зарядки и ручное отключение аккумуляторной батареи после истечения 12... 14 часов. Если отключить батарею ранее 12 часов, то заряд будет неполный, а если оставить батарею заряжаться более 14 часов, то возникает опасность ее разгерметизации и выхода из строя. Для автоматизации работы зарядных устройств можно использовать таймер, схема которого приведена на рис. 4.4.
Рис. 4.4
Таймер реализован на микросхеме КР512ПС10, в состав которой входят RC генератор импульсов, предварительный делитель частоты с коэффициентом деления 2048, программируемый делитель частоты и блок управления. Наличие этих узлов в составе микросхемы позволяет создать таймер с использованием минимального количества дополнительных элементов. Длительность выдержки времени зависит от частоты задающего RC генератора и установленного коэффициента деления частоты. При заданных на схеме
значениях R2 и С2 частота составляет около 1000 Гц (движок резистора R2 находится в среднем положении). Коэффициент деления задается путем подачи на выводы 1, 12 — 15 микросхемы сигналов, соответствующих логическому "0" или логической "1". Возможные времена установки таймера приведены в таблице.
| Вывод | Коэффициент деления | Секунды | Минуты | Часы | |||||||||
| 1 | 30 | 10 | 30 | 1 | 3 | 10 | 30 | 1 | 3 | 10 | 30 | ||
| 1 | 60 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 12 | 60 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 13 | 3 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 14 | 10 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 15 | 30 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Указанные на схеме подключения выводов 1, 12-15 обеспечивают длительность выдержки около 10 часов. Точность времени выдержки зависит от точности установки резистором R2 частоты задающего генератора. При соответствующей настройке частоты задающего генератора можно установить требуемое для зарядки конкретного типа аккумуляторной батареи время.
Настройка выполняется следующим образом. Временно выводы 1 и 12 микросхемы КР512ПС10 отключаются от цепи питания (+5 В) и подключаются к общему проводу (0В). В этом случае время выдержки таймера будет около 10 секунд. С помощью резистора R2 выставляется требуемое время. Контроль времени осуществляется по секундомеру. Если требуемое время составляет 14 часов (типичное время зарядки никелькадмиевых аккумуляторов током, составляющим 10% от номинальной емкости), то следует выставить 14 секунд. После восстановления указанного на схеме подключения выводов 1 и 12 микросхемы время выдержки составит 14 часов. Цепочка R1C1 обеспечивает установку микросхемы в исходное состояние при включении питания. Выходной сигнал формируется на выводе 9. Поскольку выходной каскад этого выхода микросхемы выполнен по схеме "открытого коллектора", то для нормальной работы между этим выводом и плюсом питания установлен резистор R3. При сигнале логического "0" на выводе 3 микросхемы ее работа разрешается, а при логической "1" — блокируется. На выводе 10 формируется сигнал, противофазный сигналу на выводе 9. Если соединить выводы 3 и 10 микросхемы,
то после окончания первого полупериода выходной частоты (в нашем случае это 10....14 часов) работа микросхемы блокируется. Транзистор VT1 обеспечивает усиление потоку, необходимое для срабатывания реле К1 и работы светодиода VD3, индицирующего включенное состояние таймера. Стабилитрон VD2 и резистор R4 образуют параметрический стабилизатор, который формирует напряжение +5 В для питания микросхемы. Таймер можно использовать с любым источником питания, дающим напряжение 10...20 В, необходимо лишь выбрать реле на соответствующее напряжение. В случае использования таймера совместно с зарядным устройством, схема которого изображена на рис. 4.2, питание осуществляется непосредственно от зарядного устройства нестабилизированным напряжением +17 В.
Устройства электропитания
4. Устройства электропитания
4.1. Сетевой блок питания
4.2. Устройство зарядки аккумуляторов
4.3. Стабилизатор тока
4.4. Таймер для отключения зарядного устройства
4.5. Автоматическое зарядное устройство
4.6. Зарядка аккумуляторов от бортсети автомобиля
Устройство зарядки аккумуляторов
На рис. 4.2. приведена схема простого зарядного устройства для аккумуляторов с номинальной емкостью 0,01...0,75 А*ч. Зарядка производится стабилизированным током, величина которого выбирается переключателем. Устройство позволяет заряжать как отдельные аккумуляторы, так и аккумуляторные батареи с напряжением до 12,5 В.
