Зарядка аккумуляторов с предварительной автоматической разрядкой

Специфика Ni-Cd- и NiMh-аккумуляторов заключается в так называемом эффекте памяти. Он выражается в том, что при зарядке не полностью разряженный аккумулятор не сможет полностью получить всю емкость и в последующем разряде отдаст только ту ее часть, на которую зарядился. Чтобы зарядить Ni-Cd-аккумулятор на его заданную емкость, источник тока необходимо предварительно разрядить.

Занимаясь зарядными устройствами (ЗУ) для аккумуляторов, действующих в составе спецтехники, в ООО «МИТО+» столкнулись с трудностями в части применения элементной базы. Требовалось создать устройство, не используя импортных элементов. Без интегральной микросхемы отечественного производства и при условии ограничения размеров ЗУ плата получалась очень насыщенной. В данном конкретном случае питание ЗУ должно осуществляться от бортовой 12‑ или 27‑В сети транспортного средства, независимо от того, к какой из них оно подсоединено, но без каких-либо переключений. Это условие создавало дополнительный источник тепла и увеличивало количество элементов на плате. Наиболее оптимальным стал вариант создания специализированной микросхемы для решения конкретной проблемы. Такой подход позволил спроектировать компактное зарядное устройство, отвечающее поставленным условиям. Появилась возможность, используя базовую разработку, создавать различные модификации ЗУ с учетом их требований.

Исходя из технического задания ООО «МИТО+» специалисты ООО «СИНТЕК» разработали микросхему К1580ХМ3-0048 для управления процессом заряда в зарядных устройствах для Ni-Cd- и NiMh-аккумуляторов типоразмера АА. Спектр применения микросхемы достаточно широк: поскольку имеется два независимых канала, она может найти применение в ЗУ на одну или две пары последовательно соединенных извлекаемых элементов с напряжением 1,2 В, вне зависимости от типоразмера и токов заряда. Возможно применение в зарядных устройствах для заряда батарей на напряжение 2,4 В. Подбором внешних элементов меняются зарядные токи и время срабатывания таймера, а также токи разряда аккумуляторов. Таким образом, диапазон применения ее достаточно широк и К1580ХМ3-0048 можно считать первой отечественной микросхемой для зарядных устройств. На рис. 1 приведено фото серийно производимого зарядного устройства с рабочим названием «Устройство подзарядное».

Рис. 1. Устройство подзарядное

Описание и структурная схема

Микросхема выполнена в металлокерамическом корпусе 402.16-23н с планарными выводами (рис. 2).

Рис. 2. Металлокерамический корпус 402.16-23н

Структурная схема микросхемы К1580ХМ3-0048 приведена на рис. 3. Назначение выводов описано в таблице.

Рис. 3. Структурная схема микросхемы К1580ХМ3-0048

• Вывод Ucc предназначен для подключения внешнего стабилизированного питания на 5 В.
• Вывод GND — общий.
• Вход PR предназначен для начальной установки микросхемы при включении питания посредством формирования импульса установки на внешней RC-цепочке.
• Вход EN подключается непосредственно к шине питания для исключения запуска микросхемы при отсутствии внешнего питания, но при установленных аккумуляторах, запитывающих микросхему через диоды входной защиты. При использовании входа EN питание микросхемы Ucc должно подаваться через дополнительный внешний диод.
• Входы IN1 и IN2 подключаются к первой и второй паре аккумуляторов соответственно, включенных попарно последовательно.
• Вход GEN предназначен для подключения внешней RC-цепочки и организации генератора опорной частоты.
• Выход CUR служит для формирования опорного тока на схеме токового зеркала через резисторы R24, R244.
• Вход «2 В» предназначен для задания напряжения для компараторов с резисторного делителя R25, R24.
• Выход DLED подключается к светодиоду, сигнализирующему о режиме разряда аккумуляторов (аккумулятора).
• Выходы DIS1, DIS2 подключаются к внешним транзисторам, осуществляющим разряд аккумуляторов (аккумулятора).
• Выходы CHA1, CHA2 подключаются к цепям внешних транзисторов, осуществляющих заряд аккумуляторов.
• Выход REEADY подключается к светодиоду, сигнализирующему об окончании заряда аккумуляторов (аккумулятора).

