Как заряжать Ni-Cd аккумуляторы, зарядные устройства, параметры
Сегодня Ni─Cd аккумуляторы используются в большинстве портативных инструментов и различных электронных устройствах (фотоаппараты, плееры и т. п.). Правда, в последнее время наблюдается тенденция замещения их литий─ионными аккумуляторами. Для того чтобы аккумулятор вашей аппаратуры служил долго, никель─кадмиевые батареи нужно правильно эксплуатировать, вовремя и своевременно заряжать и время от времени проводить циклы разряда-заряда. Тогда Ni─Cd аккумулятор будет служить вам долго. Сегодня мы поговорим о том, как заряжать никель─кадмиевые аккумуляторы по всем правилам.
Разновидности зарядных устройств для никель─кадмиевых аккумуляторов
Сегодня на рынке можно выделить две основные группы устройств, предназначенных для заряда никель кадмиевых аккумуляторов:
- Автоматические ЗУ;
- Реверсивные импульсные ЗУ.
Автоматические зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторных батарей. Это простые и доступные по цене устройства. Они менее сложные и выпускаются в конструкции, которая позволяет заряжать по два или 4 батарейки одновременно. Чтобы запустить заряд никель кадмиевых аккумуляторов, вставьте в батарейки в зарядное устройство. Переключателем ЗУ нужно установить количество заряжаемых батареек и подключить устройство к сети.
Как правило, автоматическое зарядное устройство для никель─кадмиевых аккумуляторов имеет следующую цветовую индикацию. Красный цвет индикатора показывает, что идёт процесс заряда батареек. Чтобы сделать разряд аккумуляторов, на устройстве имеется переключатель «разряд». В процессе разряда индикатор будет иметь жёлтый цвет. После того, как пройдёт разряд, зарядное устройство для Ni─Cd аккумуляторов само запустит зарядку. Зелёный цвет индикатора говорит о том, что цикл разряд-заряд закончен.
В данном случае речь идёт о заряде никель─кадмиевых батареек по отдельности. Если это аккумуляторы для шуруповёрта или другого электроинструмента, то с ними в комплекте идёт штатное зарядное устройство, которое позволяет заряжать всю батарею сразу от бытовой электросети.
Реверсивное импульсное ЗУ. Эти устройства более сложные и стоят дороже, чем модели первого типа. Обычно производители позиционируют их как профессиональные. Такое зарядное устройство для Ni─Cd аккумуляторов циклически проводит разряд-заряд с разным временным интервалом.
Устанавливается аккумулятор, выставляется режим и запускается работа. Индикатор даст сигнал об окончании зарядки. С помощью таких ЗУ можно не только выполнять заряд никель─кадмиевых аккумуляторов, но и поддерживать их в рабочем состоянии. В качестве примера можно привести широко распространённое универсальное зарядное устройство .
Никель─кадмиевые АКБ менее требовательны к характеристикам зарядного устройства, чем . Но экономить на нём нельзя, поскольку дешевые устройства сокращают срок эксплуатации батарей. Теперь, давайте, разберёмся, как зарядить никель кадмиевый аккумулятор.
Процесс разряда и заряда Ni─Cd аккумуляторов
Процесс разряда никель─кадмиевых батарей
Для этого типа батарей (как впрочем, и для других) разрядные характеристики зависят от особенностей аккумуляторов, которые определяют его внутреннее сопротивление. Среди таких особенностей можно отметить структуру и толщину электродов. На разрядные характеристики влияют:
- толщина сепаратора и его структура;
- плотность сборки;
- объём электролита;
- некоторые характеристики конструкции.
При работе в условиях продолжительного разряда используются дисковые батарейки с прессованными электродами большой толщины. Для них разрядная кривая показывает постоянное медленное снижение напряжения до величины 1,1 вольта. Разрядная ёмкость в случае дальнейшего разряда до 1 вольта равна от 5 до 10 процентов от номинального значения. Особенностью этого типа батарей является существенно падение разрядной ёмкости и напряжения при увеличении тока до 0,2*С. Объяснение этому достаточно простое ─ невозможность разряда активной массы равномерно по всей электрода.
