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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 고속 배터리 충전기
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 충전기, 배터리, 갈바니 전지 이 기사에 설명된 장치는 기하급수적으로 감소하는 전류로 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리를 가속 충전하도록 설계되었습니다. 장점으로는 45분에서 3시간 범위의 충전 시간 선택 기능, 제조 및 조정 용이성, 충전 종료 시 배터리 가열 없음, 충전 프로세스를 시각적으로 제어할 수 있는 기능, 전원을 껐다 켰다 할 때 처리하여 사용이 간편합니다. 이 장치는 배터리의 충방전 특성을 측정하기 위한 스탠드로 사용할 수 있습니다. 큰 정전류(0.5E 이상, 여기서 E는 배터리 용량)로 충전하면 75~80% 충전 후 배터리가 뜨거워지기 시작하며, Ni-MH 배터리는 Ni-Cd[1 ]. 배터리가 완전히 충전된 후에는 온도가 급격히 상승하며[1], 이 프로세스가 제때 중지되지 않으면 배터리가 발화하거나 폭발하면서 종료됩니다. 권장되는 충전 종료 온도는 +45°C입니다[2]. 그러나이 기준은 비상시에만 적합합니다. 과충전과 과열의 조합은 배터리 용량을 감소시켜 수명을 단축시킵니다. 배터리에서 특정 전압에 도달하는 것 또한 프로세스 종료에 대한 만족스러운 기준이 아닙니다. 사실 완전 충전에 해당하는 값은 온도와 배터리의 "나이"에 따라 달라지기 때문에 미리 알 수 없습니다. 몇 밀리볼트의 오차는 배터리 충전이 결코 끝나지 않거나 너무 빨리 끝나지 않는다는 사실로 이어집니다[3]. 정전류로 충전할 때 충전을 쉽게 제어할 수 있습니다. 이는 프로세스 기간에 정비례합니다. 특히, 그 값은 배터리의 공칭 용량과 동일하게 설정할 수 있습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 용량이 감소하고 서비스 수명이 끝나면 공칭 값의 약 80%가 됩니다. 따라서 충전을 공칭 용량으로 제한하는 것이 배터리 과충전 및 과열의 부재를 보장하지 않으므로 충전 종료의 유일한 기준이 될 수 없습니다. 프로세스 종료에 대한 가장 어려운 기준은 배터리의 전압이 최대에 도달한 다음 감소하기 시작하는 순간입니다. 배터리의 최대 전압은 완전 충전에 해당하지만 [2]에서는 충전 복구 과정에서 배터리 가열의 결과임을 보여줍니다. 최대값은 특히 Ni-MH 배터리(약 10mV)의 경우 매우 작기 때문에 이를 감지하기 위해 ADC 또는 전압-주파수 변환기가 사용됩니다[2]. 배터리를 충전할 때 서로 다른 요소의 최대 전압에 도달하는 시간이 다르므로 각 요소를 개별적으로 제어하는 것이 바람직합니다. 또한 이 최대값이 없는 비정상적인 충전 특성을 가진 배터리가 있습니다. 즉, 전압만 모니터링하는 것으로는 충분하지 않고 온도와 배터리를 통과하는 충전량을 모두 제어해야 합니다. 따라서 큰 정전류로 배터리를 충전할 때 여러 기준에 따라 각 요소를 제어해야 하므로 충전기가 복잡합니다. 낮은 전류(0,2E 이하)로만 충전하면 대용량 충전에도 배터리의 비상 과열이 발생하지 않습니다. 이 경우 각 요소의 상태를 모니터링할 필요가 없으며 충전기는 매우 간단하지만 충전 시간이 길다는 단점도 있습니다. 초기에 큰 충전 전류가 시간이 지남에 따라 감소하는 충전기가 있습니다[4-6]. 이 경우 각 배터리 셀의 상태를 모니터링할 필요도 없습니다. 그러나 이러한 장치에서는 충전량을 제어할 수 없으며 특정 전압의 달성이 완전 충전의 기준으로 사용되는데, 이는 위에서 언급한 바와 같이 만족스럽지 못합니다. [7]에서는 배터리가 저항을 통해 정전압 소스로부터 커패시터로 충전되는 충전기가 설명되어 있다. 이 경우 충전 전류는 이론적으로 등가 배터리 용량과 이 저항의 저항의 곱과 동일한 시간 상수로 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 감소해야 합니다. 실제로, 시간에 대한 충전 전류의 의존성은 기하급수적인 것과 다릅니다. 충전 프로세스 중에 소스의 등가 커패시턴스와 출력 임피던스가 변경되기 때문입니다. 그러나 표시된 차이를 무시하더라도 가장 중요한 매개 변수 인 충전 시간 상수를 알 수 없으므로 배터리를 통과하는 충전량을 제어 할 수 없습니다. 따라서 일정 전압에 도달하면 충전이 다시 종료됩니다 ... 제안된 장치에서는 가장 단순한 RC 회로를 사용하여 구현하기 쉽기 때문에 기하급수적으로 감소하는 펄스 형태의 충전 전류를 선택합니다. 자연스럽게 종료되어 일정 시간이 지나면 타이머가 배터리를 끌 필요가 없으며, 배터리가 충전기에 오래 있어도 충전이 제한됩니다. 충전 전류는 전류 생성기에 의해 생성되어야 하므로 그 값과 형태는 배터리의 전압이나 충전 특성의 비선형성에 의존하지 않습니다. 충전하는 동안 배터리 I를 통한 전류는 기하급수적으로 감소합니다. 나는 = l0exp(-t/T0), (1) 여기서 t는 시간입니다. l0 - 초기 충전 전류; T0는 충전 시간 상수입니다. 이 경우 각 배터리는 다음 식으로 추정되는 전하 q를 수신합니다. q = I0T0[1 - exp(-t/T0)] = (I0 - I)T0. (2) 시간 t에 대한 I 및 q의 종속성 그래프가 그림 1에 나와 있습니다. 하나.
