Зарядное устройство на MAX713. Импульсный режим.
Вступление
MAX713 — наверное, самый известный контроллер заряда для NiCd/NiMH. Я о нем прочитал в незапамятные времена в журнале Радио и прикупил сразу, как только смог. Сделать планировал универсальный зарядничек для пальчиковых и иже с ними аккумуляторов. Но… Провалялся он у меня лет пять, задача утратила актуальность и однажды я решил применить его хоть куда-нибудь. Вот, зарядник от свежекупленного шуруповерта подойдет. А то уж больно убог он, да и пятичасовой заряд без контроля — не комильфо.
Первый вариант схемы был содран из журнала, обычный линейный режим. Ключевой транзистор, рассеивая 4Вт, прилично грелся и сварил до смерти одну из банок аккума. Не айс. Кроме того, родной блок питания не выдавал необходимых для нормальной работы зарядника 20В, и я начал изучать импульсные источники — хотелось запилить нечто в корпусе родного адаптера, а то в кейс не влезет. После прочтения книги Семёнова, в очередной раз заглянув в даташит, я обнаружил, что вариант включения MAX713 в импульсном режиме стал куда понятнее, и перепилил под него. Ну и кроме того, после нескольких экспериментов, с дымом и без, зарядник таки обзавелся импульсным источником питания. Но о нем — в следующий раз.
Описание MAX713
В целом, алгоритм работы контроллера схож с уже описанным в предыдущей статье. Эта микросхема работает почти так же, вот только у ней вдвое больше ног и:
- Встроенный стабилизатор зарядного тока. Причем, можно вывести его в неустойчивый режим, тогда он будет работать как ШИМ-регулятор.
- Встроенный делитель напряжения. Тут количество элементов в батарее задается так же, как и таймаут — подачей соответствующей кодовой комбинации на выводы PGM.
- Встроенный стабилизатор питания контроллера.
- Таймер и слежение за температурой могут работать одновременно.
Итак, чего на схеме есть интересного.
- Программируемый делитель напряжения. Управляется через выводы PGM0 и PGM1, состоянием которых можно задать число элементов в батарее от 1 до 16. Кодовая табличка приведена в даташите.
- Таймер, управляемый выводами PGM2 и PGM3. Ими можно задать максимальное время заряда (как в MC33340), а также отключить слежение за dv/dt. Табличка там же.
- Температурный компаратор. Идентичен таковому в MC33340, только выводы ни с чем не мультиплексированы.
- Параллельный стабилизатор на 5В. Обеспечивает микросхему стабильным питанием.
- Единственный информационный выход — nFASTCHG. Придавлен к земле когда идет быстрая зарядка.
- Стабилизатор зарядного тока.
Стабилизатор питания
Резистор в данной схеме рассчитывается по следущим формулам:
R1 = (VMIN — VLED — 5В) / 8мА
R1 > (VMAX — VLED — 5В) / 20мА
Если не удается удовлетворить второму условию — можно перенести индикатор питания в другое место (скажем, запитать его через резистор от стабилизированных 5В) и увеличить ток с 20 мА до 100 мА. Также, если индикатор питания запитан от питания контроллера — придется увеличить минимальный ток. Кроме того, сопротивление в 470 Ом для второго резистора маловато. Следует увеличить либо его, либо минимальный ток через R1.
Кроме того, минимальное напряжение питания девайса в целом определяется количеством заряжаемых батарей по формуле:
VMIN = N * 1.9В + VO,
где N — количество элементов в батарее, а VO — падение напряжения на регулирующем элементе. Оно составляет 1.5В для линейного режима и 2В для импульсного. Если напряжение на выходе источника питания пульсирующее (например, обычный сетевой адаптер с трансформатором и мостиком) — VMIN должно быть ниже уровня пульсаций.
Также стоит отметить, что при питании более 20В следует принимать специальные меры. Подробнее — в даташите.
Стабилизатор зарядного тока
А вот и самая интересная часть. Этот блок обеспечивает режим заряда аккумуляторов. Он может находиться в одном из трех режимов:
- Стабилизация выходного напряжения. Этот режим включается при отсутствии на выходе батареи и ограничивает выходное напряжение на уровне N * VLIMIT. VLIMIT задается напряжением на одноименном выводе, обычно он подключается к встроенному источнику опорного напряжения на 2В (вывод VREF). Также в этот режим зарядник может перейти при зарядке неисправной батареи, если напряжение на ней во время заряда превысит N * VLIMIT.
- Стабилизация выходного тока в режиме быстрого заряда. Это основной режим заряда аккумулятора. Ток определяется сопротивлением шунта RSENSE по формуле RSENSE = 0.25В / IFAST.
- Стабилизация выходного тока в режиме капельного заряда. Он, в зависимости от выбранного максимального времени заряда, составляет от 1/8 до 1/64 тока быстрого заряда. Табличка… Да-да, все там же 🙂 В целом, если выбирать время адекватно, I TRICKLE оказывается в диапазоне C/10..C/20.
Кроме того, сам стабилизатор может работать в одном из двух режимов — импульсном или линейном. Это определяется емкостью конденсатора коррекции C2. Линейный режим весьма прост и неоднократно описан. Но — в нем на регулирующем транзисторе рассеивается приличная мощность, кроме того, вывод DRV микросхемы тоже работает в линейном режиме и на нем тоже рассеивается некоторая мощность (которая, в сумме с мощностью, расеиваемой стабилизатором питания микросхемы, не должна превышать 0.6-0.8Вт в зависимости от корпуса).
Приведенная в даташите схема включения в импульсном режиме, по сравнению с линейным, несколько пугает и весьма скудно описана. Однако, если присмотреться (и если разбираться в импульсных преобразвателях, разумеется) не все так страшно. По большей части, тут все то же самое, но:
- Конденсатор C2 заметно уменьшился. Именно это переводит петлю стабилизации тока в неустойчивый режим. Он же определяет частоту генерации, в данном случае — около 30 кГц.
- Регулирующий транзистор теперь полевой (хотя, на самом деле, туда без проблем можно вкорячить биполярник) и вместе с D2 и L1 образует обычный step-down. Работа этой схемы неплохо описана DI HALT’ом, канализационная аналогия прилагается 🙂 Дроссель можно посчитать, но в принципе, схема допускает нехилый разброс его индуктивности, так что можно просто взять 220 мкГн и не заморачиваться (у меня оно работало даже с дросселем на 1 мГн из ЭПРА).
- На Q1, Q2 и R2 собран драйвер MOSFET’а. В принципе, вполне типичная схема. Хотя, если напряжение питания превышает максимально допустимое напряжение исток-затвор — над драйвером придется поработать… Либо заменить полевик на биполярник.
- Любопытно реализована схема питания и индикации. Ток питания ограничивается неким «токоограничивающим диодом», каковых я с полпинка в продаже не нашел, а индикатор запитывается не от питания контроллера, а от входного. Можно взять на заметку, а можно откатить на вариант из раздела про питание, он проще.
На этом я закруглюсь с описанием микросхемы, хотя в даташите описано еще некоторое количество тонкостей. Перейдем к конструкции.
ТЗ
- Заряжаемая батарея: 12В, 1200мАч, NiCd.
- Корпус: от родного зарядника, довольно небольшой.
- Питание: сетевой адаптер, 20В 0.4А.
Выбор и расчет схемы
Прежде всего — выберем схему. Режим — импульсный (в корпус некуда вкорячить достаточно эффективный радиатор), питание МС через резистор (питание стабильное и искать токоограничивающий диод или корячить стабилизатор тока смысла нет), индикация двумя светодиодами («Питание» и «Заряд») по наиболее простой схеме. Кроме того, поскольку напряжение питания 20В — что близко к предельно допустимому для затвора VT4 и U1.DRV — введем дополнительный транзистор VT1. Он, во первых, ограничит напряжение на U1.DRV примерно пятью вольтами, а во вторых — ограничит напряжение исток-затвор транзистора VT4 примерно на уровне -15В.
Теперь необходимо посчитать номиналы.
Конденсаторы по большей части выбираем «как в даташите» или «что есть, но не слишком далеко от даташита». Критичен здесь только C4, но 220пФ у меня не было. C5 можно уменьшить вплоть до 1мкФ, остальные уменьшать не стоит. Не забываем и про напряжение — все электролиты на 25В, кроме C5 на 6.3В. Транзисторы опять же по принципу «что есть», в качестве VT1-VT3 подходят любые маломощные транзисторы общего назначения соответствующей проводимости, а вот VT4 должен выдерживать не менее 25В сток-исток, исток-затвор 15-20В, ну и выдерживать ток порядка ампера. Да, IRF9540 — нехило так эти параметры переплевывает, но — что в магазине было. Я еще посматривал на FETKY-сборку из дохлого винта, но она была всего на 20В. VD1 — любой шоттки на требуемые ток (порядка 0.5-1А) и напряжение (более 20В, лучше с запасом). В качестве VD2 вообще пригоден почти любой диод на 0.5 А и 20В. СИДы выбираем по вкусу, я выбрал зеленый на питание и красный на заряд, трехмиллиметровые — по размеру дырок в корпусе.
Чуть интереснее расчет резисторов и дросселя.
R1 считается по приведенной выше формуле. 1.2кОм чуть менее расчетного значения, но это не страшно. Зато есть запас тока на HL2. R2 ограничивает ток HL2 примерно тремя миллиамперами. Можно было и побольше, тускло светит, а запас питания есть. R4 задает ток каскада на VT1, в данном случае примерно 3мА (на нем 5В минус падение на выводе DRV МС и эмиттерном переходе транзистора), на R3 при этом токе должны падать остальные 15В. R5 — токозадающий, формула опять же приведена выше.
В плане дросселя вполне приемлема точность как у Фау-1 — плюс-минус пол-Лондона, какая разница. Сперва я взял дроссель фильтра из ЭПРА, но он, зараза, грелся до оверсотни градусов, и тока нужного не выдавал. Пришлось перемотать его проводом потолще, около 0.3-0.4мм, взятым с балластного дросселя той же ЭПРА. Сердечник дросселя фильтра — гантелька, длиной около сантиметра и внешним диаметром около 8мм. После намотки до заполнения получилось как раз 250-300 мкГн, подошло отлично и не грелось.
Рекомендации по трассировке платы
Во первых, даташит предупреждает — C4 необходимо цеплять к выводам CC и BATT- как можно более короткими дорожками, в идеале — вообще SMD прямо между ними посадить. Во вторых, по дорожке, соединяющей U1.GND и R5 не должны течь токи силовой части. Проще говоря, она должна соединять их напрямую, ни на что больше не отвлекаясь, и от U1.GND больше никуда не идти. То же самое касательно соединения U1.BATT- и R5. Но тут допустимо после U1.BATT развести соединения к обвязке МС. Провод к BAT- тоже надо отводить непосредственно от ножки R5 отдельной дорожкой. Также нежелательна большая длина проводов между U1.BATT+ и BAT+ и между U1.BATT- и BAT-. К силовой части (VT4, VD1, VD2, L1, C1, C2, C6) применяются обычные правила разводки импульсных силовых схем, т.е. силовые дорожки потолще и покороче, площадь контура протекания больших импульсных токов (здесь это C1/C2, сток-исток VT4, VD1 и в меньшей степени L1 и C6) поменьше и все такое. Заметные импульсные токи есть и в контуре драйвера — C1/C2, VT2/VT3, VT4.
Фоточки
Версия первая, линейная:
Версия вторая, импульсная. Можно заметить две вполне типичные ошибки трассировки. Во первых, я влепил VT4 туда, где под него нету места по высоте. Поэтому он так странно установлен 🙂 Кстати, черный бочонок за ним — тот самый дроссель. Во вторых, я забыл провести одну из дорожек, теперь там перемычка. Ну и в третьих, уже позже я добавил параллельно C6 керамический SMD кондер на 0.1 мкФ.