Если уменьшить толщину электродов и увеличить их количество до четырёх, то ток разряда для дискового аккумулятора может быть увеличен до величины 0,6*С.
Аккумуляторные батареи с электродами из металлокерамики имеют малое внутреннее сопротивление и высокие энергетические характеристики. На их разрядных характеристиках заметно меньшее падение напряжения. У этого типа аккумуляторов величина напряжения держится выше 1,2 вольта до отдачи 0,9 от номинальной ёмкости. При дальнейшем разряде и падении напряжения с 1,1 до 1 вольта отдаётся около 3 процентов номинальной ёмкости. Допускается разряжать этот тип аккумуляторов разрядными токами величиной до 3─5*С.
Ni─Cd аккумуляторы цилиндрической формы можно разряжать более высокими токами. В них используются рулонные электроды, что позволяет разряжать их максимальным током 7─10*С.
На изображениях ниже можно видеть влияние тока разряда и температуры на значение разрядной ёмкости.
Наибольшее значение ёмкости достигается при температуре 20 градусов Цельсия. Ёмкость практически не снижается, если увеличивать температуру. А вот при температуре ОС ниже ноля значение разрядной ёмкости падает пропорционально увеличению разрядного тока. Уменьшение ёмкости при низких температурах объясняется уменьшением разрядного напряжения из-за увеличения сопротивления.
Увеличение сопротивления объясняется ограниченным объёмом электролита в герметичной батарейке. Состав и концентрация электролита сильно отражаются на характеристиках. От них напрямую зависит температура образования твёрдой фазы. Это могут кристаллогидраты, лёд, соли и т. п. При замёрзшем электролите разряд вообще отсутствует. Работоспособность Ni─Cd в большинстве случае ограничена температурой минус 20 градусов Цельсия. В некоторых случаях при корректировке состава электролита и его концентрации производители выпускают модели Ni─Cd батарей работоспособных при минус 40.
Процесс заряда никель─кадмиевых батарей
В процессе зарядки никель─кадмиевых аккумуляторов важным моментом является ограничение излишнего заряда. Это важный момент, поскольку при заряде никель─кадмиевых аккумуляторов внутри них растёт давление. В процессе зарядки выделяется кислород и постепенно снижается коэффициент использования тока. На графике ниже можно видеть зависимость разрядной ёмкости от скорости заряда. Данные приводятся для цилиндрических батарей.
Чтобы аккумулятор полностью зарядился, ему требуется сообщить до 160 процентов от номинальной ёмкости. Зарядка никель кадмиевых аккумуляторов должна вестись в интервале температур 0─40 С. Рекомендуемый интервал 10─30 С. При понижении температуры на отрицательном электроде снижается поглощение кислорода и растёт давление. В результате при сильном перезаряде из-за увеличения давления может открыться аварийный клапан. При увеличении температуры потенциал растёт и на положительном электроде очень рано выделяется кислород, что сокращает процесс зарядки в штатном режиме.
Если температура поддерживается стабильной, то на процесс заряда сильно влияет ток. Его увеличение вызывает рост скорости выделения кислорода. А скорость его поглощения при этом не меняется, поскольку зависит от особенностей конструкции аккумуляторной батареи. Влияние на газопоглощение оказывает компоновка, структура, толщина электродов, материал сепаратора, объем электролита.
В частности, чем плотность компоновки электродов больше и их толщина меньше, тем зарядка идёт с большей скоростью. Поэтому цилиндрические батареи заряжаются с большой скоростью. На кривых заряда можно заметить, что у таких моделей Ni─Cd аккумуляторов при токе 0,1─1С эффективность зарядки почти не меняется. Снижение тока заряда вызывает существенное уменьшение ёмкости, которую батарея отдаст при разряде.