시간 0T0,95 동안 전하가 0I0T0 값에 도달한 다음 I0T0 값에 접근하는 것을 볼 수 있습니다. 수식에 따라 I0 및 TXNUMX 값을 선택하는 것이 좋습니다. I0 \u0d nE, T1 \u1.2,3,4d 3 h / n, 여기서 n \uXNUMXd XNUMX. (삼) 가장 편리한 값은 n \u1d 3입니다. 이 경우 초기 충전 전류는 전기 용량 E, 충전 시간은 2 시간입니다. (배터리를 밤새 충전기에 그대로 둘 수 있으며 아침에는 완전히 충전됨). 이러한 충전 시간이 너무 길면 n의 값을 증가시킨다. n = 1,5에서 초기 충전 전류 2E에서 3시간이 됩니다. 이 모드는 Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리에 적합합니다. n을 1으로 늘리면 충전 시간이 4시간으로 줄어들지만 초기 충전 전류는 45E로 증가합니다. 마지막으로 n = 4에서 충전 시간은 XNUMX분으로 단축되고 초기 충전 전류는 XNUMXE로 증가합니다. 내부 저항이 낮기 때문에(3ohm 미만) Ni-Cd 배터리의 경우 4 및 0,1와 같은 n 값이 허용됩니다. Ni-MH 배터리의 경우 내부 저항이 몇 배 더 크기 때문에 충전 시작 시 큰 전류가 배터리를 가열할 수 있어 용납할 수 없습니다. 4보다 큰 값은 권장하지 않습니다. 공식 (0)에 의해 결정된 것보다 5% 더 큰 I3를 선택할 수 있습니다. 그러면 정확한 충전 시간은 3시간/분이며 추가 5% 충전은 중요하지 않습니다. 장치의 작동 원리는 그림 2에 나와 있습니다. XNUMX.
전압 U1l로 미리 충전된 커패시터 C0은 입력 저항 Rin 및 전류 이득 Ki로 전류 증폭기 A1을 통해 방전됩니다. 증폭기 Iin | P의 입력 회로의 전류는 식에 의해 결정됩니다. lin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (4) 증폭기 출력 회로의 전류 I = Kilin은 배터리 GB1을 충전합니다. I = KlU0exp(-t/RinC1)/Rin = SU0exp(-t/RinC1), (5) 여기서 S = Ki/Rin은 전압-전류 변환기로 볼 때 증폭기의 이득 기울기입니다. (2)와 (5)를 비교하면, Т0 = RinC1, I0 = KU0/Rin = SU0.(6) U0 = 1V, C1 = 1000μF를 선택하는 것이 편리합니다. 그러면 (3)에서 Rin = 3,6MΩ / n, S = nE, Ki = SRin = 3600000E가 됩니다. (7) 예를 들어, E = 1Ah 및 n = 1에서 다음 매개변수는 Rin = 3,6MΩ, S = 1A/V, K = 3600000 = 131dB이어야 합니다. 장치의 개략도가 그림 3에 나와 있습니다. 하나.