Ну и в полном сборе:
Заметно, что светодиод «Зарядка» светит тускловато.
Импульсное зарядное устройство для NiCd аккумуляторов на MAX713 (вариант с повышенным напряжением питания)
Как известно, аккумуляторы не вечны. Вот и у меня в шуруповёрте после нескольких лет эксплуатации аккум решил уйти на покой. «Ладно, заодно переделаю на литий» — подумал я. И надо же было такому совпадению случиться, через пару дней на Али увидел недорогие NiCd-аккумуляторы с хорошими отзывами. Уставший от работы и слабо соображающий мозг на автопилоте отработал команду «Купить». Назавтра осознал, что конкретно затупил с покупкой, ну да ладно, дело сделано, про литий пока забываем (успокаиваем себя, что NiCd значительно дешевле), и думаем, что делать с тем, что имеем. А делать, конечно же, надо нормальное зарядное устройство для этих аккумов. Вот про него и пойдёт речь далее…
А зачем вообще нужно это зарядное? С шуруповёртом же идет своё в комплекте. Ну что же, разбираем штатное зарядное и поражаемся размахом технической мысли и масштабами применённых решений (картинки кликабельны):
Тут, правда, уже выпаяны светодиод и разъём питания, но суть дела от этого не меняется. Да, существует мнение, что NiCd убить очень тяжело, что они прощают как сильный перезаряд (небольшим током), так и разрядку «в ноль». Для такого мнения есть основания: действительно, по сравнению с другими типами аккумуляторов, NiCd менее требовательны к аккуратности эксплуатации. Но всё должно быть в разумных пределах! И зарядное устройство на одном резисторе — это уже из области издевательства над аккумулятором. Да и над пользователем тоже, так как, чтобы не убить батарею совсем быстро, в таком зарядном используется небольшой ток заряда, соответственно, если шуруповёрт разрядился (как обычно, в самый неподходящий момент, так как мы помним про «эффект памяти» NiCd и не ставим аккум превентивно на зарядку каждый раз накануне проведения работ), прощаемся с ним почти на сутки (точнее, часов на 16, что часто еще хуже, так как иногда сложно бывает подобрать моменты включения и выключения зарядки так, чтобы они не попадали на ночное или рабочее время). Или покупаем второй аккумулятор на подмену (обычно очень даже недёшево). Так что нормальное зарядное должно быть (если мы хотим сберечь нервы, и чтобы при этом батарея прослужила долго).
Мастерить зарядное на «рассыпухе» занятно, но долго (жизнь коротка, и отведенным временем можно распорядиться рациональнее). К счастью, давно уже есть готовые решения. Самое распространённое — схема на MAX713. Кстати, у этой микросхемы есть двойник MAX712, предназначенный для NiMH. Отличие в том, что у NiCd есть интересная особенность: в процессе заряда напряжение на аккумуляторе увеличивается, как и у всех, а вот при достижении номинального заряда происходит небольшое снижение напряжения на аккуме (его называют Delta Peak). И по этому снижению можно очень точно определить момент окончания заряда, чем MAX713 и пользуется. А у NiMH такой эффект выражен гораздо слабее, поэтому MAX712 определяет окончание заряда просто по прекращению роста напряжения, что не так точно. Тут надо отметить, что это снижение напряжения на NiCd небольшое (единицы — десятки милливольт, в зависимости от тока), и надёжно отследить его можно только при больших зарядных токах (рекомендуется от С/3 и выше). Для тех, кто аккумуляторы только издали видел: С — это ёмкость аккума. Например, если ёмкость нашего аккумулятора 1800 мАч и сказано, что ток заряда 1С, это означает что ток заряда 1800 мА (соответственно, для этого же аккума ток С/3 равен 1800/3=600 мА).
MAX713 — очень популярная микросхема и готовых схем на ней полно. Но среди них совсем немного схем, рассчитанных на заряд батарей из большого количества элементов. А работа микросхемы при повышенных напряжениях питания (более 20В, то есть, больше 11 элементов в батарее) имеет ряд особенностей. Вот как раз поэтому я и решил написать эту статью.
Даташит на MAX713/MAX712 можно скачать по ссылке: MAX712-MAX713. Хорошая микросхема, но чтобы называться идеальной, ей не хватает схемы предварительного разряда аккумуляторов.
Даташит на английском, поэтому кратко опишу микросхему (впрочем, эту скучную теорию можно пропустить :-)). Вот структурная схема MAX713:
Подробно разбирать блоки нет смысла (в даташите всё расписано), остановлюсь только на интересных для нас моментах:
- Параллельный стабилизатор питания на 5В. Фактически, просто стабилитрон. Полезная вещь. Обеспечивает микросхему стабильным питанием, значит достаточно просто подать напряжение больше 5 вольт через токоограничивающий резистор, и микросхема будет счастлива. Мало того, так как стабилизатор параллельный, на входе питания установится напряжение 5В, которое мы можем использовать для своих нужд.
- Стабилизатор зарядного тока. Как же без него. Ради него и строилась вся микросхема. Стабилизатор линейный, но у него есть особенность: его можно вывести в неустойчивый режим, тогда он будет работать как ШИМ-регулятор. Значение зарядного тока задается внешним резистором. Естественно, резистор этот надо сначала рассчитать под свои нужды.
- Программируемый делитель напряжения. Делит выходное напряжение зарядного устройства (оно же напряжение на аккумуляторе) на количество аккумуляторов в батарее. То есть, на выходе получает усредненное значение напряжения на одном аккумуляторе. А дальше это напряжение оцифровывается и обрабатывается логикой микросхемы (в частности, ограничивается выходное напряжение при отключенном аккумуляторе, отключается процесс заряда при слишком большом напряжении на аккуме, Delta Peak определяется). То есть, штука принципиально важная для работы. Значит, подлежит обязательной настройке, которая заключается в том, что делителю надо объяснить, сколько элементов в батарее. Делается это соответствующей коммутацией выводов PGM0 и PGM1 (можно задать 1 до 16 элементов).
- Таймер, управляемый выводами PGM2 и PGM3. Ими можно задать максимальное время заряда, а также отключить слежение за Delta Peak. Также подлежит обязательной настройке.
- Температурный компаратор. В принципе, имея точные данные о температуре NiCd батареи, можно уже больше ничего не измерять. На графике температуры весь процесс заряда — как на ладони. Но для этого надо иметь в батарее датчик температуры. В шуруповёрте его нет, поставить можно (годится любой терморезистор), но надо колхозить дополнительный разъём. Только по этой причине я не стал этого делать. А вообще, функция полезная (микросхема не только может отключаться по превышению порога температуры, но и не допускает заряд полным током холодного аккумулятора).
- Источник образцового напряжения 2В. Достаточно точный (отклонение не более 0.04В).
Алгоритм работы микросхемы несложен: после включения питания проверяем наличие подключенного аккумулятора на выходе. Если такового нет, ограничиваем выходное напряжение на заданном настройками уровне и ждём аккумулятор. Если батарея подключена, проверяем напряжение, и если на элемент приходится меньше, чем 0.4В (т.е. разряжена «в ноль»), начинаем потихоньку малым током заряжать батарею (режим капельного заряда), пока не доведём до нормы. Если батарея в нормальном состоянии, врубаем режим быстрого заряда. Если напряжение подскочит выше допустимого — считаем, что батарея неисправна и отключаемся. Если всё нормально — заряжаем до отсечки по Delta Peak или прекращения роста напряжения. После этого переходим в режим капельного заряда (ток заряда в этом режиме программируется от 1/8 до 1/64 нормального зарядного тока), пока не выключат питание или не отключат батарею. Если подключен датчик температуры, то добавляются такие варианты: если аккумулятор холодный, сначала греем его капельным зарядом. Если при быстром заряде температура подскочила выше заданного порога — считаем, что батарея заряжена, прекращаем быстрый заряд и переходим к капельному.
Переходим к практике — начинаем проектировать схему. Для начала посмотрим, какие у нас внешние ограничения. Линейный стабилизатор будет рассеивать на транзисторе значительную мощность. А значит, потребуется немалых размеров радиатор. В корпус зарядного устройства его не впихнуть. Поэтому будем использовать импульсный режим. Теперь определимся с напряжением питания. В даташите сказано, что оно вычисляется следующим образом: количество элементов батареи умножаем на 1.9В и к произведению добавляем 2В (падение напряжения на силовом транзисторе). У меня батарея на 15 банок. Получаем 15 * 1.9В + 2В = 30.5В. В принципе, в нашем случае до 1.9В напряжение на аккумуляторах не поднимется, так что можно питающее напряжение сделать на несколько вольт меньше. А в большую сторону его можно поднимать, пока рабочие напряжения транзисторов и конденсаторов позволяют (у меня как раз есть 35-вольтовый блок питания от матричного принтера, около ампера с него снять можно). Всё, пора рисовать схему.
Начнём со стабилизатора. Для нормальной работы микросхемы необходимо обеспечить входной ток по цепи питания не менее 5 мА (примерно столько потребляют внутренние узлы микросхемы), но не более 100 мА (это максимум, который способна выдержать микросхема, не сгорев от перегрева, а вообще нормой считается ток не более 20 мА). Держать ток вблизи нижнего предела — это не наш метод, поэтому примем рабочий ток около 8 мА. Даташит предлагает годное решение — подавать этот ток через светодиод, индицирующий наличие питания. Разумеется, в этом случае источник питания должен обеспечивать достаточное напряжение ещё и для светодиода, то есть, 5В для микросхемы плюс 2.5В для светодиода, итого от 8В и выше (в нашем случае оно гарантированно в несколько раз больше). Если стабилизатор микросхемы задействован и для внешних нагрузок (например, в даташите есть вариант подключения светодиода индикации режима быстрого заряда к стабилизатору микросхемы), ток необходимо увеличить с учетом его потребления этими внешними нагрузками, например, если вышеуказанный светодиод потребляет 5 мА, то на микросхему надо подать 8 мА + 5 мА = 13 мА. Чем задать требуемый ток? Можно резистором. Это проще всего (такое решение есть в даташите и разжёвано в куче статей). Но тогда ток будет сильно зависеть от питающего напряжения. Мы не гонимся за простотой (наша схема с относительно высоковольтным питанием и так не будет простой, так что несколько лишних деталей ситуацию сильно не изменят), нам качество и надёжность важнее. Поэтому соорудим-ка мы несложный источник тока на паре транзисторов:
Ток здесь задается резистором R2 и составляет 7.5 мА (рассчитывается так: напряжение на базе Q1 делим на сопротивление R2, то есть, 0.62/82=0.075А). Причём ток не зависит от входного напряжения (в разумных пределах, то есть, примерно от 8В /происхождение этой цифры было описано в предыдущем абзаце/ и до напряжения пробоя транзисторов). Это позволяет, например, первое включение осуществлять от 12В, в надежде, что если накосячили при монтаже, то не всё сразу сгорит ;-), а также не беспокоиться о стабильности входного напряжения (например, собрать простейший инвертор на IR2153, или использовать подвернувшийся под руку блок питания с примерно подходящим напряжением). Еще такая схема удобна для повторения начинающими радиолюбителями: здесь ничего не надо настраивать независимо от напряжения питания и количества элементов в батарее. Конденсатор C4 — фильтр по питанию, можно ставить от 2 мкФ и больше (но больше 22 мкФ нет смысла).