Рекомендуемая схема включения

Рассматривая схему включения (рис. 4), нужно учесть, что она может служить лишь рекомендацией для инженеров, желающих применить К1580ХМ3-0048 в своих разработках.

Рис. 4. Рекомендуемая схема включения

На ее основе изготовлено серийное устройство двух модификаций на зарядные токи на 90 и 150 мА (рис. 1) и время заряда 16 и 14 ч. В описанном зарядном устройстве питание осуществляется от сети постоянного тока 12–27 В. Мост служит для защиты от переполюсовки при включении. Контакты Х3 и Х4 составляют пару контактов, один (обозначен на схеме 1 (+) аккумулятора) подключен к микросхеме, второй контакт (на схеме не показан) подсоединен к (–) аккумулятора. Времязадающая цепочка R27 = 438 кОм, С3 = 0,22 мкФ определяет время заряда 16 ч. Потребляемая мощность зависит от величины зарядного тока, на который рассчитано ЗУ.

1. Перед включением требующие зарядки аккумуляторы должны быть установлены в соответствующие гнезда. Входы IN1 (2) и IN2 (1) подключаются к первой и второй паре аккумуляторов, соответственно включенных попарно последовательно.
2. Питание задается между выводами Vcc (16) и GND (8). Питание на вывод Vcc (16) задается через диод. Также питание непосредственно задается на вывод EN (15) для исключения запуска микросхемы при отсутствии внешнего питания при установленных аккумуляторах, запитывающих микросхему через диоды входной защиты.
3. При включении зарядного устройства по входу PR (13) микросхемы на R26C5 формируется короткий импульс логического «0» начальной установки (достаточно — 200 нс).
4. Выход CUR (4) служит для формирования опорного тока для работы компараторов на схеме токового зеркала через внешний резистор. Для оптимизации конструкции в качестве резистора используется делитель, задающий опорное напряжение для компараторов. Для снижения тока потребления следует ориентироваться на суммарный номинал резистора 350–500 кОм. На выходе CUR (4) при напряжении питания 5 В уровень составляет 3,5 В.
5. Вход 2V (3) предназначен для задания напряжения для компараторов с внешнего резисторного делителя R24: R25–180 и 200 кОм соответственно.
6. Вход GEN (14) предназначен для подключения внешней RC-цепочки (R27 C3) и организации генератора опорной частоты в режиме заряда аккумуляторов. Для 19‑разрядного встроенного счетчика при частоте 5 Гц обеспечивается 14 ч работы таймера.
7. При включении устройства, если на одной или на обеих парах акукумуляторов напряжение больше 2 В (напряжения по входу 2V (3)), зарядное устройство переходит в режим разряда (той пары, на которой напряжение больше 2 В).
   1. В режиме разряда на выходе DLED (6) появляется напряжение. Загорается светодиод «Разряд», включенный через токоограничительный резистор 620 кОм.
   2. В режиме разряда с выходов DIS1 (7) и DIS2 (5) с той пары аккумуляторов, которая требует разряда, или с обеих пар подается напряжение на оптоэлектронные ключи U3 и U4 через токоограничительные резисторы R37 и R38–620 кОм. Через ключи начинает течь разрядный ток.
8. По окончании разряда обеих пар аккумуляторов или при включении устройства, когда на обеих парах аккумуляторов напряжение меньше 2 В, микросхема переходит в режим заряда.
   1. В режиме заряда выход DLED (6) закрывается, светодиод «Разряд» гаснет, DIS1 (7) и DIS2 (5) закрываются. Цепь разряда прерывается. ЗУ переходит в режим заряда.
   2. В режиме заряда на оптоэлектронные ключи подается питание с выходов CHA1 (10), CHA2 (11) через токограничительные резисторы R35 и R36 620 кОм. Оптоэлектронные ключи U1 и U2 открываются. Начинает течь зарядный ток. Загораются светодиоды «Заряд».
   3. В режиме заряда включается генератор опорной частоты. Начинается отсчет времени таймером.
9. По истечении 14 ч выходы CHA1 (10), CHA2 (11) закрываются. Оптоэлектронные ключи U1 и U2 закрываются. Зарядный ток перестает течь. Светодиоды «Заряд» гаснут. Открывается ключ на питание по выходу REA (9). Загорается светодиод «Готов».
10. Режим заряда может включиться нажатием кнопки S1, понижая напряжения на входах IN1 и IN2.