Ni-Cd 배터리용 지능형 충전기. 계획, 설명

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독자의 관심을 끌었던 기사에서는 VIPer 시리즈 마이크로 회로를 기반으로 한 스위칭 안정화 네트워크 원격 전원 공급 장치(일상 생활 및 종종 기술 문헌에서 어댑터라고 함)와 이에 의해 구동되는 "지능형" 충전기에 대해 설명합니다. 특수 MAX713CPE 마이크로 회로.

'지능형' 충전기(충전기)는 '라디오' 페이지에서 많은 주목을 받았습니다. 물론 조건부로만 지능에 관해 이야기할 수 있습니다. 이는 일반적으로 충전 중인 배터리 상태를 분석하고 일부 필수 표시에 따라 하나 또는 다른 충전 모드를 선택하는 장치의 기능을 의미합니다. 또한 충전 알고리즘은 배터리 유형에 따라 결정됩니다. 리튬 이온(Li-Ion)의 경우 항목 [1]에 설명된 내용과 일치해야 하며 니켈-카드뮴 및 니켈-금속 수소화물(Ni-Cd, Ni-MH)의 경우 - [2]에 설명된 내용과 일치해야 합니다.

출판물 [1, 3]은 특정 메모리 옵션을 제안합니다. 이러한 장치의 "지능"에도 불구하고 초기에 가능한 최대 전류(1A 이상)로 배터리를 충전하는 권장 방법과 달리 장치는 250...300mA의 전류만 사용합니다! 왜? 저자가 생각하는 것처럼 대답은 간단합니다. 널리 사용되는 안정화 및 불안정 네트워크 원격 전원 공급 장치(PSU)를 충전 전류 소스로 사용하는 경우(외국어에서는 Wall Cube) 어댑터라고도 하며 최대 전류가 1인 사본을 찾기가 매우 어렵습니다. 이상 판매중입니다. 게다가 시장은 가짜로 가득 차 있습니다. "신비한" MAX 회사에서 생산한 BPS 12-0,5 전원 공급 장치를 사용하려는 저자의 시도는 실패했습니다. 0,5A의 출력 전류가 보장된 어댑터는 300mA의 부하 전류에서도 과열되었습니다. 그러나 장치 본체는 매우 인체공학적으로 제작되었으므로 스위칭 안정화 네트워크 전원 공급 장치를 자체 개발하는 데 사용되었습니다.

주요 기술 특성

입력 전압 간격, V......150...250
정격 변환 주파수, kHz.......60
출력 전압, V ...... 6
정격 부하 전류, A ...... 1
출력 전압 리플의 RMS 값, mV, 더 이상......15
효율성, %....... 82
치수(전원 플러그 제외), mm.......70x48x36

전원 공급 장치는 부하의 단락으로부터 보호됩니다. 다른 장비(휴대용 라디오 및 녹음기, 플레이어, 자동 응답기, 디지털 장치 등)에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있으며 배터리 칸은 3개의 AA 배터리용으로 설계되었습니다. 필요한 경우 펄스 변압기를 되감지 않고도 출력 안정화 전압을 9~XNUMXV 범위에서 변경할 수 있습니다.

전원 공급 회로는 그림 1에 나와 있습니다. 12. 장치의 주요 요소는 DIP-8 및 SO-8(표면 실장) 패키지로 생산되는 특수 칩 VIPer4A입니다. 이러한 스위칭 전원 공급 장치의 설계는 기사 [XNUMX]에 자세히 설명되어 있습니다.

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마이크로 회로에 대한 정보 권장되는 설계 소프트웨어인 VIPer Designe Software/Documentation/Datasheet/VIPerl 2A에서 찾을 수 있습니다.

사용된 미세 회로의 특징은 60kHz의 고정 변환 주파수가 내장된 생성기이므로 "배관" 요소의 수를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 미세 회로의 드레인 전류 제한 값을 조절하는 장치도 있습니다. 외부 양의 전압에 의해. 이 전압이 없을 경우 VIPer12A는 0,4A의 전류 제한을 제공합니다. 장치에서 DA3 칩의 공급 전압(약 2V)은 제너 다이오드 VD1를 통해 FB(피드백)의 핀 24에 공급됩니다. FB 입력의 입력 전류는 3mA를 초과해서는 안 됩니다. 입력 전류가 증가하면 약 320의 이득으로 드레인 전류의 진폭 값이 감소하고 그 반대도 마찬가지입니다. 변압기 T1의 커플링 권선 II의 전압을 안정화 전압과 비교한 결과 제너 다이오드 VD2에서는 스위칭 펄스의 듀티 사이클이 변경되어 출력 전압이 안정적으로 유지됩니다. 주전원 전압이 150~250V 범위에서 변경되면 공칭 전압과의 출력 전압 편차는 0,1V를 초과하지 않습니다.