Стандартный режим зарядки считается следующий. Никель─кадмиевый аккумулятор с напряжением 1 вольт заряжается примерно 14─16 часов током 0,1С. Детали процесса зарядки оговариваются производителями аккумуляторов. Они могут отличаться из-за особенностей конструкции или увеличенной закладки активной массы (это делается для наращивания ёмкости). Для Ni-Cd аккумуляторов может использоваться зарядка постоянным током в течение всего времени. А может использоваться схема ступенчатого или плавного снижения тока зарядки во время процесса. Это позволяет проводить длительную зарядку без риска повредить аккумулятор. При таких режимах ток зарядки на первой стадии может значительно превышать значение 0,1*С.
Часто есть необходимость в увеличении скорости зарядки. Производители решают эту проблему выпуском батарей, которые способны эффективно заряжаться большими токами. При этом используются различные системы контроля, охраняющие никель─кадмиевый аккумулятор от сильного перезаряда. Эти системы контроля могут содержать, как сами аккумуляторы, так и зарядное устройство для никель─кадмиевых аккумуляторов.
Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов рекомендуется выполнять зарядку постоянным током величиной 0,2 С в течение 6─7 часов. Также используется режим током 0,3 С в течение 3─4 часов. В последнем случае контроль по времени заряда обязателен. Если ведётся ускоренный заряд, то перезаряд должен составлять до 120─140 процентов от ёмкости и не более. В этом случае Ni─Cd аккумулятор набирает разрядную ёмкость не меньше номинальной. Для работы в ускоренных режимах производители даже предлагают аккумуляторы, которые могут заряжаться за один час. В таком режиме используются различные средства контроля за температурой и напряжением, чтобы никель─кадмиевые батарейки не деградировали в результате резкого роста давления.
На этот раз речь пойдет о конструировании простейшего USB-зарядника для Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторных батарей.
Схема довольно хорошего зарядника проста и может быть реализована с бюджетом всего в 20 рублей. Это уже дешевле, чем любая китайская зарядка. Сердцем нашего зарядного устройства всем хорошо знакомая микросхема линейного стабилизатора LM317.
На вход схемы подается напряжение 5 В от любого USB-порта.
Микросхема стабилизирует напряжение до уровня 1,5 В. Это напряжение полностью заряженного Ni-Mh аккумулятора.
А работает устройство очень просто. Аккумулятор будет заряжаться напряжением 1,5-1,6 Вольт от микросхемы. Резистор R1 в качестве датчика тока одновременно ограничивает ток заряда. Путем его подбора ток можно уменьшить или увеличить.
Когда на выход схемы подключен аккумулятор, на резисторе R1 образуется падение напряжения. Его достаточно для срабатывания транзистора, в коллекторную цепь которого подключен светодиод. Последний загорается и по мере заряда аккумулятора будет потухать до полного отключения. Это произойдет в конце зарядного процесса.
Таким образом, диод горит, когда аккумулятор заряжается, и тухнет, когда последний полностью заряжен. Одновременно по мере заряда аккумулятора будет снижаться сила тока, и в конце ее значение будет равно 0.
Из этого следует, что перезаряд и выход из строя аккумулятора невозможны.
Микросхема LM317 работает в линейном режиме, поэтому небольшой теплоотвод не помешает. Хотя при токе 300 мА нагрев микросхемы в пределах нормы. Светодиод желательно подобрать с минимальным рабочим напряжением. Цвет абсолютно не важен. Вместо BC337 допускается использование любого маломощного транзистора обратной проводимости, хоть на КТ315. Желательная мощность резистора R1 0,5-1 Ватт. Все оставшиеся резисторы – 0,25 и даже 0,125 Ватт. Поскольку диапазон напряжений очень узкий, то даже погрешность резисторов может повлиять на работу схемы. Поэтому резистор R2 настоятельно рекомендуется заменить на многооборотный сопротивлением 100 Ом.
С его помощью можно очень точно отрегулировать нужное выходное напряжение.
Сперва нужно найти все необходимые компоненты, а также слот для батареек.