Рис. 4.2
Перед зарядкой никель-кадмиевые аккумуляторы должны быть разряжены до напряжения 1,0 В. Разряжать аккумулятор следует током не более 0,1 от его емкости. Полностью разряженный аккумулятор заряжается номинальным током заряда (0,1 от его емкости) в течение 12... 14 часов.
В качестве трансформатора Т1 используется любой маломощный трансформатор с подходящими по напряжению вторичными обмотками. Максимальный ток вторичных обмоток не менее 40 мА. Напряжение вторичной обмотки 25...30 В с отводом от средней точки. Если предполагается заряжать аккумуляторные батареи с номинальным напряжением 12 В, то лучше выбрать напряжение вторичной обмотки трансформатора около
30 В. Транзистор VT1 устанавливают на небольшом радиаторе. При необходимости можно обеспечить и другие значения зарядного тока. Для этого следует рассчитать новые номиналы резисторов R2—R5 по заданному значению тока заряда. По закону Ома ток, протекающий через подключенный переключателем резистор R2—R5 определяется так:
l=Ur/R
Ur=Ucт-Uэб, где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона VD4, равное 3,3 В;
Uэб — напряжение эмиттер-база транзистора VT1, равное 0,8 В. Ur, следовательно, равно 2,5 В.
Практически весь ток, протекающий через резистор, попадает в коллекторную цепь транзистора VT1 и является током зарядки аккумулятора. Поэтому новые номиналы резисторов R2 — R5 по заданному значению тока зарядки могут быть рассчитаны по формуле:
R=2,5/lз, где Iз — ток зарядки, А;
R — сопротивление резистора, Ом.
В литературе [10] описано подобное зарядное устройство, выполненное на базе адаптера.
Зарядка аккумуляторов от бортсети автомобиля
Портативные радиостанции достаточно часто используются в полевых условиях, когда нет доступа к электросети переменного тока. В этом случае применять описанные выше зарядные устройства невозможно. Автомобильная бортсеть имеет напряжение 12...14 В, поэтому напрямую ее можно использовать для зарядки отдельных элементов или батарей аккумуляторов с напряжением в заряженном состоянии 8...10 В. Простейшее зарядное устройство с питанием от бортсети автомобиля изображено на рис. 4.7.
Как видно из рисунка, ток зарядки аккумуляторов ограничивается автомобильными лампами накаливания. При использовании ламп мощностью 1 Вт ток зарядки составляет около 100 мА. Для обеспечения зарядного тока другой величины требуется применить лампы с мощностью, определяемой по формуле:
Р=12(В)*Iзар(А)
Лампы накаливания обеспечивают стабилизацию зарядного тока. При зарядке аккумулятора током, соответствующим 1/10 его емкости, время заряда составляет 12...14 часов. Для автоматического отключения после окончания заряда можно использовать таймер, схема которого приведена на рис. 4.3. Все элементы схемы остаются без изменений за исключением реле, которое должно надежно срабатывать от напряжения 12В.
Рис. 4.8
Во многих портативных радиостанциях предусмотрено напряжение питания 13,8 В, которое обеспечивается аккумуляторной батареей из 10 никель-кадмиевых элементов. Напряжение такой батареи при полной заряде составляет 14...15 В, поэтому зарядить ее непосредственно от бортсети автомобиля невозможно. Преобразователь напряжения, схема которого изображена на рис. 4.8, позволяет получить напряжение около 20 В при питании от автомобильного аккумулятора напряжением 12 В.
На элементах микросхемы К561ЛА7 DD1.3 и DD1.4 собран генератор прямоугольных импульсов с частотой около 1 кГц. Элементы DD1.1 и DD1.2 включены параллельно и образуют усилитель выходного тока генератора. Транзисторы VT1 и VT2 дополнительно усиливают выходной ток. На диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1, С2 собран выпрямитель с удвоением выходного напряжения. С помощью этого преобразователя напряжения можно обеспечить питание от автомобильной бортсети описанных выше зарядных устройств.