Следующий важный компонент схемы — силовой узел. Он представляет собой классический импульсный понижающий преобразователь (Step-down):
Так как микросхема не допускает подачу напряжений более 20В почти ни на какие выводы (только на BATT+ можно больше, да и то только при включенном питании), для управления силовым каскадом используем транзистор Q4, включенный по схеме с общей базой. Но тут не всё так просто. Дело в том, что силовой транзистор также не допускает напряжение на затворе, больше чем 30В относительно истока (и это у меня высоковольтный транзистор, ну просто под руками был такой. Вы, скорее всего, поставите что-то более подходящее и низковольтное, и допустимое напряжение там будет ещё меньше, вольт 20..25). Как эта схема работает: когда на выходе DRV логическая «1», напряжение на базе Q4 равно напряжению на его эмиттере и Q4 закрыт. На его коллекторе напряжение 35В, которое открывает Q5 и почти в неизменном виде поступает на его эмиттер (Q5 включен как эмиттерный повторитель). Соответственно, на затворе Q7 34.4В, а на его истоке 35В, Q7 закрыт, допустимое напряжение на затворе не превышено (имеем всего 0.6В), напряжение на DRV = 5В, тоже не выше допустимого, все счастливы. Теперь переключаем DRV в «0». Напряжение на базе Q4 по-прежнему 5В, а вот на эмиттере оно уже около 0В. Поэтому Q4 открывается, на его эмиттере, а значит, и на R4 напряжение становится 4.4В, через R4 начинает течь ток 4.4В / 1.5 кОм = 2.6 мА, этот ток вызывает падение напряжения на R5, равное 2.6 мА * 5.1 кОм = 15В. Соответственно, на эмиттерах Q5 и Q6 будет это же напряжение. 15В более, чем достаточно для открывания Q7, при этом оно меньше предельно допустимых 30В, так что Q7 снова радуется жизни. Честно говоря, такой драйвер МОП — транзистора не очень хороший (довольно медленно перезаряжает ёмкость затвора). Но в данной схеме он вполне приемлем, ибо прост и обеспечивает безопасные напряжения для всех компонентов схемы. По остальным деталям: D3, естественно, Шоттки, D4 — любого типа, его назначение — чтобы при подключенной батарее и отключенном питании схемы напряжение с батареи не пролазило в схему. Номинал дросселя может отличаться от рекомендованного даташитом в несколько раз, работать будет. Я использовал готовый, то ли от блока питания, то ли от старого монитора. Он на 200 мкГн оказался, подошёл идеально. Сердечник — кольцо из распылённого железа, но можно использовать и феррит: гантельки, Ш и П сердечники или даже стержни (только не кольца, зазор должен быть).
Что у нас там еще должно быть в схеме?
Индикатор режима быстрой зарядки. Это светодиод D2. Хотел поставить красный, но с длинными выводами под руками оказался только желтый. Плоховато светит, но менять уже не буду. Отнимать для него ток у микросхемы не хотелось (хотя так можно было сэкономить один транзистор), поэтому подключил его к общему питанию устройства. Схема включения Q3 похожа на узел на транзисторе Q4 — тоже на базе фиксированные 5В, а эмиттером управляем. R3 — от 330 Ом до килоома.
Выше уже говорилось, что на BATT+ можно подавать напряжение больше 20В, но только при включенном питании, а у нас на батарее вполне может быть больше 20В. Поэтому требуется блокировка входа BATT+, чтобы не дать напряжению с батареи попасть на микросхему, если на устройство не подано питание. Выполнена она на транзисторе Q8. Пока напряжения питания нет, на базе транзистора 0В относительно эмиттера и он закрыт, при подаче напряжения питания оно поступает на базу и транзистор открывается.
R9 и R10 — делитель напряжения, имитирующий работу датчика температуры. Да, да, настройками датчик температуры не отключается. Поэтому мы вынуждены сделать вид, что он у нас есть, но показывает нормальную температуру, то есть, и не холодно, и не критический нагрев. Для этого пороговое напряжение уровня «холодно» выставим около 0В (вход TLO), а порог «перегрев» установим 5В (вход THI). Ну а на вход термодатчика пусть приходит что-то среднее. Я бы взял 2В с REF, но в даташите почему-то берется напряжение с делителя, то есть, четверть от того же REF. Почему так — не знаю. Но решил скопировать эту часть с даташита: места на плате достаточно, может у разработчиков микросхемы были какие-то свои соображения, которых я не понимаю.
C8 — исключительно важный конденсатор. Его номинал определяет устойчивость работы стабилизатора, при больших значениях стабилизатор будет устойчив и работать будет в линейном режиме, при малых значениях ёмкости — стабилизатор самовозбудится и мы получим генерацию, необходимую для работы Step-down. Частота генерации зависит от ёмкости этого конденсатора, при указанной в даташите ёмкости (220 пФ) частота будет около 30 кГц.
C7 — фильтр на REF, непринципиален.
А теперь самое интересное: расчеты и настройки. А настроить нам надо пять параметров: ток в режиме быстрого заряда, ток в режиме капельного заряда, предельное напряжение на одном элементе батареи, количество элементов в батарее и таймаут. По пунктам:
- Ток в режиме быстрого заряда — один из важнейших параметров. В принципе, можно установить любой. Но, чтобы всё красиво работало, лучше выбирать из рекомендуемого в даташите ряда: C/2, 1C, 2C, 4C. У меня аккумуляторы на 1800 мАч. Если брать ток 1С, то при 35В это будет 63Вт. Во-первых, у меня нет такого мощного блока питания на 35В. Можно собрать, но это требует времени, а зарядное нужно сейчас. Во-вторых, по предварительной оценке, силовой транзистор придется сажать на небольшой радиатор, а для него места нет. Так что я остановился на токе С/2, то есть, 0.9А. Время зарядки при этом будет около 3-х часов (для полного заряда в NiCd надо вкачать порядка 150% от номинальной ёмкости, то есть, треть энергии уходит в тепло). Ток задаётся номиналом резистора R7. Расчёт такой: R = 0.25В / I, для моего случая R = 0.25В / 0.9А = 0.277 Ом. Я планировал подобрать такой номинал из двух параллельных (R7 и R8), поэтому на плате предусмотрено место под два резистора, но нашёл у себя один на 0.28 Ом, так что им одним и обошёлся.
- Ток в режиме капельного заряда должен составлять С/16 независимо от тока быстрого заряда. Но определяется он тем самым резистором R7, что и ток быстрого заряда. А номинал R7, как сказано выше, может меняться в широких пределах. Поэтому необходимо запрограммировать соответствующий делитель в микросхеме. Для моего тока С/2 коэффициент деления устанавливается 8 (всё это есть в даташите), получится ток С/(2*8) = С/16, что и требовалось. Для установки делителя служит вывод PGM3, в данном случае он соединяется с выводом BATT-.
- Предельное напряжение на одном элементе батареи определяет, какое напряжения будет на выходе зарядного устройства при отключенной батарее. Кроме того, если напряжение на батарее окажется больше этого максимума, батарея будет считаться неисправной и зарядка сразу отключится. Задаётся подачей нужного напряжения на вход VLIMIT. Даташит рекомендует устанавливать это напряжение в 2В. Тут очень кстати источник опорного напряжения на 2В (выход REF), к нему и подключим наш вход VLIMIT.
- Количество элементов в батарее — тут всё понятно. Программируется коммутацией входов PGM0 и PGM1. В моём случае (15 банок) — PGM0 на BATT-, а PGM1 на REF.
- Таймаут — время, через которое заряд прекратится, даже если микросхема не «поймает» Delta Peak. А такое может случится на дохлых аккумуляторах. Естественно, оно зависит от планируемого времени заряда батареи. И тут пришлось призадуматься. Дело в том, что время заряда у меня планируется около 3-х часов. А значение таймаута можно выбрать ровненько 180 минут. Естественно, хотелось бы иметь небольшой запас, так как 180 минут может чуть-чуть не хватить. Но ближайшее большее значение, которое можно выбрать — уже целых 264 минуты. Это очень много. В итоге я решил использовать 180 минут. Ибо китайцы никогда честно ёмкость аккумуляторов не указывают, и, возможно, их реальная ёмкость чуть меньше паспортной. Кроме того, при больших токах заряда КПД NiCd несколько выше. Ну а если всё-таки времени хватать не будет, просто поставлю параллельно R7 ещё и R8, ток немного возрастёт (до 1 ампера), заряд ускорится, тогда времени точно хватит.
Полная схема устройства:
Рекомендации по трассировке платы
Часть рекомендаций прописана в даташите, часть проистекает из общепринятых правил разводки импульсных силовых схем. Во-первых, C8 необходимо подсоединять к выводам CC и BATT- как можно более короткими дорожками. Во-вторых, по дорожке, соединяющей GND и R7 не должны течь токи силовой части. То есть, это измерительная цепь и должна соединять GND и R7 напрямую, ни на что больше не отвлекаясь, и от GND больше никуда не идти. То же самое касательно соединения BATT- и R7, это тоже измерительная цепь. Длина дорожек между BATT+ и BAT+ и между BATT- и BAT- должна быть минимальной. Силовые дорожки должны иметь большую ширину и минимальную длину, площадь контура протекания больших импульсных токов (C1/C3, Q7, D3) должна быть минимальна.
Возможно, трассировка не идеальная, но вполне приемлема (ну не обошелся я без перемычек — две штуки есть):
Размеры корпуса позволили разместить детали на плате свободно, применять SMD — компоненты почти не потребовалось. Дорожки широкие, на всякий случай под ЛУТ рассчитаны (хотя делал фоторезистом), если бы изначально ориентировался только на фоторезист, можно было бы без перемычек обойтись за счет существенного уменьшения ширины дорожек. Но так надёжнее. Готовая плата:
При изготовлении платы немного накосячил с маской, попал кусок плёнки куда не надо, но переделывать не было смысла, ибо дефекты непринципиальные и на работу устройства не влияют.
После сборки сразу захотелось проверить работоспособность. Оказалось, это не так просто. Хитрая микросхема категорически отказывалась заряжать нагрузочный резистор :-). Со свинцовым аккумулятором от бесперебойника получилось немного лучше. Теперь надо попробовать устройство на реальной батарее, а её ещё собрать надо. Вытряхиваем из корпуса старые дохлые аккумуляторы:
Достаём из упаковки вовремя подоспевшие китайские:
Монтируем из них батарею. Удобно, что выводы к аккумуляторам уже приварены: NiCd категорически нельзя греть паяльником (впрочем, этого никакие аккумуляторы не любят), поэтому выводы только привариваются. Несмотря на то, что при сварке температура в несколько раз выше, чем при пайке, разогрев происходит в маленькой точке и тепло тут же рассеивается корпусом, практически не увеличивая его температуру. При пайке же, чтобы припой смочил корпус аккумулятора, его надо хорошо разогреть, и тут уж тепло в немалом количестве доходит до начинки аккумулятора. А вот приваренные выводы вполне допустимо паять, по ним тепла до корпуса доходит совсем немного:
Собираем корпус батареи и устанавливаем на зарядное устройство:
Ура, всё заработало :-D. Конечно же, при первом и втором циклах заряда батарея была подсоединена к заряднику временными проводками для контроля тока и напряжения. Показания приборов подтвердили, что все характеристики соответствуют расчетным. После трёхчасового заряда корпус зарядного устройства заметно нагрелся в районе силового транзистора, но не слишком критично. Даже не стал развинчивать зарядное для непосредственной оценки температуры компонентов, так как и так понятно, что ничего не перегревается.