전류 증폭기는 연산 증폭기 DA2.1과 트랜지스터 VT2 및 VT3에 조립됩니다. 연산 증폭기의 공급 전압은 DA1 칩에 의해 안정화됩니다. 트랜지스터 VT1의 노드는 이 전압 값을 제어합니다. 정상이면이 트랜지스터가 열리고 전류가 릴레이 K1의 코일을 통해 흐르고 릴레이 K1.1의 접점이 닫히고 HL1 LED가 켜져 장치의 정상 작동을 알립니다. SA1 스위치는 충전 모드를 선택합니다: 직류(접점이 닫힐 때) 또는 기하급수적으로 감소(열릴 때). 저항 R2 및 R3은 전압 분배기를 형성합니다. 가변 저항 R3의 엔진 전압이 충전 전류를 결정합니다. "Constant" 모드에서 이 전압은 저항 R1과 계전기 K1.1의 닫힌 접점을 통해 연산 증폭기의 비반전 입력에 공급됩니다. 출력 전류는 트랜지스터 VT2, VT3에 의해 증폭되고 저항 R11 및 R5 양단의 전압이 동일해지도록 설정됩니다. 전류 이득 K, = R5/R11 및 다이어그램에 표시된 정격은 대략 107이고 전압 변환 기울기 b 전류 S=1/R11=ZA/V입니다. "감소" 모드(SA1 스위치의 접점이 열려 있음)에서 2μF 용량의 커패시터 C1000는 공식 (5)에 의해 선택된 시정수를 사용하여 저항 R3를 통해 방전됩니다. 이 커패시터를 통해 기하급수적으로 감소하는 전류는 연산 증폭기 DA2.1 및 트랜지스터 VT2, VT3에 의해 증폭되고 X1 커넥터("출력")에 연결된 배터리를 충전합니다. 다이오드 VD2는 공급 전압이 꺼지면 방전되는 것을 방지합니다. 전류계 PA1은 충전 전류의 현재 값을 제어하는 데 사용됩니다. 커패시터 C5는 장치의 자기 여기를 방지합니다. 저항 R4, R8-R10 - 전류 제한. 그들은 예를 들어 저항 R2이 고장 나거나 트랜지스터 VT11이 고장 났을 때와 같은 비상 상황에서 연산 증폭기와 트랜지스터 VT3를 보호하여 다른 요소의 고장을 방지합니다. 전류가 감소하는 충전 모드에서 전원이 꺼지면 트랜지스터 VT1이 닫히고 릴레이가 접점 K1.1을 열어 커패시터 C2의 추가 방전을 방지합니다. HL1 LED가 꺼져 정전을 알립니다. 전원이 복원되면 트랜지스터 VT1이 열리고 릴레이 K1이 접점 K1.1을 닫고 배터리 충전이 중단된 현재 값에서 자동으로 계속됩니다. HL1 LED가 다시 켜지면서 충전 재개를 알립니다. SB1 버튼을 누르면 충전 특성을 제거할 때 충전을 잠시 멈출 수 있습니다. 이 경우 커패시터 C4는 네트워크 간섭이 연산 증폭기 입력에 침투하는 것을 방지합니다. 이 장치는 범용 인쇄 회로 기판에 조립되며 310x130x180mm 크기의 하우징에 들어 있습니다. AA 배터리는 케이스 상단 덮개의 홈에 넣습니다. 접점 소켓은 AA 셀용 표준 구획의 스프링에 의해 배터리에 밀착되는 주석 도금 시트 테이프 형태로 만들어집니다. 스프링을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 시중에서 판매되는 플라스틱 격실은 500mA를 초과하지 않는 전류에만 적합하다는 점에 유의해야 합니다. 사실 접촉 스프링을 통해 흐르는 전류는 배터리를 가열하는 동시에 배터리도 가열합니다. 이미 1A의 전류에서 스프링이 너무 뜨거워 구획의 플라스틱 하우징 벽을 녹여서 더 이상 사용할 수 없습니다. VT3 트랜지스터는 표면적이 600cm2인 리브 방열판에 장착되고 VD2 다이오드는 면적이 50cm2인 판형 방열판에 장착됩니다. 저항 R11은 1옴의 저항으로 병렬 연결된 1개의 MLT-3 저항으로 구성됩니다. 모든 고전류 연결은 단면적이 2mmXNUMX인 구리선 조각으로 이루어지며 해당 부품의 결론에 직접 납땜됩니다. K1446UD4A(DA2) 연산 증폭기는 K1446UD1A 칩 또는 이러한 시리즈의 다른 칩으로 교체할 수 있지만 두 연산 증폭기 중에서 바이어스 전압이 더 낮은 것을 선택해야 합니다. 두 번째 연산 증폭기는 DC 충전 중에 과열될 때 배터리의 비상 종료를 위해 온도에 민감한 브리지[8]의 일부로 사용할 수 있습니다(감소하는 전류로 충전할 때 배터리 과열이 관찰되지 않음). 