Устройство может заряжать аккумуляторы практически любого стандарта, если приспособить соответствующий слот. При сборке можно не использовать печатную плату. Монтаж делается навесным способом. Компоненты приклеиваются под слот батареек и заливаются термоклеем, поскольку схема очень надежна в работе.
Собранное устройство выглядит примерно так:
Но может выглядеть гораздо лучше.
Только необходимо подобрать светодиод с минимально возможным напряжением свечения, в противном случае он может вообще не светиться. По этой схеме можно заряжать несколько аккумуляторов, но рекомендуется использовать только для заряда одного.
Данное зарядное устройство можно применить как для заряда никель-кадмиевых, так и для никель-металлгидридных аккумуляторов. Если у вас li-ion аккумулятор, то вам скорее нужна .
Описание работы зарядного для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов
Схема обеспечивает не быструю но эффективную зарядку поскольку заряд осуществляется стандартным током — одной десятой емкости батареи в комбинации с временем зарядки от 10 до 14 часов, без риска чрезмерной зарядки. Если вы уверены, что батарея разряжена только на половину, то зарядить ее полностью можно примерно за 6…7 часов.
Аккумуляторы размера AA имеют емкость от 1500 до 1800 мАч (миллиампер-час), так что ток зарядки должно быть от 150 до 180 мА. Если вы хотите зарядить несколько никель-кадмиевых аккумуляторов сразу, достаточно просто подключить их последовательно, для того же ток зарядки, который будет протекать через всю батарею аккумуляторов, заряжая их одновременно.
Вопрос теперь в том, как получить нам постоянный ток 180 мА. Самым элегантным и точным решение будет использование источника тока. В этой роли может выступить включенный по схеме источника тока. Микросхема LM317 достаточно известная и регулировки осуществляется путем подбора сопротивления резистора, который подключается к выводам OUT и ADJ.
В нашем случае (для 0,18 А), сопротивление будет равно 6,94 Ом (1,25/0,18) = 6,94 Ом. Данный номинал можно набрать из несколько последовательно-параллельно соединенных резисторов, но проще взять близкое стандартное значение 6,8 Ом.
Чтобы получить ток 180 мА нужно некоторое напряжение. Максимальное напряжение во время зарядки никель-кадмиевого аккумулятора составляет 1,5 В, а источник тока требуется около 3 В. Если заряжать только один аккумулятор, напряжение питания составит 4,5 В.
Если заряжается несколько никель-кадмиевых аккумуляторов сразу, нужно 1,5 В умножить на число аккумуляторов плюс 3 В. Для четырех аккумуляторов это будет напряжение питания 9 В. Если напряжение слишком низкое, ток заряда будет слабым.
В Интернете на глаза попалась схема автоматического зарядного устройства Ni-Cd аккумуляторов, разработанная Юрием Башкатовым. Собрал схему на макетной плате - не работает. Смоделировал ее на компьютере с помощью программы Work Bench. В результате получилось то, что изображено на схеме. Работает устройство следующим образом. Транзистор VT1 (p-n-p) открыт, если на его базе наличествует отрицательный потенциал, который может появиться, когда транзистор VT2 (n-p-n) открыт, - это, в свою очередь, происходит, если потенциал на его базе, устанавливаемый с помощью переменного резистора R4, будет на 0,3 - 0,4 В больше этого показателя на его же эмиттере.
Эмиттер транзистора VТ2 соединен с катодом тиристора VS1 и заряжаемым аккумулятором. Как только напряжение на нем достигнет порогового значения, транзистор VТ2 закроется. Вслед за ним закроется и транзистор VT1. Тиристор выключится, заряд прекратится. Этим самым предотвращается перезаряд Ni-Cd аккумулятора.