Схема умного зарядного устройства для Ni-Cd аккумуляторов (MAX713)
Традиционная (“безопасная”) зарядка никель-кадмиевых аккумуляторов током, значение которого в десять раз меньше емкости аккумулятора, удовлетворяет далеко не всех пользователей, поскольку в этом случае для гарантированной полной его зарядки требуется затратить более десяти часов.
Между тем аккумуляторы можно безопасно заряжать и большими токами, соответственно сокращая время зарядки. При этом, однако, необходим постоянный контроль за состоянием заряжаемого аккумулятора, чтобы избежать его выхода из строя.
Момент, когда никель-кадмиевый аккумулятор полностью заряжен, можно надежно установить, измеряя зависимость его напряжения от времени зарядки. В общем виде она показана на рис. 1.
Полностью заряженному аккумулятору соответствует момент, когда напряжение на нем достигает максимума. Поскольку для различных экземпляров абсолютное значение максимума может различаться, этот параметр нельзя использовать для однозначного определения окончания зарядки.
“Интeллeктyaпьныe,’ зарядные устройства, периодически измеряя напряжение на заряжаемом аккумуляторе определяют момент когда изменение напряжения сменит знак (напряжение начнет уменьшаться), и прекращают зарядку.
Рис. 1.
Точнее, обычно переводят зарядное устройство в безопасный режим зарядки малым током. Следует отметить, что уменьшение напряжения по отношению к максимуму после его прохождения невелико-около 10 мВ на один элемент, и для его регистрации нужна измерительная аппаратура с соответствующим разрешением
Второй параметр, который принято контролировать при быстрой зарядке, – время. Его рассчитывают исходя из тока быстрой зарядки, и даже если за это время напряжение на аккумуляторе не достигло максимума, зарядку прекращают.
Это позволяет в какой-то мере уменьшитъ опасность выхода из строя зарядного устройства если в него установлен дефектный аккумулятор, у которого может и не произойти смены знака изменения напряжения в процессе зарядки.
Есть еще один параметр который наряду со сменой знака изменения напряжения на аккумуляторе объективно отражает завершение процесса зарядки, – температура корпуса аккумулятора.
Однако этот параметр относится к числу наиболее трудно контролируемых, поскольку требует установления надежного теплового контакта датчика температуры с корпусом заряжаемого аккумулятора.
Более того, в герметичных аккумуляторных батареях которые в основном используются в современной носимой аппаратуре, это в принципе невозможно. Поэтому на практике зарядку аккумуляторов с контролем температуры не применяют.
Но при этом приходится также отказываться и от предельных – очень быстрых режимов зарядки.
Микросхема МАХ713
Для реализации описанных алгоритмов зарядки выпускают специализированные микросхемы которые выполняют все перечисленные выше функции контроля и управления. К их числу относится например микросхема МАХ713. Она позволяет заряжать как единичный элемент, так и батарею, состоящую из нескольких аккумуляторов.
Контрольное время для быстрой зарядки может быть в пределах от 22 до 264 минут (восемь дискретных значений), а ток – в пределах от 4С до 0,ЗЗС (С – емкость аккумулятора) Все эти параметры устанавливают программно. Предусмотрена в микросхеме МАХ713 и функция контроля температуры заряжаемого аккумулятора.
При расчете режима быстрой зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов сначала выбирают зарядный ток I, ориентируясь на требуемое время зарядки. Следует заметить, что при отсутствии надежного контроля температуры заряжаемого аккумулятора выбирать его более 2С не рекомендуется.
По окончании режима быстрой зарядки ток снижают до значений, безопасных в течение длительного периода (“дозарядка”). В микросхеме МАХ713 это значение например выбрано около 30 мА и не зависит от тока быстрой зарядки.
Принципиальная схема зарядного устройства
Схема “интеллектуального” зарядного устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов, выполненного на микросхеме МАХ713, приведена на рис 2, Источник питания напряжением 12 В подключают к разъему X1.
Он должен обеспечивать ток нагрузки, по крайней мере на 50 мА больше максимального зарядного тока. При напряжении питания 12В можно заряжать батареи содержащие до девяти аккумуляторов.
В авторском варианте для питания устройства использовался обычный сетевой адаптер, обеспечивающий ток нагрузки до 300 мА при напряжении 12 В Светодиод HL1 индицирует работу устройства в целом, а светодиод HL2 – режим быстрой зарядки.
Рис 2. Принципиальная схема умного зарядного устройства.
Если он не светится, то это означает, что зарядка закончена Аккумулятор (батарею) подключают к разъему Х2 Зарядный ток регулирует транзистор VТ1. Если после включения устройства с подключенным аккумулятором светодиод HL2 не светится, значит, аккумулятор заряжен.
Программирование микросхемы производят подключением выводов 3 (PGM0), 4 (PGM1). 9 (PGM2) и 10 (PGM3) к выводам микросхемы 15 (+), 12 (ВАТТ-) 16 (REF). Они могут быть также и не подключены к чему-либо (OPEN). Через выводы PGM0 и PGM1 программируют число аккумуляторов в батарее (табл 1). а через выводы PGM2 и PGM3-таймер окончания быстрой зарядки (табл. 2).
Перед выбором окончательной версии устройства задают число элементов N в аккумуляторной батарее, подлежащей зарядке, и зарядный ток.
Исходя из первого параметра, определяют подключение выводов 3 и 4 микросхемы (в соответствии с табл 1), а по второму параметру – ориентировочное время зарядки Т (в часах) по формуле Т=С/0,8І. Здесь С подставляют в мАч, а I – в мА. В табл. 2 находят ближайшее большее значение программируемого интервала времени зарядки и определяют соответствующее ему подключение выводов 9 и 10 микросхемы.
На следующем этапе рассчитывают мощность Р (в ваттах), которая будет рассеиваться на транзисторе ?Т1, по формуле P=(Umax – Umin)*1. Здесь Umax – максимальное напряжение на выходе источника питания, В; Umin, – минимальное напряжение на батарее аккумуляторов, В: I – ток зарядки A.
Umin рассчитывают исходя из числа элементов и минимального напряжения на одном аккумуляторе обычно полагают 1В. На основе этого расчета выбирают транзистор и выясняют, нужен ли для него теплоотвод.
Сопротивление резистора R2 (в кило-омах) рассчитывают по формуле R2=U/5 1, где U – минимальное напряжение источни ка питания в вольтах Сопротивление резистора R5 (в омах) рассчитывают по формуле R5=0 25/I, где I – ток зарядки в амперах.
Приведенные на схеме номиналы соответствуют минимальному напряжению источника питания 12В и току зарядки 0,25 А. При напряжении питания 12 В можно заряжетъ батареи не более чем из семи аккумуляторов.
Steven Avritch. A Smart Charger For Nickel-Cadmium Batteries – QST 1994 September p.40-42. Р2001, 1.
Хождение под мухой или две недели с MAX713.
РадиоКот >Лаборатория >Аналоговые устройства >Хождение под мухой или две недели с MAX713.
Всем привет.
Как вы, наверное, уже поняли из заголовка, речь пойдет о зарядном устройстве для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов на микросхеме MAX713. Схема этого зарядника есть на нашем сайте и посмотреть её можно вот тут. Правда по окончании этой лабораторной работы её придется несколько подкорректировать, однако не буду забегать вперед. Со всем этим добром пришлось изрядно попыхтеть и написание данного опуса растянулось больше чем на две недели – чуть позже поймете почему. Хотя, вполне возможно, кому-то и удалось избежать проблем, которые будут описаны ниже, но тем не менее, тех горемык, которые так же как и я маялись с этой микросхемой судя по нашему форуму хоть отбавляй. Так что, надеюсь, эти две недели не пропадут даром и помогут нашим товарищам не наступать на те грабли, которые беспорядочно раскиданы вокруг.
Итак, вот она, виновница торжества – MAX713:
Короче говоря, начитавшись всяких кошмаров на нашем и на других форумах, я подумал – “Ну вот они все дураки-то… Сейчас я все быстренько соберу и всем покажу козью морду – руки не оттуда растут…”. Однако реальность оказалась гораздо хуже, чем я предполагал. Но обо всем по порядку.
Итак, я метнулся котом помойным в один известный московский магазин радиобарахла, где и было закуплено все необходимое.
Вот из всего этого и будем лепить зарядное устройство. Плату разрабатывать не стал – обойдусь макеткой. Также, для полевых испытаний, были закуплены пара металлогидридных аккумуляторов GP емкостью 1300мАЧ
и симпатичный пенальчик для них:
Ну и славно. Теперь – расчеты.
Итак, у нас есть два аккумулятора по 1300мАЧ каждый. Я выбрал разумный, на мой взгляд, компромисс между скоростью заряда и сохранностью аккумулятора – заряжать будем током С/2, то есть около 750мА.
Теперь, чтобы было проще – по шагам, указанным в статье со схемой.
1. Ток заряда – уже определили – 750мА.
2. Количество аккумуляторов – 2 штуки, смотрим в таблицу 1 – PGM1 остается висеть в воздухе, а PGM0 соединяем с V+.
3. Подбираем входное напряжение. Минимально, оно должно быть равно 2+(1,9*2)=5,8 вольта, то есть, не меньше 6 вольт. Однако у меня был в наличии трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 12 вольт. Учитывая диодный мост и фильтрующий конденсатор, получаем входное напряжение – 17 вольт. Не хило. Ну а кому сейчас легко?
4. Определяем мощность выходного транзистора – (17-2,7)*0,75=10,7 ватт. Ну возьмем 11. В принципе, КТ816 такую мощность выдерживает, судя по справочнику. Поэтому, менять я его не стал (пока) и поставил его буржуйский аналог BD140.
5. Считаем R1. R1=(17-5)/5=2,4 кОм.
6. Считаем R6. R6=0,25/0,75=0,33 Ом.
7. Выбираем время тайм-аута – смотрим таблицу 2 – PGM2 прикручиваем к BATT-, PGM2 – к REF. Это будет соответствовать 3-м часам.
Все, с расчетной часть покончено – впереди сплошная практика, чтоб её.
Вся сборка проходила довольно спокойно, в теплой, дружественной обстановке.
Не прошло и пары часов, как получилось вот это:
Резистор R6 был выдран из какой-то платы оставшейся со времен мохнатых мамонтов – со знаком качества.
Так, время достать аккумуляторы. Тут выяснилась одна интересная вещь – когда я перевернул упаковку, мой взгляд уперся в строгую надпись – “Не вскрывать!”
Долго думал. Но потом решил все же на свой страх и риск вскрыть упаковку и вытащить оттуда аккумуляторы. Посмотрим, насколько они заряжены.
Ну, нормальный недозаряд – пациент ни жив ни мертв. Он в коме. Будем лечить.
Ну вот, все готово – по местам стоять, с якоря сниматься!
Поехали!
20 секунд, полет нормальный. Как видите, ток на 50 мА отличается от расчетного – скорее всего это связано с немного большим (на 0,03 Ома) сопротивлением резистора R6. Ну да это не беда.
В первое включение, вся эта конструкция проработала ровно семь минут. Нет, она не сама выключилась – я её выключил. Потому как на диодном мосту (КЦ402А) и радиаторе транзистора можно было жарить яйца. Я побоялся спалить и то и другое, посему пришлось опять бежать в магазин. Правду люди говорят – сколько не бери, а все равно второй раз бежать придется. Таким образом, диодный мост был заменен на другой, с большим максимальным током (1,9А у 2KBB40 против 1А у КЦ402А)
А на транзистор был водружен более монстровый радиатор.
После этого, радиатор все равно разогревался прилично, но руку держать на нем, хотя и с трудом, можно было.
Ну что – опять поехали.
