Đã khám phá các mạch sạc pin Ni-Cd đơn giản

Bài đăng thảo luận về mạch sạc NiCd đơn giản với tính năng bảo vệ quá tải tự động và sạc dòng điện liên tục.

Khi nói đến việc sạc pin Nickel-Cadmium một cách chính xác, bạn nên tạm dừng hoặc cắt quá trình sạc ngay sau khi nó đạt đến mức sạc đầy. Không tuân theo điều này có thể ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ làm việc của cell, làm giảm đáng kể hiệu quả sao lưu của nó.

Mạch sạc Ni-Cad đơn giản được trình bày dưới đây giải quyết hiệu quả tiêu chí sạc quá mức bằng cách bao gồm các phương tiện như sạc dòng điện liên tục cũng như cắt nguồn cung cấp khi đầu cuối di động đạt đến giá trị sạc đầy.

Các tính năng chính và ưu điểm

• Tự động ngắt ở mức sạc đầy
• Dòng điện không đổi trong suốt quá trình sạc.
• Đèn LED chỉ báo khi đã ngắt sạc đầy.
• Cho phép người dùng thêm nhiều giai đoạn hơn để sạc đồng thời lên đến 10 tế bào NiCd.

Sơ đồ mạch

Làm thế nào nó hoạt động

Cấu hình đơn giản chi tiết ở đây được thiết kế để sạc một tế bào 'AA' 500 mAh duy nhất với tốc độ sạc khuyến nghị gần 50 mA, tuy nhiên nó có thể được tùy chỉnh một cách thuận tiện với giá rẻ để sạc nhiều ô với nhau bằng cách lặp lại khu vực được hiển thị bằng các đường chấm.

Điện áp cung cấp cho mạch được lấy từ một máy biến áp, bộ chỉnh lưu cầu và bộ điều chỉnh IC 5 V.

Tế bào được sạc bằng một bóng bán dẫn T1 được cấu hình giống như một nguồn dòng điện không đổi.

Mặt khác, T1 được điều khiển bởi bộ so sánh điện áp sử dụng bộ kích hoạt TTL Schmitt N1. Trong thời gian tế bào sạc, điện áp đầu cuối của tế bào được giữ ở mức 1,25 V.

Mức này dường như thấp hơn ngưỡng kích hoạt tích cực của N1, giữ cho đầu ra của N1 ở mức cao và đầu ra của N2 trở nên thấp, cho phép T1 nhận được điện áp phân cực cơ bản thông qua bộ chia tiềm năng R4 / R5.

Miễn là tế bào Ni-Cd được sạc, đèn LED D1 vẫn sáng. Ngay sau khi tế bào gần đến trạng thái sạc đầy, điện áp đầu cuối của nó tăng lên khoảng 1,45 V. Do đó, ngưỡng kích hoạt tích cực của N1 tăng lên khiến đầu ra của N2 tăng cao.

Tình huống này ngay lập tức làm tắt T1. Tế bào hiện ngừng sạc và đèn LED D1 cũng tắt.

Vì giới hạn kích hoạt dương của N1 là khoảng 1,7 V và nó được kiểm soát bởi một dung sai cụ thể, R3 và P1 được kết hợp để thay đổi nó thành 1,45 V. Giới hạn kích hoạt âm của bộ kích hoạt Schmitt là khoảng 0,9 V, điều này xảy ra thấp hơn so với điện áp đầu cuối của ngay cả một tế bào đã phóng điện hoàn toàn.

Điều này ngụ ý rằng việc kết nối một tế bào phóng điện trong mạch sẽ không bao giờ kích hoạt quá trình sạc tự động bắt đầu. Vì lý do này, một nút khởi động S1 được bao gồm, khi được nhấn, sẽ đưa đầu vào của NI ở mức thấp.

Để sạc số lượng ô nhiều hơn, phần mạch được tiết lộ trong ô có chấm có thể được lặp lại riêng biệt, một phần cho mỗi pin.

Điều này đảm bảo rằng, bất kể mức phóng điện của các ô là bao nhiêu, mỗi ô trong số chúng đều được sạc riêng đến mức chính xác.

Thiết kế PCB và Lớp phủ thành phần

Trong thiết kế PCB bên dưới, hai giai đoạn được nhân đôi để cho phép hai tế bào Nicad được sạc đồng thời từ một bo mạch duy nhất được thiết lập.

Bộ sạc Ni-Cad sử dụng điện trở

Bộ sạc đơn giản đặc biệt này có thể được chế tạo với các bộ phận có thể nhìn thấy ngay trong bất kỳ thùng chứa rác nào của nhà sản xuất. Để có tuổi thọ tối ưu (số chu kỳ sạc) pin Ni-Cad phải được sạc với dòng điện tương đối ổn định.

