Einfache Ni-Cd-Batterieladekreise erkundet

Der Beitrag beschreibt eine einfache NiCd-Ladeschaltung mit einem automatischen Überladeschutz und einer Konstantstromladung.

Wenn eine Nickel-Cadmium-Zelle korrekt geladen werden soll, wird dringend empfohlen, den Ladevorgang anzuhalten oder abzubrechen, sobald der volle Ladezustand erreicht ist. Wenn Sie dies nicht befolgen, kann dies die Lebensdauer der Zelle beeinträchtigen und die Sicherungseffizienz erheblich verringern.

Die unten dargestellte einfache Ni-Cad-Ladeschaltung begegnet dem Überladekriterium effektiv, indem sie Einrichtungen wie das Laden mit konstantem Strom sowie das Unterbrechen der Versorgung einschließt, wenn der Zellenanschluss den vollen Ladewert erreicht.

Hauptmerkmale und Vorteile

• Automatische Abschaltung bei voller Ladung
• Konstanter Strom während des Ladevorgangs.
• LED-Anzeige für volle Ladungsabschaltung.
• Ermöglicht dem Benutzer das Hinzufügen weiterer Stufen zum gleichzeitigen Laden von bis zu 10 NiCd-Zellen.

Schaltplan

Wie es funktioniert

Die hier beschriebene einfache Konfiguration dient zum Laden einer einzelnen 500-mAh-AA-Zelle mit der empfohlenen Laderate von nahezu 50 mA. Sie kann jedoch bequem angepasst werden, um mehrere Zellen zusammen zu laden, indem der in gepunkteten Linien dargestellte Bereich wiederholt wird.

Die Versorgungsspannung für die Schaltung wird von einem Transformator, einem Brückengleichrichter und einem 5-V-IC-Regler erfasst.

Die Zelle wird mit einem T1-Transistor aufgeladen, der wie eine Konstantstromquelle konfiguriert ist.

T1 hingegen wird von einem Spannungskomparator unter Verwendung eines TTL-Schmitt-Triggers N1 gesteuert. Während des Ladevorgangs der Zelle wird die Klemmenspannung der Zelle bei etwa 1,25 V gehalten.

Dieser Pegel scheint niedriger zu sein als die positive Triggerschwelle von N1, die den Ausgang von N1 hoch hält, und der Ausgang von N2 wird niedrig, wodurch T1 die Basisvorspannung durch den Potentialteiler R4 / R5 erhalten kann.

Solange die Ni-Cd-Zelle aufgeladen wird, leuchtet die LED D1 weiter. Sobald sich die Zelle dem vollen Ladestatus nähert, steigt ihre Klemmenspannung auf ungefähr 1,45 V. Aufgrund dessen steigt die positive Triggerschwelle von N1 an, wodurch der Ausgang von N2 hoch wird.

Diese Situation schaltet T1 sofort aus. Die Zelle stoppt jetzt den Ladevorgang und auch die LED D1 ist ausgeschaltet.

Da die positive Aktivierungsgrenze von N1 ungefähr 1,7 V beträgt und durch eine spezifische Toleranz gesteuert wird, werden R3 und P1 eingebaut, um sie auf 1,45 V zu ändern. Die negative Triggergrenze des Schmitt-Triggers liegt bei ungefähr 0,9 V, was zufällig niedriger ist als die Klemmenspannung sogar einer vollständig entladenen Zelle.

Dies bedeutet, dass das Anschließen einer entladenen Zelle im Stromkreis niemals das automatische Auslösen des Ladevorgangs auslöst. Aus diesem Grund ist eine Starttaste S1 enthalten, die beim Drücken den Eingang von NI niedrig nimmt.

Um mehr Zellen aufzuladen, kann der in der gepunkteten Box angegebene Teil der Schaltung separat wiederholt werden, einer für jede Batterie.

Dies stellt sicher, dass unabhängig von den Entladungsniveaus der Zellen jede von ihnen einzeln auf das richtige Niveau aufgeladen wird.

PCB-Design und Komponentenüberlagerung

Bei der folgenden Leiterplattenkonstruktion werden zwei Stufen dupliziert, damit zwei Nicad-Zellen gleichzeitig von einer einzigen Leiterplatte geladen werden können.

Ni-Cad-Ladegerät mit Widerstand

Dieses spezielle einfache Ladegerät könnte aus Teilen bestehen, die in nahezu jedem Müllcontainer eines Konstrukteurs zu sehen sind. Für eine optimale Lebensdauer (Anzahl der Ladezyklen) müssen Ni-Cad-Akkus mit einem relativ konstanten Strom geladen werden.