На этот раз мой бульбулятор проработал 24 минуты и вырубился сам. Тьфу, блин! А все не просто так. Ну что же, начнем шаманить. Прежде всего, я заменил транзистор на КТ818.
Снова зарядка. 43 минуты. %;№@%#$”? – сказал я. Решил подойти к делу системно, по научному и промерить везде напряжения, сравнивая их с напряжениями в описании на микросхему. И при очередном замере, между выводом резистора R6 и шупом мультиметра проскакивает маленькая такая, но очень симпатичная искорка. Статика, подумал я. Бубубу, сказала микросхема и откинула коньки. Черт! И в третий раз поехал я к синему морю. Ну в смысле, в магазин. Опять заряд-разряд. 14 минут, 28 минут, 32 минуты. @#$%^%$^#$@%$@#^#&!!!!!
В общем, чтобы не мучить вас дальше душераздирающими подробностями, скажу в чем было дело.
В резисторе R1. Что сказано в даташите? Что микросхема питается через резистор R1, который нужно рассчитать, но который должен быть (далее дословно) ДОСТАТОЧНО МАЛЫМ, чтобы ток, проходящий через него составлял от 5 до 20 мА. В этом случае, на выводе V+ будет напряжение +5 вольт, что совершенно необходимо для нормально функционирования микросхемы.
Когда я первый раз замерил напряжение на вывод V+, на нем было всего 3,48 вольта!!! Это вместо 5! При таком напряжении, у внутреннего компаратора микросхемы просто ехала крыша – он не мог понять, то ли зарядка аккумуляторов уже закончилась, то ли еще что стряслось и вырубал все к чертям щенячьим.
Я стал уменьшать сопротивление. В результате, схема начала работать стабильно только когда оно было уменьшено до 1,2 кОм – в два раза, по сравнению с расчетным. А собственно почему? Да потому что светодиод! Тот самый зеленый светодиод, который индицирует подачу питания на микросхему. На нем-то ведь тоже есть падение напряжения, а этого никто в даташите не учитывает.
Короче говоря, очередной заряд после замены резистора прошел в течение 1 часа 20 минут, что вполне нормально, учитывая неполный разряд аккумулятора. После этого времени зарядник перешел в режим медленного заряда, как и положено.
Около 80 мА или чуть больше.
Все. На этом мучения закончились.
Итак, из всего этого можно сделать следующие выводы:
1. Транзистор нужно ставить по-мощнее – КТ818, КТ837 или вроде того. Но учтите, что помимо мощности надо учесть еше и коэффициент усиления – h31э. Иначе, при большом токе заряда микросхема может уйти в защиту – максимальный ток на выводе DRV – 30мА.
2. Провода, ведущие к аккумулятору должны быть достаточно толстыми, а контакт с аккумуляторами должен быть жестким и надежным.
3. Резистор R1 должен быть меньше расчетного как минимум на треть. Если, конечно, использовать индикаторный светодиод. Лучше всего будет подобрать его экспериментально, измеряя (под нагрузкой!) напряжение на выводе V+. Оно должно быть как можно ближе к +5 вольтам.
4. Микросхему нужно защищать от статики – убирать со стола котов и прочих мышей с хомячками.
Вроде бы все.
Удачи всем тем, кто решил делать зарядное устройство на этой микросхеме. Я лично пойду поищу что-то менее капризное. Хотя, конечно, после всех издевательств, которые я над ней учинил, работает она вполне стабильно и аккумуляторы заряжает совершенно нормально.
Вопросы, как обычно, складываем тут.
Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? |
Схема умного зарядного устройства для Ni-Cd аккумуляторов (MAX713)
Традиционная (“безопасная”) зарядка никель-кадмиевых аккумуляторов током, значение которого в десять раз меньше емкости аккумулятора, удовлетворяет далеко не всех пользователей, поскольку в этом случае для гарантированной полной его зарядки требуется затратить более десяти часов.
Между тем аккумуляторы можно безопасно заряжать и большими токами, соответственно сокращая время зарядки. При этом, однако, необходим постоянный контроль за состоянием заряжаемого аккумулятора, чтобы избежать его выхода из строя.
Момент, когда никель-кадмиевый аккумулятор полностью заряжен, можно надежно установить, измеряя зависимость его напряжения от времени зарядки. В общем виде она показана на рис. 1.
Полностью заряженному аккумулятору соответствует момент, когда напряжение на нем достигает максимума. Поскольку для различных экземпляров абсолютное значение максимума может различаться, этот параметр нельзя использовать для однозначного определения окончания зарядки.
“Интeллeктyaпьныe,’ зарядные устройства, периодически измеряя напряжение на заряжаемом аккумуляторе определяют момент когда изменение напряжения сменит знак (напряжение начнет уменьшаться), и прекращают зарядку.
Рис. 1.
Точнее, обычно переводят зарядное устройство в безопасный режим зарядки малым током. Следует отметить, что уменьшение напряжения по отношению к максимуму после его прохождения невелико-около 10 мВ на один элемент, и для его регистрации нужна измерительная аппаратура с соответствующим разрешением
Второй параметр, который принято контролировать при быстрой зарядке, – время. Его рассчитывают исходя из тока быстрой зарядки, и даже если за это время напряжение на аккумуляторе не достигло максимума, зарядку прекращают.
Это позволяет в какой-то мере уменьшитъ опасность выхода из строя зарядного устройства если в него установлен дефектный аккумулятор, у которого может и не произойти смены знака изменения напряжения в процессе зарядки.
Есть еще один параметр который наряду со сменой знака изменения напряжения на аккумуляторе объективно отражает завершение процесса зарядки, – температура корпуса аккумулятора.
Однако этот параметр относится к числу наиболее трудно контролируемых, поскольку требует установления надежного теплового контакта датчика температуры с корпусом заряжаемого аккумулятора.
Более того, в герметичных аккумуляторных батареях которые в основном используются в современной носимой аппаратуре, это в принципе невозможно. Поэтому на практике зарядку аккумуляторов с контролем температуры не применяют.
Но при этом приходится также отказываться и от предельных – очень быстрых режимов зарядки.
Микросхема МАХ713
Для реализации описанных алгоритмов зарядки выпускают специализированные микросхемы которые выполняют все перечисленные выше функции контроля и управления. К их числу относится например микросхема МАХ713. Она позволяет заряжать как единичный элемент, так и батарею, состоящую из нескольких аккумуляторов.
Контрольное время для быстрой зарядки может быть в пределах от 22 до 264 минут (восемь дискретных значений), а ток – в пределах от 4С до 0,ЗЗС (С – емкость аккумулятора) Все эти параметры устанавливают программно. Предусмотрена в микросхеме МАХ713 и функция контроля температуры заряжаемого аккумулятора.
При расчете режима быстрой зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов сначала выбирают зарядный ток I, ориентируясь на требуемое время зарядки. Следует заметить, что при отсутствии надежного контроля температуры заряжаемого аккумулятора выбирать его более 2С не рекомендуется.
По окончании режима быстрой зарядки ток снижают до значений, безопасных в течение длительного периода (“дозарядка”). В микросхеме МАХ713 это значение например выбрано около 30 мА и не зависит от тока быстрой зарядки.
Принципиальная схема зарядного устройства
Схема “интеллектуального” зарядного устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов, выполненного на микросхеме МАХ713, приведена на рис 2, Источник питания напряжением 12 В подключают к разъему X1.
Он должен обеспечивать ток нагрузки, по крайней мере на 50 мА больше максимального зарядного тока. При напряжении питания 12В можно заряжать батареи содержащие до девяти аккумуляторов.
В авторском варианте для питания устройства использовался обычный сетевой адаптер, обеспечивающий ток нагрузки до 300 мА при напряжении 12 В Светодиод HL1 индицирует работу устройства в целом, а светодиод HL2 – режим быстрой зарядки.
Рис 2. Принципиальная схема умного зарядного устройства.
Если он не светится, то это означает, что зарядка закончена Аккумулятор (батарею) подключают к разъему Х2 Зарядный ток регулирует транзистор VТ1. Если после включения устройства с подключенным аккумулятором светодиод HL2 не светится, значит, аккумулятор заряжен.
Программирование микросхемы производят подключением выводов 3 (PGM0), 4 (PGM1). 9 (PGM2) и 10 (PGM3) к выводам микросхемы 15 (+), 12 (ВАТТ-) 16 (REF). Они могут быть также и не подключены к чему-либо (OPEN). Через выводы PGM0 и PGM1 программируют число аккумуляторов в батарее (табл 1). а через выводы PGM2 и PGM3-таймер окончания быстрой зарядки (табл. 2).
Перед выбором окончательной версии устройства задают число элементов N в аккумуляторной батарее, подлежащей зарядке, и зарядный ток.
Исходя из первого параметра, определяют подключение выводов 3 и 4 микросхемы (в соответствии с табл 1), а по второму параметру – ориентировочное время зарядки Т (в часах) по формуле Т=С/0,8І. Здесь С подставляют в мАч, а I – в мА. В табл. 2 находят ближайшее большее значение программируемого интервала времени зарядки и определяют соответствующее ему подключение выводов 9 и 10 микросхемы.
На следующем этапе рассчитывают мощность Р (в ваттах), которая будет рассеиваться на транзисторе ?Т1, по формуле P=(Umax – Umin)*1. Здесь Umax – максимальное напряжение на выходе источника питания, В; Umin, – минимальное напряжение на батарее аккумуляторов, В: I – ток зарядки A.
Umin рассчитывают исходя из числа элементов и минимального напряжения на одном аккумуляторе обычно полагают 1В. На основе этого расчета выбирают транзистор и выясняют, нужен ли для него теплоотвод.
Сопротивление резистора R2 (в кило-омах) рассчитывают по формуле R2=U/5 1, где U – минимальное напряжение источни ка питания в вольтах Сопротивление резистора R5 (в омах) рассчитывают по формуле R5=0 25/I, где I – ток зарядки в амперах.
Приведенные на схеме номиналы соответствуют минимальному напряжению источника питания 12В и току зарядки 0,25 А. При напряжении питания 12 В можно заряжетъ батареи не более чем из семи аккумуляторов.
Steven Avritch. A Smart Charger For Nickel-Cadmium Batteries – QST 1994 September p.40-42. Р2001, 1.
Зарядное устройство для радиостанций Kenwood на Max713 в импульсном режиме
Есть у меня вот такие радиостанции:
зарядное kenwood. процесс зарядки
Рации очень приличные, дубовые, в огне не горят и не тонут. Выпускались для американской армии в лохматых годах, по неосторожности были выпущены на внешний рынок, приобрели небывалую популярность и довольно скоро были скопированы китайцами, после чего перестали выпускаться. Китайскую подделку различить достаточно сложно, а качество у них отличается — как у картонного самолёта против настоящего истребителя. Мне повезло, у меня оригинал.
К сожалению, ввиду своей редкости, настолько же сложно найти к ним аккумуляторы, китайские «аналоги» опять же только со слезами можно назвать аналогом, а родные NiCd аккумуляторы при неправильной эксплуатации мрут очень быстро, хотя и обладают преимуществом хорошей работы при низких температурах. Оставил разок на сутки, — и привет! Забыл на выходные в заряднике, — в понедельник озадачился поиском новых…
оригинальная плата зарядки
В общем, решая эту проблему, нашёл я отличные контроллеры заряда Max713, которые позволяли заряжать аккумуляторы в любом состоянии, а самое главное — отключать зарядку в конце, переходя в режим капельного заряда или поддержания ёмкости. Много про неё писать не буду, работает она в моей схеме в импульсном режиме, наиболее оптимальном с точки зрения нагрева и потерь энергии, практически не греется. Подробно про режимы работы и особенности можно почитать здесь.