Điều này thường được thực hiện khá dễ dàng bằng cách sạc qua điện trở từ điện áp cung cấp cao hơn nhiều lần so với điện áp pin. Thay đổi điện áp của pin vì khi đó nó sạc sẽ có ảnh hưởng tối thiểu đến dòng sạc. Mạch đề xuất chỉ được tạo thành từ một máy biến áp, bộ chỉnh lưu diode và điện trở nối tiếp như được chỉ ra trong hình 1.

Hình ảnh đồ họa liên quan tạo điều kiện cho giá trị điện trở nối tiếp cần thiết được xác định.

Một đường nằm ngang được vẽ qua điện áp máy biến áp trên trục tung cho đến khi nó vượt qua đường dây điện áp pin quy định. Sau đó, một đường thẳng kéo xuống từ điểm này để đáp ứng trục hoành sau đó cung cấp cho chúng ta giá trị điện trở cần thiết tính bằng ohms.

Ví dụ: đường chấm chấm chứng tỏ rằng nếu điện áp máy biến áp là 18 V và pin Ni-Cd cần sạc là 6 V, thì giá trị điện trở sẽ vào khoảng 36 ohms để kiểm soát dòng điện dự kiến.

Điện trở được chỉ định này được tính toán để cung cấp 120 mA, trong khi đối với một số tốc độ dòng sạc khác, giá trị điện trở sẽ cần được giảm xuống một cách thích hợp, ví dụ: 18 ohms cho 240 mA, 72 ohms cho 60 mA, v.v. D1.

Mạch sạc NiCad sử dụng điều khiển dòng điện tự động

Pin niken-cadmium thường yêu cầu dòng điện liên tục sạc. Mạch bộ sạc NiCad được trình bày dưới đây được phát triển để cung cấp 50mA đến bốn ô 1,25V (loại AA) hoặc 250mA cho bốn ô 1,25V (loại C) được kết nối theo chuỗi, mặc dù nó có thể được sửa đổi đơn giản cho nhiều giá trị sạc khác nhau.

Trong mạch sạc NiCad đã thảo luận, R1 và R2 cố định điện áp đầu ra không tải thành khoảng 8V.

Dòng điện đầu ra di chuyển bằng R6 hoặc R7, và khi nó tăng lên, bóng bán dẫn Tr1 dần dần được bật.

Điều này gây ra điểm Y để tăng, chuyển đổi trên bóng bán dẫn Tr2 và cho phép điểm Z trở nên kém tích cực hơn.

Do đó, quá trình làm giảm điện áp đầu ra và có xu hướng làm giảm dòng điện. Mức cân bằng cuối cùng đạt được được xác định bởi giá trị của R6 và R7.

Diode D5 ức chế pin đang được sạc, cung cấp nguồn điện cho đầu ra IC1 trong trường hợp nguồn 12V bị ngắt, nếu không có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho IC.

FS2 được kết hợp để bảo vệ chống hư hỏng cho pin đang được sạc.

Lựa chọn R6 và R7 được thực hiện thông qua một số thử nghiệm và sai sót, có nghĩa là bạn sẽ cần một ampe kế có dải phù hợp hoặc, nếu giá trị R6 và R7 được biết thực sự, thì điện áp rơi trên chúng có thể được tính thông qua Định luật Ohm.

Bộ sạc Ni-Cd sử dụng Bộ khuếch đại Op đơn

Mạch sạc Ni-Cd này được thiết kế để sạc pin NiCad kích thước AA tiêu chuẩn. Bộ sạc đặc biệt chủ yếu được khuyên dùng cho các tế bào NiCad vì chúng có điện trở bên trong cực kỳ thấp, dẫn đến tăng cường độ dòng điện sạc ngay cả khi điện áp sử dụng chỉ cao hơn một chút.

Do đó, bộ sạc phải bao gồm một mạch để hạn chế dòng sạc đến một giới hạn chính xác. Trong mạch này, T1, D1, D2 và C1 hoạt động giống như một mạch truyền thống, cách ly, chỉnh lưu toàn sóng và lọc DC. Các phần bổ sung cung cấp các quy định hiện hành.

IC1 được sử dụng giống như một bộ so sánh với giai đoạn đệm riêng biệt Q1 cung cấp chức năng dòng điện đầu ra cao một cách lịch sự trong thiết kế này. Đầu vào không đảo ngược của IC1 được cung cấp với 0,65 V: điện áp tham chiếu được trình bày qua R1 và D3. Đầu vào đảo ngược được kết nối với đất thông qua R2 trong các mức dòng điện tĩnh, cho phép đầu ra nhận được hoàn toàn tích cực. Có một tế bào NiCad được gắn trên đầu ra, dòng điện cao có thể cố gắng đi qua R2, gây ra một lượng điện áp tương đương phát triển trên R2.