전원 공급 장치의 나머지 요소의 목적은 앞에서 설명한 유사한 장치의 유사한 요소와 다르지 않습니다.

모든 부품은 단면 호일 코팅 유리 섬유로 만들어진 인쇄 회로 기판에 장착되며 그 그림은 그림 2에 나와 있습니다. 1. 전원 공급 장치에서 발생하는 간섭을 줄이기 위해 인쇄 회로 기판 크기의 판금으로 만들어진 정전기 스크린이 안정적인 절연체를 통해 인쇄 도체 측면에 부착되고 공통 와이어에 전기적으로 연결됩니다. 다이오드 브리지 VDXNUMX의 음극 단자). 이를 위해 인쇄 회로 기판을 만드는 것과 동일한 단면 포일 유리 섬유 라미네이트를 사용할 수 있습니다.

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크기를 줄이기 위해 장치는 수입된 산화물 커패시터를 사용합니다. 커패시터 C1-C3, 07, C8 - 정격 전압이 630V 이상인 세라믹 또는 필름, 나머지 - 전압이 50V 이상인 세라믹. 저항기 - MLT 또는 이와 유사한 것. 초크 L2 - 고주파 소형 DPM-2,4. 전류 제한이 1A이고 허용 역전압이 40V인 S1WB1(VD400) 다이오드 브리지를 유사한 매개변수를 가진 다른 브리지로 교체할 수 있지만 인쇄된 도체의 구성을 변경하거나 브리지를 성형해야 합니다. 그에 따라 터미널. FR207(VD3) 다이오드는 국내 KD257D로 교체 가능합니다. 권장 다이오드 KD212AM(VD4)의 아날로그를 선택할 때 장치의 역전압이 100V를 크게 초과한다는 점을 고려해야 합니다.

출력 정류기는 최대 전류 1A, 허용 역전압 5822V의 쇼트키 다이오드 5 N3(VD40)를 사용합니다. 유사한 매개변수를 가진 가정용 정류기로 완전히 교체할 수 있습니다. 출력 전압 안정화 효율은 제너 다이오드의 매개 변수에 의해 보장됩니다. 다이어그램에 표시된 것 대신 KS224Zh 제너 다이오드를 사용할 수 있습니다. 국내 D814 시리즈 및 유사 제품의 복합 제너 다이오드를 사용하면 전압 안정성이 저하됩니다. 제너 다이오드를 선택하거나 전환하는 것만으로 전원 공급 장치의 출력 전압을 변경할 수 있습니다.

이 장치는 SO-12 패키지의 VIPer8A 칩을 사용합니다. 기술 사양에 따르면 5개의 드레인 핀 8-200은 모두 최소 2mm25 면적의 인쇄 회로 기판의 구리 호일에 납땜되어야 합니다. 주변 온도 72°C에서 마이크로 회로 케이스의 계산된 온도는 220°C를 초과하지 않습니다. 조밀한 설치 조건에서 미세 회로의 열 부하를 줄이기 위해 저자는 13,5x16x23mm 크기의 핀 방열판에 장착된 TO-1 패키지에 결함이 있는 트랜지스터의 구리 플랜지를 사용했습니다. 스톡 리드는 플랜지에 납땜됩니다. 열전도 페이스트로 윤활 처리된 미세 회로 본체는 스프링 플레이트에 의해 플랜지에 밀착됩니다. MGTF 도체 섹션은 마이크로 회로의 나머지 핀에 납땜된 다음 보드에 납땜됩니다. 인쇄 전도체에 대한 드레인 핀의 전기적 연결은 플랜지를 보드에 부착하는 MZ 장착 나사 중 하나를 통해 제공됩니다. 해당 접촉 패드가 제공됩니다. 두 번째 나사는 절연 와셔를 통해 설치됩니다. 설치 중에 마이크로 회로의 방열판이 공통 전원 와이어에 전기적으로 연결된 인덕터 LXNUMX의 근처 자기 회로와 접촉해서는 안 된다는 점을 고려해야 합니다.

라인 필터 초크 L1은 투자율이 14...1500인 외장 자기 코어 B2000를 기반으로 만들어집니다. 인덕터 권선의 권선 수는 동일합니다. 채워질 때까지 2섹션 프레임(각각 자체 섹션에 있음)에 PEV-0,41 XNUMX 와이어로 감겨 있습니다.