Схема зарядного устройства на max713
Плата зарядного устройства на max713
Первый прототип, вытравленный на коленке (хреновенько вытравлен, поэтому пришлось вешать «сопли»), показал отличный результат
и был тут же повторён уже в двух экземплярах:
вторая версия max713
вторая версия max713
вторая версия max713
К сожалению, родные трансформаторы были рассчитаны на напряжение около 11В, и не могли выдать необходимое напряжение для зарядки. К тому же, при таком токе они прилично грелись, поэтому было принято решение перейти на питание от импульсного источника. В закромах подходящего не нашлось, пришлось заказывать на али.
Готовое устройство приобрело вот такой вид:
окончательная сборка max713
плата импульсного блока питания была размещена на месте трансформатора и приклеена на термосопли. Внимательный читатель задаст вопрос, — почему светодиоды припаяны так интересно? Ответ прост, — лень и небольшой косяк. Косяк в том, что я перепутал зеркальное отображение, и разводил плату, глядя на неё со стороны элементов, потом отзеркалил, чтобы smd-компоненты были припаяны правильно, а светодиоды надо было поменять местами. Переразводить было лень, а если впаять светодиоды на сторону элементов, то индикация становится неочевидной (слева в таком случае оказывается диод, показывающий статус зарядки, а справа — наличие питания). Поэтому я просто перевернул плату.
файлы к статье.
Max713 datasheet на русском – Вэб-шпаргалка для интернет предпринимателей!
Контроллеры ускоренного заряда NiCd/NiMH батарей
Отличительные особенности:
- Быстрый цикл заряда NiCd или NiMH батарей
- Отключение по значению падения напряжения, температуре и по таймеру быстрого цикла заряда
- Заряд до 16 – ти последовательно – соединенных элементов
- Режим заряда батареи с, одновременной, рабочей нагрузкой (линейный режим)
- Быстрый цикл заряда от С/4 до 4С
- Режим медленного заряда С/16
- Автоматическое переключение с режима быстрого заряда (Fast) в режим медленного заряда (Trickle)
- Линейный, или импульсный режим контроля источника питания
- При отсутствии заряда, потребляемый ток составляет 5 мкА (макс)
- 5 В, шунтирующий стабилизатор, питает внешнюю логику
Области применения:
- Оборудование с питанием от батарей:
- Компьютеры Laptop, Notebook, и Palmtop
- Ручные терминалы
- Сотовые телефоны
- Потребительская электроника:
- Портативные стерео системы
- Беспроводные телефоны
Типовая схема включения:
Контроллеры цикла быстрого заряда MAX712/MAX713 NiCd и NiMH батарей работают от источников постоянного тока, с напряжением, по крайней мере, на 1.5 В больше максимального напряжения батареи. Одновременно могут заряжаться от 1 до 16, последовательно – соединенных элементов, с циклом до 4 С. Определение окончания цикла заряда батареи производится с помощью мониторинга падения напряжения и АЦП, таймера, и температурного компаратора. ИС MAX712/MAX713 питаются от источника постоянного тока через, расположенный на плате, шунтирующий стабилизатор напряжения +5 В. Потребляемый (от батареи) ИС ток составляет 5 мкА (макс), в режиме отсутствия заряда. Резистор – датчик тока, расположенный на шине с низким потенциалом, позволяет стабилизировать зарядный ток батарей, даже в режиме одновременного снабжения энергией нагрузки батареи.
ИС MAX712 завершает цикл быстрой зарядки, при получении нулевого падения напряжения, тогда, как MAX713 использует схему отрицательного нулевого падения напряжения. Обе ИС выпускаются в корпусах 16- pin DIP и SO. Единственными, необходимыми, внешними элементами являются: силовой PNP – транзистор, блокирующий диод, три резистора и три конденсатора.
В случае необходимости обеспечения большей зарядной мощности, ИС MAX712/MAX713 могут быть сконфигурированы для работы в импульсном режиме, с минимальной рассеиваемой мощностью. Выпускаются два макетных набора (evaluation kits): MAX712EVKIT-DIP для быстрого ознакомления с контроллером заряда в линейном режиме, и MAX713EVKIT-SO – для ознакомления с зарядным контроллером в импульсном режиме.
Хождение под мухой или две недели с MAX713.
Автор:
Опубликовано 01.01.1970
Не было заботы, купила баба порося.
Всем привет.
Как вы, наверное, уже поняли из заголовка, речь пойдет о зарядном устройстве для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов на микросхеме MAX713. Схема этого зарядника есть на нашем сайте и посмотреть её можно вот тут. Правда по окончании этой лабораторной работы её придется несколько подкорректировать, однако не буду забегать вперед. Со всем этим добром пришлось изрядно попыхтеть и написание данного опуса растянулось больше чем на две недели — чуть позже поймете почему. Хотя, вполне возможно, кому-то и удалось избежать проблем, которые будут описаны ниже, но тем не менее, тех горемык, которые так же как и я маялись с этой микросхемой судя по нашему форуму хоть отбавляй. Так что, надеюсь, эти две недели не пропадут даром и помогут нашим товарищам не наступать на те грабли, которые беспорядочно раскиданы вокруг.
Итак, вот она, виновница торжества — MAX713:
Короче говоря, начитавшись всяких кошмаров на нашем и на других форумах, я подумал — “Ну вот они все дураки-то. Сейчас я все быстренько соберу и всем покажу козью морду — руки не оттуда растут. “. Однако реальность оказалась гораздо хуже, чем я предполагал. Но обо всем по порядку.
Итак, я метнулся котом помойным в один известный московский магазин радиобарахла, где и было закуплено все необходимое.
Вот из всего этого и будем лепить зарядное устройство. Плату разрабатывать не стал — обойдусь макеткой. Также, для полевых испытаний, были закуплены пара металлогидридных аккумуляторов GP емкостью 1300мАЧ
и симпатичный пенальчик для них:
Ну и славно. Теперь — расчеты.
Итак, у нас есть два аккумулятора по 1300мАЧ каждый. Я выбрал разумный, на мой взгляд, компромисс между скоростью заряда и сохранностью аккумулятора — заряжать будем током С/2, то есть около 750мА.
Теперь, чтобы было проще — по шагам, указанным в статье со схемой.
1. Ток заряда — уже определили — 750мА.
2. Количество аккумуляторов — 2 штуки, смотрим в таблицу 1 — PGM1 остается висеть в воздухе, а PGM0 соединяем с V+.
3. Подбираем входное напряжение. Минимально, оно должно быть равно 2+(1,9*2)=5,8 вольта, то есть, не меньше 6 вольт. Однако у меня был в наличии трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 12 вольт. Учитывая диодный мост и фильтрующий конденсатор, получаем входное напряжение — 17 вольт. Не хило. Ну а кому сейчас легко?
4. Определяем мощность выходного транзистора — (17-2,7)*0,75=10,7 ватт. Ну возьмем 11. В принципе, КТ816 такую мощность выдерживает, судя по справочнику. Поэтому, менять я его не стал (пока) и поставил его буржуйский аналог BD140.
5. Считаем R1. R1=(17-5)/5=2,4 кОм.
6. Считаем R6. R6=0,25/0,75=0,33 Ом.
7. Выбираем время тайм-аута — смотрим таблицу 2 — PGM2 прикручиваем к BATT-, PGM2 — к REF. Это будет соответствовать 3-м часам.
Все, с расчетной часть покончено — впереди сплошная практика, чтоб её.
Вся сборка проходила довольно спокойно, в теплой, дружественной обстановке.
Не прошло и пары часов, как получилось вот это:
Резистор R6 был выдран из какой-то платы оставшейся со времен мохнатых мамонтов — со знаком качества.
Так, время достать аккумуляторы. Тут выяснилась одна интересная вещь — когда я перевернул упаковку, мой взгляд уперся в строгую надпись — “Не вскрывать!”
Долго думал. Но потом решил все же на свой страх и риск вскрыть упаковку и вытащить оттуда аккумуляторы. Посмотрим, насколько они заряжены.
Ну, нормальный недозаряд — пациент ни жив ни мертв. Он в коме. Будем лечить.
Ну вот, все готово — по местам стоять, с якоря сниматься!
20 секунд, полет нормальный. Как видите, ток на 50 мА отличается от расчетного — скорее всего это связано с немного большим (на 0,03 Ома) сопротивлением резистора R6. Ну да это не беда.
В первое включение, вся эта конструкция проработала ровно семь минут. Нет, она не сама выключилась — я её выключил. Потому как на диодном мосту (КЦ402А) и радиаторе транзистора можно было жарить яйца. Я побоялся спалить и то и другое, посему пришлось опять бежать в магазин. Правду люди говорят — сколько не бери, а все равно второй раз бежать придется. Таким образом, диодный мост был заменен на другой, с большим максимальным током (1,9А у 2KBB40 против 1А у КЦ402А)
А на транзистор был водружен более монстровый радиатор.
После этого, радиатор все равно разогревался прилично, но руку держать на нем, хотя и с трудом, можно было.
Ну что — опять поехали.
На этот раз мой бульбулятор проработал 24 минуты и вырубился сам. Тьфу, блин! А все не просто так. Ну что же, начнем шаманить. Прежде всего, я заменил транзистор на КТ818.
Снова зарядка. 43 минуты. %;№@%#$”? — сказал я. Решил подойти к делу системно, по научному и промерить везде напряжения, сравнивая их с напряжениями в описании на микросхему. И при очередном замере, между выводом резистора R6 и шупом мультиметра проскакивает маленькая такая, но очень симпатичная искорка. Статика, подумал я. Бубубу, сказала микросхема и откинула коньки. Черт! И в третий раз поехал я к синему морю. Ну в смысле, в магазин. Опять заряд-разряд. 14 минут, 28 минут, 32 минуты. @#$%^%$^#$@%$@#^#&#&.
В общем, чтобы не мучить вас дальше душераздирающими подробностями, скажу в чем было дело.
В резисторе R1. Что сказано в даташите? Что микросхема питается через резистор R1, который нужно рассчитать, но который должен быть (далее дословно) ДОСТАТОЧНО МАЛЫМ, чтобы ток, проходящий через него составлял от 5 до 20 мА. В этом случае, на выводе V+ будет напряжение +5 вольт, что совершенно необходимо для нормально функционирования микросхемы.
Когда я первый раз замерил напряжение на вывод V+, на нем было всего 3,48 вольта. Это вместо 5! При таком напряжении, у внутреннего компаратора микросхемы просто ехала крыша — он не мог понять, то ли зарядка аккумуляторов уже закончилась, то ли еще что стряслось и вырубал все к чертям щенячьим.
Я стал уменьшать сопротивление. В результате, схема начала работать стабильно только когда оно было уменьшено до 1,2 кОм — в два раза, по сравнению с расчетным. А собственно почему? Да потому что светодиод! Тот самый зеленый светодиод, который индицирует подачу питания на микросхему. На нем-то ведь тоже есть падение напряжения, а этого никто в даташите не учитывает.
Короче говоря, очередной заряд после замены резистора прошел в течение 1 часа 20 минут, что вполне нормально, учитывая неполный разряд аккумулятора. После этого времени зарядник перешел в режим медленного заряда, как и положено.
Около 80 мА или чуть больше.
Все. На этом мучения закончились.
Итак, из всего этого можно сделать следующие выводы:
1. Транзистор нужно ставить по-мощнее — КТ818, КТ837 или вроде того. Но учтите, что помимо мощности надо учесть еше и коэффициент усиления — h31э. Иначе, при большом токе заряда микросхема может уйти в защиту — максимальный ток на выводе DRV — 30мА.