Dies wird oft ziemlich einfach erreicht, indem über einen Widerstand von einer Versorgungsspannung aufgeladen wird, die um ein Vielfaches höher als die Batteriespannung ist. Eine Änderung der Batteriespannung während des Ladevorgangs hat dann wahrscheinlich nur minimalen Einfluss auf den Ladestrom. Die vorgeschlagene Schaltung besteht nur aus einem Transformator, einem Diodengleichrichter und einem Vorwiderstand, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Das zugehörige grafische Bild erleichtert die Bestimmung des erforderlichen Vorwiderstandswerts.

Eine horizontale Linie wird durch die Transformatorspannung auf der vertikalen Achse gezogen, bis sie die angegebene Batteriespannungslinie kreuzt. Dann liefert eine Linie, die von diesem Punkt vertikal nach unten gezogen wird, um die horizontale Achse zu treffen, anschließend den erforderlichen Widerstandswert in Ohm.

Beispielsweise zeigt die gepunktete Linie, dass bei einer Transformatorspannung von 18 V und einer zu ladenden Ni-Cd-Batterie von 6 V der Widerstandswert für die beabsichtigte Stromregelung bei etwa 36 Ohm liegt.

Dieser angezeigte Widerstand wird berechnet, um 120 mA zu liefern, während für einige andere Ladestromraten der Widerstandswert angemessen verringert werden muss, z. 18 Ohm für 240 mA, 72 Ohm für 60 mA usw. D1.

NiCad-Ladeschaltung mit automatischer Stromregelung

Nickel-Cadmium-Batterien erfordern im Allgemeinen eine Konstantstromladung. Die unten gezeigte NiCad-Ladeschaltung wurde entwickelt, um vier 1,25-V-Zellen (Typ AA) entweder mit 50 mA oder vier in Reihe geschalteten 1,25-V-Zellen (Typ C) mit 250 mA zu versorgen, obwohl sie einfach für verschiedene andere Ladewerte modifiziert werden könnte.

In der besprochenen NiCad-Ladeschaltung R1 und R2 wird die Ausgangsspannung im Leerlauf auf ungefähr 8 V festgelegt.

Der Ausgangsstrom fließt entweder über R6 oder R7, und wenn er ansteigt, wird der Transistor Tr1 allmählich eingeschaltet.

Dies verursacht Punkt Y. Zum Erhöhen wird der Transistor Tr2 eingeschaltet und der Punkt Z wird weniger und weniger positiv.

Der Prozess verringert folglich die Ausgangsspannung und neigt dazu, den Strom zu senken. Letztendlich wird ein Gleichgewicht erreicht, das durch den Wert von R6 und R7 bestimmt wird.

Die Diode D5 sperrt die Batterie, die geladen wird, und versorgt den IC1-Ausgang mit Strom, falls die 12 V entfernt werden, was sonst zu ernsthaften Schäden am IC führen könnte.

FS2 ist zum Schutz vor Beschädigung der geladenen Batterien eingebaut.

Die Auswahl von R6 und R7 erfolgt durch Ausprobieren. Dies bedeutet, dass Sie ein Amperemeter mit einem geeigneten Bereich benötigen. Wenn die R6- und R7-Werte wirklich bekannt sind, kann der Spannungsabfall über ihnen nach dem Ohmschen Gesetz berechnet werden.

Ni-Cd-Ladegerät mit einem einzelnen Operationsverstärker

Diese Ni-Cd-Ladeschaltung dient zum Laden von NiCad-Standardbatterien der Größe AA. Ein spezielles Ladegerät wird meistens für NiCad-Zellen empfohlen, da sie einen extrem niedrigen Innenwiderstand besitzen, was zu einem erhöhten Ladestrom führt, selbst wenn die verwendete Spannung nur geringfügig höher ist.

Das Ladegerät sollte daher eine Schaltung enthalten, um den Ladestrom auf einen korrekten Grenzwert zu beschränken. In dieser Schaltung arbeiten T1, D1, D2 und C1 wie eine herkömmliche Abwärts-, Isolations-, Vollweggleichrichter- und Gleichstromfilterschaltung. Die Zusatzteile bieten die aktuelle Regelung.

IC1 wird wie ein Komparator mit einer separaten Pufferstufe Q1 verwendet, die bei diesem Entwurf eine entsprechend hohe Ausgangsstromfunktionalität bereitstellt. Der nicht invertierende Eingang des IC1 wird mit einer Referenzspannung von 0,65 V versorgt, die über R1 und D3 angelegt wird. Der invertierende Eingang ist innerhalb von Ruhestrompegeln über R2 mit Masse verbunden, so dass der Ausgang vollständig positiv wird. Wenn eine NiCad-Zelle über den Ausgang angeschlossen ist, kann sich ein hoher Strom über R2 bemühen, wodurch sich über R2 eine äquivalente Spannungsmenge entwickelt.