펄스 변압기는 VIPer Designe 소프트웨어 프로그램[4]을 사용하여 계산되었습니다. 표준 프레임 및 장착 클립과 함께 M8NMS2500 페라이트로 제작된 KV1 자기 코어를 사용합니다. 리드가 없는 볼과 리드의 절반이 프레임에서 제거됩니다. 직경 2mm의 PEV-1 와이어 1.1회전을 포함하는 권선 III을 적절한 직경의 맨드릴에 별도로 감은 다음 PEV-31 2 와이어 0,41회전으로 구성된 권선 2을 씌웁니다. PEV-27 2 와이어 0,41회 중 권선 I.19와 PEV-2 0,12 와이어 1.1회 중 최상위 권선 II가 권선 III 위에 감겨 있습니다. 반 권선 2 및 I.XNUMX의 권선 층은 한 층으로 절연되고 권선은 고전압 커패시터 또는 기타 바람직하게는 내열성 절연 재료에 사용되는 XNUMX층 또는 XNUMX층의 필름으로 절연됩니다.

변압기는 측벽에 0,02mm 간격으로 조립되어 있으며 동일한 필름으로 만들어진 개스킷이 제공됩니다. 변압기 T1의 권선 I 인덕턴스의 계산된 값은 3210μH이며 측정된 값은 약 3530μH입니다. 핀 8이 있는 권선 III은 보드에 납땜되어 있으며 자유 핀 7은 보드에 수직으로 설치된 VD5 다이오드의 양극에 힌지 방식으로 연결됩니다(대부분의 다른 요소와 마찬가지로). 변압기 T2의 권선 3과 I.1.1의 단자 2와 1은 프레임 단자 중 하나에 납땜됩니다. 그런 다음 이 프레임 터미널을 1,5...2mm 단축하고 니트로 페인트로 절연합니다. 보드에 납땜되어 있지 않습니다.

장치는 설정이 필요하지 않지만 처음 켜기 전에 펄스 변압기의 품질이 높은지 확인하는 것이 좋습니다(이 작업은 전원 공급 장치에 DA1 칩을 설치하기 전에 수행됨). 사용된 요소가 올바르게 설치되었으며 제대로 작동하는지 확인합니다. 이를 위해 스위칭 전원 공급 장치를 테스트하는 범용 장치를 사용할 수 있습니다[5]. 60kHz의 스위칭 펄스 주파수를 보장하기 위해 4...160pF 용량의 다른 커패시터가 장치의 커패시터 C180에 병렬로 납땜됩니다. 오실로스코프는 저항 R9에 병렬로 연결됩니다([1]의 그림 5). 장치는 펄스 변압기에 연결됩니다. 등가 부하가 전원 공급 장치 출력에 연결됩니다. 실험실 자동 변압기를 사용하여 장치 입력의 주전원 전압을 부드럽게 높이면 오실로그램이 관찰됩니다. 주전원 전압이 220V인 경우 등가 부하가 약 6V여야 하며 오실로스코프 화면에서 관찰되는 톱니파 전류 펄스의 진폭은 0,25A를 초과해서는 안 됩니다. 주전원 전압을 250V로 증가시켜 자기가 회로가 포화되지 않았습니다.

또한 권선 II의 위상을 확인하여 전원 공급 장치의 커패시터 C6의 전압을 측정합니다. 이는 약 25V에 해당합니다. 트랜지스터 VT2의 드레인에서 펄스 모양을 모니터링하여 장치를 사용하면 전원 공급 장치의 댐핑 회로 VD3C7R1 기능의 유효성을 확인한 후 장치가 꺼지고 전원 공급 장치 보드에 DA1 칩이 설치됩니다. 장치를 사용할 준비가 되었습니다.

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6V의 안정화된 전압이 커넥터 XS1을 통해 충전기의 입력으로 공급되며 그 회로는 그림 3에 나와 있습니다. 1000. 일반적으로 특정 유형의 배터리만 사용되므로 장치를 범용화하는 것은 별 의미가 없습니다. 설명된 "지능형" 충전기 버전은 713mAh 용량의 Ni-Cd 배터리를 충전하도록 설계되었습니다. 장치의 기본은 Maxim의 특수 마이크로 회로 MAXXNUMXCPE입니다. 핀의 기능적 목적이 표에 나와 있습니다.