Резистором R4 устанавливается порог срабатывания автоматического устройства. Для информативности величины напряжения на базе (граничная величина напряжения заряда) можно было бы к базе подключить вольтметр. Однако авторы посчитали, что вольтметр лучше подключить к эмиттеру транзистора VT2. Таким образом, сразу при подключении аккумуляторов видно, какое на них напряжение. При нажатой кнопке, контролируя напряжение по вольтметру, устанавливаем напряжение на эмиттере с помощью резистора R7 После этого, не отпуская кнопки SА1, выставляем порог срабатывания устройства резистором R4, контролируя срабатывание по загоранию балластной лампочки ЕL1. Кнопку отпускаем, лампочка должна гореть, аккумуляторы начали заряжаться Как только напряжение на аккумуляторах достигнет порогового режима, лампочка погаснет, заряд окончится.
Практика заряда Ni-Cd аккумуляторов показала, что конечное напряжение, рекомендуемое в инструкциях, не 1,2 В, и даже не 1,5 В, а 1,7 В, поэтому для двух аккумуляторов я устанавливаю порог срабатывания 3,4 В.
Сегодня мы расскажем как правильно заряжать никель-кадмиевые акб
Классический заряд — это заряд стабилизированным током 10% от емкости, указанной на батарее, в течении 14 часов. Таким образом, для 100% заряда элемента ему необходимо сообщить 140% от его емкости. Рассмотрим на примере аккумулятора изображенного на картинке выше. На акб указанно: 600 mAh (в переводе означает 600 мАч мили Ампер часов) для его заряда необходимо подавать ток равный 600/10= 60 мили Ампер в течение 14 часов. Аналогично, для заряда батареи емкостью 1200 мАч — 120мА в течение 14 часов.
Ускоренный заряд Ni-Cd батарей — заряд стабилизированным током 30%-40% от емкоски указанной на батарее. При этом сохраняется условие сообщения 140% емкости. Рассмотрим на примере акб емкостью 1000mAh: нам необходимо сообщить 140% от емкости, то есть 1000mAh x 140%= 1400mAh Допустим, ток заряда выбран 35% от емкости, что равно 350мА, для получения времени заряда берем 1400 mAh / 350mA = 4 часа.
Импульсный заряд Ni-Cd батарей Данный вид заряда применяется для частичного восстановления емкостных характеристик акб и продления срока её службы. Суть импульсного заряда никель-кадмиевого аккумулятора заключается в чередовании импульсов заряда с кратковременным подключением нагрузки (импульсами разряда).
Ток разряда выбирается в рамках 5-10% от емкости акб. Соотношение длины импульса разряда к импульсу заряда порядка 1:10. Например: 20мс импульс разряда, 200мс импульс заряда. Все вышеперечисленные виды заряда действующие, но в процессе эксплуатации акб теряет полезную емкость. Наиболее корректным способом методом определения окончания заряда является метод измерения изменения напряжения на элементе
. (дельта V)
Заряд Ni-Cd батарей по дельта V Это наиболее прогрессивный и точный вид заряда АКБ, предотвращающий ее перезаряд. Большая часть современных зарядных устройств основаны на этом принципе работы, в сочитании с контролем состояния температуры элемента. Итак, что же такое дельта V? В процессе заряда аккумулятора, напряжение на его выводах растет и достигает верхнего пика в момент, когда акб получило максимально возможный заряд. После прохождения точки максимального напряжения, оно начинает падать. Этот процесс и получил название «дельта V» Для Ni-Cd аккумуляторов значение дельта V при окончании заряда составляет порядка 10мВ, этот же параметр у составляет 3-7 мВ. В момент окончания заряда так же наблюдается стремительный рост температуры элемента. Современные специализированные микросхемы для зарядки Ni-Cd акб типа MAX712 или более дешевый, но не менее умный аналог микросхема MC33340, умеют отслеживать эти характеристики (напряжение, температуру). Однако нужно учесть, что перезаряд током выше 10-20% емкости может привести к взрыву батареи. Таким образом, если особой необходимости в быстром заряде нет, вполне пригодно классическое зарядное устройство, т.е. обеспечивающее стабильный ток 10% от номинальной емкости.