Es kann sich lediglich auf 0,6 V erhöhen. Eine an diesem Punkt ansteigende Spannung kehrt jedoch die Eingangspotentiale der IC1-Eingänge um, wodurch die Ausgangsspannung verringert wird und die Spannung um R2 wieder auf 0,65 V gesenkt wird. Der höchste Ausgangsstrom (und auch Der empfangene Ladestrom ist als Ergebnis der Strom, der mit 0,65 V über 10 Ohm oder einfach ausgedrückt mit 65 mA erzeugt wird.

Die meisten AA-NiCad-Zellen besitzen einen optimalen bevorzugten Ladestrom von nicht mehr als 45 oder 50 mA. Für diese Kategorie muss R2 auf 13 Ohm erhöht werden, damit Sie den entsprechenden Ladestrom erhalten.

Einige Schnellladegeräte können mit 150 mA arbeiten, und dies erfordert eine Verringerung von R2 auf 4,3 Ohm (3,3 Ohm plus 1 Ohm in Reihe, falls kein ideales Teil beschafft werden kann).

Darüber hinaus muss T1 auf eine Variante mit einer Nennstromstärke von 250 mA verbessert werden, und Q1 muss mit einem winzigen Schraubkühlkörper installiert werden. Das Gerät kann problemlos bis zu vier Zellen aufladen (6 Zellen, wenn T1 auf einen 12-V-Typ aufgerüstet wird), und alle diese sollten in Reihe über den Ausgang und nicht parallel geschaltet werden.

Universelle NiCad-Ladeschaltung

Abbildung 1 zeigt das vollständige Schaltbild des universellen NiCad-Ladegeräts. Unter Verwendung der Transistoren T1, T2 und T3, die einen konstanten Ladestrom bieten, wird eine Stromquelle entwickelt.

Die Stromquelle wird erst aktiv, wenn die NiCad-Zellen richtig herum angebracht sind. ICI ist so positioniert, dass das Netzwerk überprüft wird, indem die Spannungspolarität an den Ausgangsanschlüssen überprüft wird. Wenn die Zellen richtig montiert sind, kann sich Pin 2 von IC1 nicht so positiv drehen wie Pin 3.

Infolgedessen wird der IC1-Ausgang positiv und leitet einen Basisstrom an T2 weiter, der die Stromquelle einschaltet. Die Stromquellengrenze könnte mit S1 festgelegt werden. Ein Strom von 50 mA, 180 mA und 400 mA könnte voreingestellt werden, sobald die Werte von R6, R7 und RB bestimmt sind. Das Setzen von S1 an Punkt 1 zeigt, dass die NiCad-Zellen geladen werden können, Position 2 ist für C-Zellen vorgesehen und Position 3 ist für D-Zellen reserviert.

Verschiedene Teile

TR1 = Transformator 2 x 12 V / 0,5 A.
S1 = 3 Positionsschalter
S2 = 2 Positionsschalter

Die Stromquelle arbeitet nach einem sehr grundlegenden Prinzip. Die Schaltung ist wie ein Stromrückkopplungsnetzwerk verdrahtet. Stellen Sie sich vor, S1 befindet sich an Position 1 und der IC1-Ausgang ist positiv. T2 und 13 beginnen nun, einen Basisstrom zu erhalten und die Leitung einzuleiten. Der Strom über diese Transistoren bildet eine Spannung um R6, die T1 in Betrieb setzt.

Ein eskalierender Strom um R6 bedeutet, dass T1 mit größerer Stärke leiten kann, wodurch der Basisantriebsstrom für die Transistoren T2 und T3 minimiert wird.

Der zweite Transistor kann zu diesem Zeitpunkt weniger leiten und der anfängliche Stromanstieg ist begrenzt. Somit wird ein einigermaßen konstanter Strom mittels R3 und der angehängten NiCad-Zellen implementiert.

Ein paar an die Stromquelle angeschlossene LEDs zeigen jederzeit den Betriebsstatus des NiCad-Ladegeräts an. IC1 liefert eine positive Spannung, sobald die NiCad-Zellen richtig angeschlossen sind und die LED D8 leuchten.

Wenn die Zellen nicht mit der richtigen Polarität verbunden sind, ist das positive Potential an Pin 2 von IC1 höher als an Pin 3, wodurch der Ausgang des Operationsverstärker-Komparators 0 V wird.

In dieser Situation bleibt die Stromquelle ausgeschaltet und die LED D8 leuchtet nicht. Ein identischer Zustand kann eintreten, wenn keine Zellen zum Laden angeschlossen sind. Dies kann passieren, weil Pin 2 aufgrund des Spannungsabfalls an D10 im Vergleich zu Pin 3 eine erhöhte Spannung besitzt.