Nó có thể chỉ tăng lên 0,6V, tuy nhiên, điện áp tăng tại thời điểm này đảo ngược điện thế đầu vào của các đầu vào IC1, làm giảm điện áp đầu ra và giảm điện áp xung quanh R2 xuống 0,65 V. Dòng điện đầu ra cao nhất (và cả dòng điện nhận được) là kết quả là dòng điện được tạo ra với 0,65 V trên 10 ôm, hay nói đơn giản là 65 mA.

Hầu hết các tế bào AA NiCad sở hữu dòng sạc ưu tiên tối ưu không quá 45 hoặc 50 mA và đối với loại này, R2 phải được tăng lên 13 ohms để bạn có thể có dòng sạc thích hợp.

Một số loại bộ sạc nhanh có thể hoạt động với 150 mA và điều này đòi hỏi phải giảm R2 xuống còn 4,3 ohm (3,3 ohm cộng với 1 ohm mắc nối tiếp trong trường hợp không thể mua được bộ phận lý tưởng).

Hơn nữa, T1 cần được cải tiến thành một biến thể có định mức hiện tại là 250 mA., Và Q1 phải được lắp đặt bằng cách sử dụng một tản nhiệt dạng vây tia nhỏ. Thiết bị có thể dễ dàng sạc tới bốn ô (6 ô khi T1 được nâng cấp lên loại 12 V), và tất cả những ô này nên được gắn nối tiếp trên đầu ra chứ không phải song song.

Mạch sạc NiCad đa năng

Hình 1 cho thấy sơ đồ mạch đầy đủ của bộ sạc NiCad đa năng. Nguồn hiện tại được phát triển bằng cách sử dụng các bóng bán dẫn T1, T2 và T3, cung cấp dòng sạc không đổi.

Nguồn hiện tại chỉ hoạt động khi các ô NiCad được gắn theo đúng cách. ICI được định vị để kiểm tra mạng bằng cách xác minh phân cực điện áp trên các đầu cuối đầu ra. Nếu các ô được lắp đúng cách, chân 2 của IC1 không thể chuyển sang tích cực như trên chân 3.

Kết quả là đầu ra IC1 nhận được tích cực và cấp nguồn dòng cơ bản cho T2, nguồn hiện tại sẽ bật. Giới hạn nguồn hiện tại có thể được cố định bằng cách sử dụng S1. Dòng điện 50 mA, 180 mA và 400 mA có thể được đặt trước khi các giá trị của R6, R7 và RB được xác định. Đặt S1 tại điểm 1 cho thấy rằng các ô NiCad có thể được sạc, vị trí 2 là dành cho ô C và vị trí 3 được dành cho các ô D.

Các bộ phận khác

TR1 = máy biến áp 2 x 12 V / 0,5 A
S1 = 3 công tắc vị trí
S2 = 2 chuyển đổi vị trí

Nguồn hiện tại hoạt động theo nguyên tắc rất cơ bản. Mạch được nối dây giống như một mạng phản hồi dòng điện. Hãy tưởng tượng S1 ở vị trí 1 và đầu ra IC1 là dương. T2 và 13 bây giờ bắt đầu nhận được dòng điện cơ bản và bắt đầu dẫn điện. Dòng điện qua các bóng bán dẫn này tạo thành một điện áp xung quanh R6, kích hoạt T1 hoạt động.

Dòng điện leo thang xung quanh R6 cho thấy T1 có thể dẫn với cường độ lớn hơn, do đó giảm thiểu dòng truyền động cơ bản cho các bóng bán dẫn T2 và T3.

Bóng bán dẫn thứ hai tại thời điểm này có thể dẫn điện ít hơn và mức tăng dòng ban đầu bị hạn chế. Do đó, một dòng điện ổn định hợp lý nhờ R3 và các tế bào NiCad đính kèm sẽ được thực hiện.

Một vài đèn LED được gắn vào nguồn hiện tại cho biết trạng thái hoạt động của bộ sạc NiCad ngay lập tức. IC1 tạo ra một điện áp dương khi các tế bào NiCad được nối theo đúng cách chiếu sáng LED D8.

Nếu các ô không được kết nối với đúng cực, điện thế dương ở chân 2 của IC1 sẽ cao hơn chân 3, khiến đầu ra của bộ so sánh op amp trở thành 0 V.