2. Провода, ведущие к аккумулятору должны быть достаточно толстыми, а контакт с аккумуляторами должен быть жестким и надежным.
3. Резистор R1 должен быть меньше расчетного как минимум на треть. Если, конечно, использовать индикаторный светодиод. Лучше всего будет подобрать его экспериментально, измеряя (под нагрузкой!) напряжение на выводе V+. Оно должно быть как можно ближе к +5 вольтам.
4. Микросхему нужно защищать от статики — убирать со стола котов и прочих мышей с хомячками.
Вроде бы все.
Удачи всем тем, кто решил делать зарядное устройство на этой микросхеме. Я лично пойду поищу что-то менее капризное. Хотя, конечно, после всех издевательств, которые я над ней учинил, работает она вполне стабильно и аккумуляторы заряжает совершенно нормально.
Вступление
MAX713 — наверное, самый известный контроллер заряда для NiCd/NiMH. Я о нем прочитал в незапамятные времена в журнале Радио и прикупил сразу, как только смог. Сделать планировал универсальный зарядничек для пальчиковых и иже с ними аккумуляторов. Но… Провалялся он у меня лет пять, задача утратила актуальность и однажды я решил применить его хоть куда-нибудь. Вот, зарядник от свежекупленного шуруповерта подойдет. А то уж больно убог он, да и пятичасовой заряд без контроля — не комильфо.
Первый вариант схемы был содран из журнала, обычный линейный режим. Ключевой транзистор, рассеивая 4Вт, прилично грелся и сварил до смерти одну из банок аккума. Не айс. Кроме того, родной блок питания не выдавал необходимых для нормальной работы зарядника 20В, и я начал изучать импульсные источники — хотелось запилить нечто в корпусе родного адаптера, а то в кейс не влезет. После прочтения книги Семёнова, в очередной раз заглянув в даташит, я обнаружил, что вариант включения MAX713 в импульсном режиме стал куда понятнее, и перепилил под него. Ну и кроме того, после нескольких экспериментов, с дымом и без, зарядник таки обзавелся импульсным источником питания. Но о нем — в следующий раз.
Описание MAX713
В целом, алгоритм работы контроллера схож с уже описанным в предыдущей статье. Эта микросхема работает почти так же, вот только у ней вдвое больше ног и:
- Встроенный стабилизатор зарядного тока. Причем, можно вывести его в неустойчивый режим, тогда он будет работать как ШИМ-регулятор.
- Встроенный делитель напряжения. Тут количество элементов в батарее задается так же, как и таймаут — подачей соответствующей кодовой комбинации на выводы PGM.
- Встроенный стабилизатор питания контроллера.
- Таймер и слежение за температурой могут работать одновременно.
Кроме того, есть практически идентичная микра MAX712. Отличается она только условием завершения заряда по dv/dt — по прекращению нарастания напряжения на аккумуляторе, а не по его снижению (т.е. MAX712 отключает при dv/dt=0V, а MAX713 при dv/dt=-2.5mV, dt зависит от выбранного таймаута зарядки и составляет от 21 до 168 секунд).
Итак, чего на схеме есть интересного.
- Программируемый делитель напряжения. Управляется через выводы PGM0 и PGM1, состоянием которых можно задать число элементов в батарее от 1 до 16. Кодовая табличка приведена в даташите.
- Таймер, управляемый выводами PGM2 и PGM3. Ими можно задать максимальное время заряда (как в MC33340), а также отключить слежение за dv/dt. Табличка там же.
- Температурный компаратор. Идентичен таковому в MC33340, только выводы ни с чем не мультиплексированы.
- Параллельный стабилизатор на 5В. Обеспечивает микросхему стабильным питанием.
- Единственный информационный выход — nFASTCHG. Придавлен к земле когда идет быстрая зарядка.
- Стабилизатор зарядного тока.
С первыми тремя пунктами все вполне понятно, а вот стабилизаторы стоит рассмотреть чуть подробнее.
Стабилизатор питания
Стабилизатор питания в MAX713 — параллельный. Поэтому запитывать ее следует через резистор. Резистор должен обеспечивать ток не менее 5 мА (примерно столько потребляет микросхема), но не более 100 мА (это максимум, который способен прожевать стабилизатор). Поскольку ток довольно скромный — лучше всего выбрать его в районе 8-10 мА и подавать через последовательно включенные резистор и светодиод, индицирующий наличие питания. Разумеется, в этом случае источник питания должен обеспечивать достаточное напряжение, где-нибудь от 8-9В. Ну а менее, чем 5В и вовсе недостаточно в любом случае. Запас в 3-5 мА нужен для питания индикатора заряда.
Резистор в данной схеме рассчитывается по следущим формулам:
R1 = (VMIN — VLED — 5В) / 8мА
R1 > (VMAX — VLED — 5В) / 20мА
Если не удается удовлетворить второму условию — можно перенести индикатор питания в другое место (скажем, запитать его через резистор от стабилизированных 5В) и увеличить ток с 20 мА до 100 мА. Также, если индикатор питания запитан от питания контроллера — придется увеличить минимальный ток. Кроме того, сопротивление в 470 Ом для второго резистора маловато. Следует увеличить либо его, либо минимальный ток через R1.
Кроме того, минимальное напряжение питания девайса в целом определяется количеством заряжаемых батарей по формуле:
VMIN = N * 1.9В + VO,
где N — количество элементов в батарее, а VO — падение напряжения на регулирующем элементе. Оно составляет 1.5В для линейного режима и 2В для импульсного. Если напряжение на выходе источника питания пульсирующее (например, обычный сетевой адаптер с трансформатором и мостиком) — VMIN должно быть ниже уровня пульсаций.
Также стоит отметить, что при питании более 20В следует принимать специальные меры. Подробнее — в даташите.
Стабилизатор зарядного тока
А вот и самая интересная часть. Этот блок обеспечивает режим заряда аккумуляторов. Он может находиться в одном из трех режимов:
- Стабилизация выходного напряжения. Этот режим включается при отсутствии на выходе батареи и ограничивает выходное напряжение на уровне N * VLIMIT. VLIMIT задается напряжением на одноименном выводе, обычно он подключается к встроенному источнику опорного напряжения на 2В (вывод VREF). Также в этот режим зарядник может перейти при зарядке неисправной батареи, если напряжение на ней во время заряда превысит N * VLIMIT.
- Стабилизация выходного тока в режиме быстрого заряда. Это основной режим заряда аккумулятора. Ток определяется сопротивлением шунта RSENSE по формуле RSENSE = 0.25В / IFAST.
- Стабилизация выходного тока в режиме капельного заряда. Он, в зависимости от выбранного максимального времени заряда, составляет от 1/8 до 1/64 тока быстрого заряда. Табличка… Да-да, все там же 🙂 В целом, если выбирать время адекватно, ITRICKLE оказывается в диапазоне C/10..C/20.
Кроме того, сам стабилизатор может работать в одном из двух режимов — импульсном или линейном. Это определяется емкостью конденсатора коррекции C2. Линейный режим весьма прост и неоднократно описан. Но — в нем на регулирующем транзисторе рассеивается приличная мощность, кроме того, вывод DRV микросхемы тоже работает в линейном режиме и на нем тоже рассеивается некоторая мощность (которая, в сумме с мощностью, расеиваемой стабилизатором питания микросхемы, не должна превышать 0.6-0.8Вт в зависимости от корпуса).
Приведенная в даташите схема включения в импульсном режиме, по сравнению с линейным, несколько пугает и весьма скудно описана. Однако, если присмотреться (и если разбираться в импульсных преобразвателях, разумеется) не все так страшно. По большей части, тут все то же самое, но:
- Конденсатор C2 заметно уменьшился. Именно это переводит петлю стабилизации тока в неустойчивый режим. Он же определяет частоту генерации, в данном случае — около 30 кГц.
- Регулирующий транзистор теперь полевой (хотя, на самом деле, туда без проблем можно вкорячить биполярник) и вместе с D2 и L1 образует обычный step-down. Работа этой схемы неплохо описана DI HALT’ом, канализационная аналогия прилагается 🙂 Дроссель можно посчитать, но в принципе, схема допускает нехилый разброс его индуктивности, так что можно просто взять 220 мкГн и не заморачиваться (у меня оно работало даже с дросселем на 1 мГн из ЭПРА).
- На Q1, Q2 и R2 собран драйвер MOSFET’а. В принципе, вполне типичная схема. Хотя, если напряжение питания превышает максимально допустимое напряжение исток-затвор — над драйвером придется поработать… Либо заменить полевик на биполярник.
- Любопытно реализована схема питания и индикации. Ток питания ограничивается неким «токоограничивающим диодом», каковых я с полпинка в продаже не нашел, а индикатор запитывается не от питания контроллера, а от входного. Можно взять на заметку, а можно откатить на вариант из раздела про питание, он проще.
На этом я закруглюсь с описанием микросхемы, хотя в даташите описано еще некоторое количество тонкостей. Перейдем к конструкции.
- Заряжаемая батарея: 12В, 1200мАч, NiCd.
- Корпус: от родного зарядника, довольно небольшой.
- Питание: сетевой адаптер, 20В 0.4А.
Выбор и расчет схемы
Прежде всего — выберем схему. Режим — импульсный (в корпус некуда вкорячить достаточно эффективный радиатор), питание МС через резистор (питание стабильное и искать токоограничивающий диод или корячить стабилизатор тока смысла нет), индикация двумя светодиодами («Питание» и «Заряд») по наиболее простой схеме. Кроме того, поскольку напряжение питания 20В — что близко к предельно допустимому для затвора VT4 и U1.DRV — введем дополнительный транзистор VT1. Он, во первых, ограничит напряжение на U1.DRV примерно пятью вольтами, а во вторых — ограничит напряжение исток-затвор транзистора VT4 примерно на уровне -15В.
Затем выберем параметры. Во первых, это ток заряда. Параметры адаптера ненавязчиво намекают выбрать его равным C/3, т.е. 400мА (примерно столько же было и в родной схеме). VMIN = 10 * 1.9В + 2В = 21В, что чуть выше, чем напряжение адаптера. Но в данном случае не страшно, параметр «1.9В» в формуле — это максимальное напряжение на одном элементе во время заряда, но при столь малом токе (а MAX713 рассчитана на токи до 4C) оно врядли будет достигнуто. Время заряда примерно можно посчитать как 1.5 * C / I, что дает 4.5 часа. Выбираем из таблички подключение для PGM3/4, дающее таймаут 264 минуты (максимальный) с включенным voltage slope detection (т.е. отключение по dv/dt). Также выбираем из таблицы подключение PGM0/1 для 10 элементов в батарее. Слежение за температурой в батарее не предусмотрено, так что просто подаем 0 на TLO, 5В на THI и нечто среднее на TEMP, удобнее всего взять VREF, которое равно 2В. Повесим туда же и VLIMIT, это дефолтный вариант из даташита.
Теперь необходимо посчитать номиналы.
Конденсаторы по большей части выбираем «как в даташите» или «что есть, но не слишком далеко от даташита». Критичен здесь только C4, но 220пФ у меня не было. C5 можно уменьшить вплоть до 1мкФ, остальные уменьшать не стоит. Не забываем и про напряжение — все электролиты на 25В, кроме C5 на 6.3В. Транзисторы опять же по принципу «что есть», в качестве VT1-VT3 подходят любые маломощные транзисторы общего назначения соответствующей проводимости, а вот VT4 должен выдерживать не менее 25В сток-исток, исток-затвор 15-20В, ну и выдерживать ток порядка ампера. Да, IRF9540 — нехило так эти параметры переплевывает, но — что в магазине было. Я еще посматривал на FETKY-сборку из дохлого винта, но она была всего на 20В. VD1 — любой шоттки на требуемые ток (порядка 0.5-1А) и напряжение (более 20В, лучше с запасом). В качестве VD2 вообще пригоден почти любой диод на 0.5 А и 20В. СИДы выбираем по вкусу, я выбрал зеленый на питание и красный на заряд, трехмиллиметровые — по размеру дырок в корпусе.