Das Ladegerät wird nur aktiviert, wenn eine Zelle mit mindestens 1 V angeschlossen wird. LED D9 zeigt an, dass die Stromquelle wie eine Stromquelle arbeitet.

Dies mag recht eigenartig erscheinen, jedoch ist ein von IC1 erzeugter Eingangsstrom einfach nicht ausreichend. Der Spannungspegel muss auch groß genug sein, um den Strom zu verstärken.

Dies bedeutet, dass die Versorgung immer größer sein sollte als die Spannung an den NiCad-Zellen. Nur in dieser Situation reicht die Potentialdifferenz aus, damit die Stromrückmeldung T1 einschaltet und die LED D9 leuchtet.

PCB Design

Verwenden von IC 7805

Das folgende Schaltbild zeigt eine ideale Ladeschaltung für eine Ni-Cad-Zelle.

Dies setzt ein 7805 Regler IC eine konstante 5V über einen Widerstand zu liefern, was bewirkt, dass der Strom vom Wert des Widerstands abhängig ist, anstatt vom Zellenpotential.

Der Wert des Widerstands sollte in Bezug auf den Typ angepasst werden, der zum Laden eines Werts zwischen 10 Ohm und 470 Ohm verwendet wird. Dies kann abhängig von der mAh-Bewertung der Zelle verwendet werden. Aufgrund der schwebenden Natur des IC 7805 in Bezug auf das Erdpotential könnte dieses Design zum Laden einzelner Nicad-Zellen oder einer Reihe weniger Zellen angewendet werden.

Laden der Ni-Cd-Zelle über eine 12-V-Versorgung

Das grundlegendste Prinzip für ein Batterieladegerät ist, dass seine Ladespannung größer sein muss als die Nennbatteriespannung. Beispielsweise sollte eine 12-V-Batterie von einer 14-V-Quelle geladen werden.

In dieser 12-V-Ni-Cd-Ladeschaltung wird ein Spannungsverdoppler verwendet, der auf dem beliebten 555-IC basiert. Da der Ausgang 3 des Chips abwechselnd zwischen der +12 V-Versorgungsspannung und der Erde geschaltet ist, schwingt der IC.

C.₃wird durch D aufgeladen_zweiund D.₃auf fast 12 V, wenn Pin 3 logisch niedrig ist. Der Moment Pin 3 ist logisch hoch, die Sperrschichtspannung von C.₃und D.₃erhöht sich aufgrund des negativen Anschlusses von C auf 24 V.₃die bei +12 V eingesteckt ist und der Kondensator selbst eine Ladung des gleichen Wertes hält. Dann Diode D.₃wird in Sperrrichtung vorgespannt, aber D.₄dirigiert gerade genug für C.₄Dies ist mehr als genug Spannung für unsere Schaltung.

Der 78L05 im IC_zweiPositionen fungiert als Stromversorger, der zufällig seine Ausgangsspannung U hält_n, von über R erscheinen₃bei 5 V. Der Ausgangsstrom, I._nkann einfach aus der Gleichung berechnet werden:

Iη = Uη / R3 = 5/680 = 7,4 mA

Zu den Eigenschaften des 78L05 gehört das Ziehen des Stroms selbst, da der zentrale Anschluss (normalerweise geerdet) unseren etwa 3 mA liefert.

Der Gesamtlaststrom beträgt ca. 10 mA und das ist ein guter Wert für das ständige Laden von NiCd-Akkus. Um anzuzeigen, dass Ladestrom fließt, ist eine LED in der Schaltung enthalten.

Ladestromdiagramm

Abbildung 2 zeigt die Eigenschaften des Ladestroms gegenüber der Batteriespannung. Es ist ziemlich offensichtlich, dass die Schaltung nicht ganz perfekt ist, da die 12-V-Batterie mit einem Strom geladen wird, der nur etwa 5 mA misst. Einige Gründe dafür:

• Die Ausgangsspannung der Schaltung scheint mit dem eskalierenden Strom abzufallen.
• Der Spannungsabfall am 78L05 beträgt ca. 5 V. Es müssen jedoch zusätzliche 2,5 V enthalten sein, um sicherzustellen, dass der IC präzise arbeitet.
• Über der LED liegt höchstwahrscheinlich ein Spannungsabfall von 1,5 V vor.

In Anbetracht all dessen könnte ein 12-V-NiCd-Akku mit einer Nennkapazität von 500 mAh unterbrechungsfrei mit einem Strom von 5 mA aufgeladen werden. Insgesamt ist es nur 1% seiner Kapazität.