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위에서 언급한 바와 같이, 이러한 장치는 기사 [3]에 설명되어 있습니다. 그러나 이는 0,25A의 전류로 1개의 배터리를 충전하기 위한 것입니다. 또한 설계 작성자가 초소형 회로의 핀 15과 XNUMX를 연결하여 개발자의 권장 사항을 위반하고 "지능형" 중 하나를 제외시킨 이유가 완전히 불분명합니다. " 충전기의 속성 - 단자의 전압이 특정 특정 값에 도달하면 배터리의 빠른 충전을 중지합니다. 그리고 이러한 현상은 수년 동안 사용했던 배터리를 사용하는 경우 발생할 수 있으며, 이 경우 추가 급속 충전은 안전하지 않습니다.

제안된 장치에서는 용량과 거의 동일한 1A의 전류로 하나 또는 두 개의 배터리(SA1,1 스위치 위치에 따라 다름)를 빠르게 충전할 수 있습니다. 장치의 타이머는 고속 충전 시간을 66분으로 제한합니다. 타이머 설정 오류는 ±15%이며 이는 마이크로 회로의 설계 특성에 따라 결정됩니다.

저자에 따르면 두 개의 배터리를 동시에 충전하는 것은 완전 충전 없이 적어도 부분적으로 충전하는 것이 중요한 긴급 상황에서만 권장됩니다. 이는 배터리 전압을 최대 값에 비해 2,5mV 줄여 충전 종료를 감지하기 위해 마이크로 회로에 사용되는 방법 (소위 AV 방법) 때문입니다. 특별한 선택을 하더라도 배터리 셀의 완전히 동일한 용량을 달성하는 것은 매우 어렵다는 것은 명백합니다. 충전되는 배터리의 용량이 크게 다른 경우 배터리 중 하나의 용량이 낮은 전압 감소는 마이크로 회로에서 고속 충전이 끝난 것으로 인식될 수 있습니다. 이 경우 완전히 완전 충전하려면 배터리를 몇 시간 더 낮은 전류로 충전해야 합니다.

또한 초소형 회로를 사용하면 배터리 용량보다 22배 더 큰 전류로 4분 만에 소위 초고속 충전이 가능합니다. 그러나 여기서는 단일 제조업체가 이러한 충전으로 배터리의 기술적 특성을 장기간 보존하는 것을 보장하지 않는다는 사실을 고려해야 합니다. 따라서 객관적으로 정당화된 최대 충전 전류는 수치적으로 배터리 용량과 동일하다고 간주할 수 있습니다.

충전기의 작동 알고리즘은 매우 간단합니다. 충전할 배터리를 연결하고 공급 전압을 켜면 HL1 "전원" LED가 켜집니다. DA1 칩에는 충전 타이머가 포함되어 있으며 하나의 배터리 셀에 인가되는 전압을 측정합니다. 0,4V 미만이면 약 30mA의 낮은 전류로 충전 모드가 활성화됩니다. 측정된 전압이 지정된 임계값을 초과하자마자 1,1A 전류의 고속 충전 모드가 자동으로 활성화되고(이 값은 저항 R5의 저항에 의해 결정됨) 미세 회로의 전계 효과 트랜지스터가 열리고 드레인 핀 8에 연결되어 있고 HL2 "빠른 충전" LED가 켜집니다. 재충전하는 동안과 빠른 충전의 경우 마이크로 회로는 센서 저항 R5의 전압 강하를 측정하고 필요한 전압 강하(빠른 충전의 경우 - 1V)를 생성하는 데 필요한 만큼 정확하게 조정 트랜지스터 VT0,25을 엽니다. 현재 센서. 따라서 전류 안정화는 장치 공급 전압의 일부 불안정성을 허용하지만 허용 수준 미만의 전압 강하는 배제해야 합니다. 이는 마이크로 회로의 정상적인 기능을 방해할 수 있기 때문입니다.

충전 과정에서 42초마다 충전 전류가 5ms 동안 꺼지고 마이크로 회로는 충전 중인 배터리의 전압을 측정하여 시간에 따른 배터리 변화의 역학을 "기억"합니다. 완전 충전에 해당하는 순간에 가까워지면 배터리의 전압이 증가를 멈추고 감소하기 시작합니다. 배터리 2,5개에 인가되는 전압이 2mV 감소하면 급속 충전이 충전 모드로 대체된다. 타이머에 의해 설정된 시간이 만료되거나 배터리 전압이 1V를 초과하는 경우에도 동일한 일이 발생합니다. 이 값은 DA1 칩의 핀 16 전압에 의해 설정됩니다. 핀 2, XNUMXV와 같습니다. 배터리는 원하는 만큼 충전 모드를 유지할 수 있습니다.