Trong tình huống này, nguồn hiện tại sẽ vẫn bị tắt và đèn LED D8 sẽ không sáng. Một tình trạng giống hệt nhau có thể chuyển tiếp trong trường hợp không có ô nào được kết nối để sạc. Điều này có thể xảy ra vì chân 2 sẽ có điện áp tăng lên so với chân 3, do điện áp giảm trên D10.

Bộ sạc sẽ chỉ kích hoạt khi một tế bào bao gồm tối thiểu 1 V được kết nối. LED D9 cho thấy nguồn hiện tại đang hoạt động giống như nguồn hiện tại.

Điều này có vẻ khá kỳ lạ, tuy nhiên dòng điện đầu vào do IC1 tạo ra là không đủ, mức điện áp cũng cần phải đủ lớn để tăng cường dòng điện.

Điều này ngụ ý rằng nguồn cung cấp phải luôn lớn hơn điện áp trên các tế bào NiCad. Chỉ trong tình huống này, sự khác biệt tiềm năng sẽ đủ để phản hồi hiện tại T1 phát sáng, làm sáng đèn LED D9.

Thiết kế PCB

Sử dụng IC 7805

Sơ đồ mạch dưới đây minh họa một mạch sạc lý tưởng cho tế bào ni-cad.

Điều này sử dụng một IC điều chỉnh 7805 để cung cấp một điện áp 5V không đổi qua một điện trở, làm cho dòng điện phụ thuộc vào giá trị của điện trở, thay vì vào điện thế của tế bào.

Giá trị của điện trở nên được điều chỉnh theo loại được sử dụng để sạc bất kỳ giá trị nào từ 10 Ohm đến 470 Ohm có thể được sử dụng tùy thuộc vào định mức mAh của cell. Do tính chất nổi của IC 7805 đối với điện thế mặt đất, thiết kế này có thể được áp dụng để sạc các ô Nicad riêng lẻ hoặc một loạt một vài ô.

Sạc pin Ni-Cd từ nguồn cung cấp 12V

Nguyên tắc cơ bản nhất đối với bộ sạc ắc quy là điện áp sạc của nó phải lớn hơn điện áp danh định của ắc quy. Ví dụ, pin 12 V nên được sạc từ nguồn 14 V.

Trong mạch sạc 12V Ni-Cd này, một bộ nghi ngờ điện áp dựa trên IC 555 phổ biến được sử dụng. Vì đầu ra 3 của chip được kết nối xen kẽ giữa điện áp nguồn +12 V và đất, nên IC dao động.

C₃được tính phí qua D_haivà D₃gần 12 V khi chân 3 là mức logic thấp. Chân thời điểm 3 là mức logic cao, điện áp giao nhau của C₃và D₃tăng lên 24 V do cực âm của C₃được cắm ở +12 V và bản thân tụ điện giữ điện tích có cùng giá trị. Sau đó, diode D₃trở thành thành kiến ​​ngược, nhưng D₄hạnh kiểm vừa đủ cho C₄để được sạc trên 20 V. Đây là quá đủ điện áp cho mạch của chúng tôi.

78L05 trong IC_haicác vị trí hoạt động như một nhà cung cấp dòng điện sẽ giữ điện áp đầu ra của nó, U_n, khỏi xuất hiện trên R₃ở 5 V. Dòng điện đầu ra, I_n, có thể được tính toán đơn giản từ phương trình:

Iη = Uη / R3 = 5/680 = 7,4 mA

Các thuộc tính của 78L05 bao gồm tự vẽ dòng điện như thiết bị đầu cuối trung tâm (thường được nối đất) cung cấp cho chúng ta khoảng 3 mA.

Tổng dòng tải là khoảng 10 mA và đó là một giá trị tốt để liên tục sạc pin NiCd. Để hiển thị dòng điện đang sạc, một đèn LED được bao gồm trong mạch.

Sạc đồ thị hiện tại

Hình 2 mô tả các đặc tính của dòng sạc chống lại điện áp của pin. Rõ ràng là mạch không hoàn toàn hoàn hảo vì pin 12 V sẽ được sạc với cường độ dòng điện chỉ khoảng 5 mA. Một vài lý do cho điều này:

• Điện áp đầu ra của mạch dường như giảm xuống khi dòng điện leo thang.
• Điện áp rơi trên 78L05 là khoảng 5 V. Tuy nhiên, phải bao gồm thêm 2,5 V để đảm bảo vi mạch hoạt động chính xác.
• Trên đèn LED, rất có thể có điện áp giảm 1,5 V.

Xem xét tất cả những điều trên, pin NiCd 12 V có dung lượng định mức là 500 mAh có thể được sạc liên tục bằng dòng điện 5 mA. Tổng cộng, nó chỉ là 1% công suất của nó.