다른 유형의 연산 증폭기를 사용하는 경우 이 설계에서 전원 공급 장치는 단극성이므로 두 입력 모두에서 XNUMX 전압에서 작동해야 한다는 점을 염두에 두어야 합니다. KR1157EN601A(DA1) 초소형 회로는 인덱스 B가 있는 이 계열의 안정기와 K1157EN602 계열 초소형 회로로 교체할 수 있지만 후자는 다른 "핀아웃"을 가집니다[9]. 트랜지스터 VT1 - 시리즈 KP501, VT2 중 하나는 기본 h21E의 정적 전류 전달 계수가 100 이상이어야 합니다. 트랜지스터 KT853B(VT3)는 h21E가 1000을 초과한다는 점에서 다릅니다. 다른 유형의 트랜지스터를 VT2로 사용할 수 있습니다. VT3이지만 전체 게인 전류는 100을 초과해야 합니다. 충전 시간 상수 T2을 설정하는 커패시터 C0는 저항 R0의 선택을 조정할 때 필요한 T5 값이 설정되기 때문에 다이어그램에 표시된 공칭 값과 반드시 같을 필요는 없는 안정적인 커패시턴스를 가져야 합니다. 저자는 전압 마진이 큰(25배) Jamicon 산화물 커패시터를 사용했습니다. 릴레이 K1 - 작동 전압 및 전류가 각각 2V 및 1mA인 ECE의 리드 릴레이 EDR0500H5A10. 가능한 대체품은 국산 릴레이 KUTs-1(여권 RA4.362.900)입니다. PA1 전류계는 최대 충전 전류에 맞게 설계되어야 합니다(작성자 버전에서는 M4200 장치가 전류 ZA에 사용됨). Fuse FU1은 BOURNS의 자체 재설정 MF-R300입니다[10]. 장치 설정은 공식 (0)에 의해 선택된 충전 시간 상수 T3의 필수 값 설정으로 축소됩니다. 커패시터 C5의 커패시턴스가 정확히 7μF라고 가정하면 저항 R2의 저항은 공식 (1000)에 따라 Rin과 동일하게 선택됩니다. 배터리 대신 디지털 전류계가 포함되어 있습니다. 전원을 켜기 전에 배터리를 충전할 때와 장치를 설정할 때 가변 저항 R3 슬라이더를 아래쪽(다이어그램에 따라) 위치로 이동하고 SA1 스위치의 접점을 닫습니다(방전을 위해 필요함). 커패시터 C2). 그런 다음 전원이 켜지고 저항 R3의 슬라이더를 움직여 초기 전류 l0이 약 1A로 설정됩니다. 다음으로 SA1이 "감소"위치로 전송됩니다. 시간 T1(T0과 거의 같음) 후 전류 i1이 측정됩니다. 저항기 R5*의 보정된 저항값은 공식 R5* = R5[ln(l0/I1)]로 계산됩니다. 마지막으로 이 보정값과 동일한 저항으로 저항 R5를 설치한다. 충전 전 배터리는 과충전 및 메모리 효과의 발현을 방지하기 위해 1...1,1 V의 전압으로 방전되어야 합니다[2]. 방전 중에 배터리가 뜨거워지면 충전하기 전에 주변 온도(0...+30 °С [2])로 식혀야 합니다. 배터리를 충전기에 연결하기 전에 전원이 차단되었는지, 저항 R3의 슬라이더가 아래쪽(다이어그램에 따라) 위치에 있고 SA1이 "일정한" 위치에 있는지 확인해야 합니다. 또한 극성을 확인하여 건전지를 장착하고 전원을 인가한 후 가변저항 R3을 이용하여 식 (0)에 따라 초기전류 l3를 설정한다. 그 후 SA1은 "감소"위치로 이동하고 XNUMX 시간이 지나면 배터리를 사용할 수 있습니다. 장치에 전원을 공급하려면 불안정할 수 있는 8~24V의 전압 소스가 필요합니다. 2개에서 4개의 셀을 동시에 충전할 수 있습니다. 리플을 고려한 최소 공급 전압은 셀당 XNUMXV에 XNUMXV를 더한 값이어야 합니다(그러나 지정된 한계 내). 이 장치는 배터리의 충전뿐만 아니라 방전 특성을 측정하기 위한 스탠드로도 사용할 수 있습니다. 후자의 경우 테스트 중인 배터리를 장치에 역극성으로 연결해야 합니다. 전극의 전압은 전압계로 지속적으로 모니터링해야 합니다. 배터리의 우발적인 파손을 일으키지 않도록 극성을 변경해서는 안 됩니다. 이러한 이유로 직렬 연결된 여러 셀의 배터리를 이러한 방식으로 방전하는 것은 가장 작은 용량의 셀이 고장나는 순간을 놓칠 수 있으므로 권장하지 않습니다. 문학
저자: M. Evsikov, 모스크바
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