설명된 충전기는 수정될 수 있습니다. 예를 들어, 충전 중인 배터리 본체의 열 모니터링을 도입합니다. 이는 초고속 충전을 위해 제조업체에서 강력히 권장하는 기능입니다. 선형 대신 배터리 충전 전류를 조절하는 트랜지스터의 펄스 작동 모드를 사용하는 것이 허용됩니다. 필요한 경우 추가 요소를 사용하면 재충전 전류를 30mA 미만으로 줄일 수 있습니다. 다음을 사용하면 이러한 개선 사항과 기타 개선 사항을 쉽게 구현할 수 있습니다. MAX713CPE 칩에 대한 정보.

칩은 조심해서 다루어야 합니다. 회사 문서에는 정전기 노출 위험에 대한 경고가 없음에도 불구하고 실제로는 정전기에 매우 취약한 것으로 나타났습니다. 또한 이전에 입력에 보호 다이오드가 있는 CMOS 미세 회로를 사용한 일부 무선 아마추어는 작동 전압이 220V인 납땜 인두로 납땜할 수 있다는 사실에 익숙해졌을 수 있습니다. 그러나 MAX71ZSPE 미세 회로는 실제로 마이크로 컨트롤러이며 작동 전압이 220V인 납땜 인두로 단자를 만지면 주 전압의 간섭으로 인해 치명적일 수 있습니다! 따라서 모든 설치 작업이 최종 완료된 후 어댑터 패널을 통해 보드에 마이크로 회로를 설치하는 것이 좋습니다. 프로그래밍 핀의 연결이나 SA1 스위치의 위치를 변경해야 하는 경우 공급 전압을 끈 상태에서만 수행해야 합니다.

메모리는 조정이 필요하지 않으므로 디자인 기능에 대해 더 자세히 설명하겠습니다. 단면 호일 유리 섬유로 만들어진 인쇄 회로 기판에 장착되며 그 그림은 그림 4에 나와 있습니다. 1. DA508 마이크로 회로 또는 어댑터 패널을 설치하기 전에 와이어 점퍼를 납땜합니다. 완성된 케이스는 XM-1 충전기에서 사용했습니다. 녹색(HL2) 및 빨간색 LED(HL1)도 가져오고(가능한 국내 아날로그는 다이어그램에 표시됨) 스위치 SAXNUMX도 가져옵니다.

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저항 R5를 가져오고 나머지는 MLT-0,125 또는 유사합니다. 산화물 커패시터 - 정격 전압이 2V 이상인 국내 또는 수입 세라믹 커패시터 C3, C50. 다이어그램에 표시된 것 외에도 전류 전달 계수가 50 이상, 허용 콜렉터 전류가 3A 이상, 전류 1,5에서 포화 전압이 1V 이하인 다른 트랜지스터를 사용할 수 있습니다. A. Rep-tium-40 프로세서의 냉각 라디에이터 조각으로 만들어진 32x8x100mm 크기의 방열판에 설치됩니다. 하나의 배터리가 충전되면 트랜지스터는 약 4W의 전력을 소비하므로 열 관리를 용이하게 하기 위해 펜티엄-100 프로세서 모델 DF1204SM을 불어넣는 소형 팬이 장치 케이스에 내장되어 조용하지만 매우 효율적으로 회전합니다. 6V의 공급 전압에서. 장치를 항상 두 개의 배터리를 충전하는 데 사용하는 경우 팬을 설치할 필요가 없습니다. 물론 팬 없이도 가능하지만 이 경우 방열판의 크기와 그에 따른 장치 케이스의 크기를 늘려야 합니다.

하나의 배터리를 충전할 때 다른 배터리 대신 단락 플러그가 배터리 칸에 설치되거나 2~3A 전류계가 무료 충전 단자에 연결됩니다.

문학

리튬 이온 배터리. - 라디오, 2001, No. 7. S. 44, 45.
Grigoriev B. 배터리의 빠른 충전을 위한 알고리즘. - 라디오, 2001, No. 8, p. 38.
Ni-Cd 배터리용 "지능형" 충전기. - 라디오, 2001, No. 1.P.72.
Kosenko S. 플라이백 펄스 전원 공급 장치의 진화. - 라디오, 2002, No. 6, p. 43,44; 7호, p. 47,48; 8호, p. 32-35; 9호, p. 24-26.
Kosenko S. SMPS 테스트용 범용 장치. - 라디오, 2003, No. 8, p. 38-41.

저자: S. Kosenko, Voronezh

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