Чуть интереснее расчет резисторов и дросселя.
R1 считается по приведенной выше формуле. 1.2кОм чуть менее расчетного значения, но это не страшно. Зато есть запас тока на HL2. R2 ограничивает ток HL2 примерно тремя миллиамперами. Можно было и побольше, тускло светит, а запас питания есть. R4 задает ток каскада на VT1, в данном случае примерно 3мА (на нем 5В минус падение на выводе DRV МС и эмиттерном переходе транзистора), на R3 при этом токе должны падать остальные 15В. R5 — токозадающий, формула опять же приведена выше.
В плане дросселя вполне приемлема точность как у Фау-1 — плюс-минус пол-Лондона, какая разница. Сперва я взял дроссель фильтра из ЭПРА, но он, зараза, грелся до оверсотни градусов, и тока нужного не выдавал. Пришлось перемотать его проводом потолще, около 0.3-0.4мм, взятым с балластного дросселя той же ЭПРА. Сердечник дросселя фильтра — гантелька, длиной около сантиметра и внешним диаметром около 8мм. После намотки до заполнения получилось как раз 250-300 мкГн, подошло отлично и не грелось.
Рекомендации по трассировке платы
Во первых, даташит предупреждает — C4 необходимо цеплять к выводам CC и BATT- как можно более короткими дорожками, в идеале — вообще SMD прямо между ними посадить. Во вторых, по дорожке, соединяющей U1.GND и R5 не должны течь токи силовой части. Проще говоря, она должна соединять их напрямую, ни на что больше не отвлекаясь, и от U1.GND больше никуда не идти. То же самое касательно соединения U1.BATT- и R5. Но тут допустимо после U1.BATT развести соединения к обвязке МС. Провод к BAT- тоже надо отводить непосредственно от ножки R5 отдельной дорожкой. Также нежелательна большая длина проводов между U1.BATT+ и BAT+ и между U1.BATT- и BAT-. К силовой части (VT4, VD1, VD2, L1, C1, C2, C6) применяются обычные правила разводки импульсных силовых схем, т.е. силовые дорожки потолще и покороче, площадь контура протекания больших импульсных токов (здесь это C1/C2, сток-исток VT4, VD1 и в меньшей степени L1 и C6) поменьше и все такое. Заметные импульсные токи есть и в контуре драйвера — C1/C2, VT2/VT3, VT4.
Фоточки
Версия первая, линейная: 
Версия вторая, импульсная. Можно заметить две вполне типичные ошибки трассировки. Во первых, я влепил VT4 туда, где под него нету места по высоте. Поэтому он так странно установлен 🙂 Кстати, черный бочонок за ним — тот самый дроссель. Во вторых, я забыл провести одну из дорожек, теперь там перемычка. Ну и в третьих, уже позже я добавил параллельно C6 керамический SMD кондер на 0.1 мкФ. 
Ну и в полном сборе: 
Заметно, что светодиод «Зарядка» светит тускловато.
Рекомендуем к прочтению
Техническое описаниеmax713 (1/17 страницы) MAXIM | Контроллеры быстрой зарядки NiCd / NiMH аккумуляторов
Для получения информации о ценах, доставке и заказе обращайтесь в компанию Maxim / Dallas Direct! по телефону
1-888-629-4642 или посетите веб-сайт Maxim по адресу www.maxim-ic.com.
Общее описание
Никель-металлогидридные батареи MAX712 / MAX713 с быстрой зарядкой
(NiMH) и никель-кадмиевые (NiCd) от источника постоянного тока
, как минимум, на 1,5 В выше, чем максимальное напряжение батареи
.Ячейки серий от 1 до 16 можно заряжать по тарифам от
додо 4С. Аналого-цифровой преобразователь
er с определением наклона напряжения, таймер и компаратор температурного окна определяют завершение заряда
. MAX712 / MAX713 питаются
от источника постоянного тока через встроенный шунтирующий стабилизатор + 5В.
Они потребляют от аккумулятора максимум 5 мкА, когда не заряжается
. Токоизмерительный резистор на нижней стороне позволяет регулировать ток заряда батареи
, при этом
обеспечивает питание нагрузки батареи.
MAX712 завершает быструю зарядку, обнаруживая нулевой наклон напряжения
, тогда как MAX713 использует схему обнаружения отрицательного наклона
напряжения. Обе части поставляются в корпусах DIP и SO по 16-
контактов. Внешний силовой транзистор PNP-транзистор
, блокирующий диод, три резистора и три конденсатора
являются единственными необходимыми внешними компонентами.
Для требований к зарядке большой мощности MAX712 /
MAX713 может быть сконфигурирован как зарядное устройство с импульсным режимом
, которое минимизирует рассеяние мощности.Доступны два оценочных комплекта
: Закажите MAX712EVKIT-DIP для быстрой оценки
линейного зарядного устройства и MAX713EVKIT-
SO для оценки импульсного зарядного устройства.
. или никель-кадмиевые батареи
o Крутизна напряжения, температура и таймер
Отсечка быстрой зарядки
o Заряд от 1 до 16 ячеек серии
o Нагрузка батареи питания во время зарядки
(линейный режим)
o Быстрая зарядка от C / Скорость от 4 до 4C
o C / 16 Скорость непрерывной зарядки
o Автоматическое переключение с быстрой на постоянную подзарядку
o Линейное или импульсное управление мощностью
o 5 мкА (макс.) Разрядка батареи при отсутствии зарядки
o Шунтирующий регулятор 5 В питает внешнюю логику
NiCd / NiMH аккумулятор
Контроллеры быстрой зарядки
_______________________ _________________________________________ Maxim Integrated Products
1
MAX712
MAX713
THI
R2
150
Ω
R3
68k
Ω
R4
R4
мкФ
C4
0.01
мкФ
C1
1
мкФ
C3
10
мкФ
C2
0,01
µF
DRV
000DRV
СМОТРИТЕ ЦЕПЬ ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА С ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫМ РЕЖИМОМ.
D1
1N4001
АККУМУЛЯТОР
RSENSE
V +
VLIMIT
BATT +
REF
TEMP
REF
TEMP
BATT
14
13
12
11
10
9
1
2
3
4
5
6
7
000
000
000 DRV
GND
BATT-
CC
PGM3
PGM2
VLIMIT
BATT +
PGM0
PGM1
THI
0002 PGM1
THI
THI
THI
MAX713
DIP / SO
Конфигурация контактов
19-0100; Ред. 5; 4/02
ЧАСТЬ
MAX712CPE
MAX712CSE
MAX712C / D
от 0 ° C до + 70 ° C
от 0 ° C до + 70 ° C
от 0 ° C до + 70 ° C
TEMP RANGE
PIN-PACKAGE
16 Пластиковый DIP
16 Narrow SO
Dice *
Информация для заказа
Информация для заказа продолжается в конце листа данных.
* Свяжитесь с заводом-изготовителем для получения технических характеристик кубиков.
** Свяжитесь с заводом-изготовителем для получения информации о наличии и обработке в соответствии с MIL-STD-883.
MAX712EPE
MAX712ESE
MAX712MJE
от -55 ° C до + 125 ° C
от -40 ° C до + 85 ° C
от -40 ° C до + 85 ° C
16 Пластиковый DIP
16 Узкий SO
16 CERDIP **
ОЦЕНКА
КОМПЛЕКТ
В НАЛИЧИИ
.% PDF-1.2 % 143 0 объект > endobj Xref 143 64 0000000016 00000 н. 0000001631 00000 н. 0000002559 00000 н. 0000002777 00000 н. 0000003092 00000 н. 0000003634 00000 н. 0000004028 00000 н. 0000004249 00000 н. 0000005106 00000 п. 0000005305 00000 н. 0000005671 00000 п. 0000005746 00000 н. 0000006234 00000 н. 0000007039 00000 п. 0000007889 00000 н. 0000008746 00000 н. 0000009336 00000 п. 0000009786 00000 н. 0000009809 00000 п. 0000011586 00000 п. 0000011609 00000 п. 0000013119 00000 п. 0000013458 00000 п. 0000014266 00000 п. 0000014288 00000 п. 0000015354 00000 п. 0000015613 00000 п. 0000016916 00000 п. 0000017133 00000 п. 0000017570 00000 п. 0000017690 00000 п. 0000018551 00000 п. 0000019039 00000 п. 0000019062 00000 п. 0000020233 00000 п. 0000020256 00000 п. 0000021810 00000 п. 0000021833 00000 п. 0000023399 00000 н. 0000024259 00000 п. 0000025053 00000 п. 0000025547 00000 п. 0000025570 00000 п. 0000026671 00000 п. 0000026694 00000 п. 0000028207 00000 п. 0000033671 00000 п. 0000037337 00000 п. 0000042309 00000 п. 0000046987 00000 п. 0000047832 00000 п. 0000047963 00000 п. 0000048808 00000 п. 0000049326 00000 п. 0000055689 00000 п. 0000057843 00000 п. 0000062999 00000 п. 0000063130 00000 н. 0000063260 00000 п. 0000063368 00000 п. 0000063476 00000 п. 0000063608 00000 п. 0000001701 00000 п. 0000002537 00000 н. прицеп ] >> startxref 0 %% EOF 144 0 объект > endobj 205 0 объект > поток Hb“a“ [ADb @ Yn, 8 & zN`pQĀϝ LN2: UėcG0 +] zd4ҧ> \ sq2͵a ڔ` JV> ݧ.!? Ixk] `6_q3 ʲ-> RzyOф & ˶ | 6ӟ ꤇n “? 7; dhrVrm LXxUK | Y =] ск _] ч $ ܸ” * UWO \ 1е / ~ ap “
.% PDF-1.2 % 143 0 объект > endobj Xref 143 64 0000000016 00000 н. 0000001631 00000 н. 0000002559 00000 н. 0000002777 00000 н. 0000003092 00000 н. 0000003634 00000 н. 0000004028 00000 н. 0000004249 00000 н. 0000005106 00000 п. 0000005305 00000 н. 0000005671 00000 п. 0000005746 00000 н. 0000006234 00000 н. 0000007039 00000 п. 0000007889 00000 н. 0000008746 00000 н. 0000009336 00000 п. 0000009786 00000 н. 0000009809 00000 п. 0000011586 00000 п. 0000011609 00000 п. 0000013119 00000 п. 0000013458 00000 п. 0000014266 00000 п. 0000014288 00000 п. 0000015354 00000 п. 0000015613 00000 п. 0000016916 00000 п. 0000017133 00000 п. 0000017570 00000 п. 0000017690 00000 п. 0000018551 00000 п. 0000019039 00000 п. 0000019062 00000 п. 0000020233 00000 п. 0000020256 00000 п. 0000021810 00000 п. 0000021833 00000 п. 0000023399 00000 н. 0000024259 00000 п. 0000025053 00000 п. 0000025547 00000 п. 0000025570 00000 п. 0000026671 00000 п. 0000026694 00000 п. 0000028207 00000 п. 0000033671 00000 п. 0000037337 00000 п. 0000042309 00000 п. 0000046987 00000 п. 0000047832 00000 п. 0000047963 00000 п. 0000048808 00000 п. 0000049326 00000 п. 0000055689 00000 п. 0000057843 00000 п. 0000062999 00000 п. 0000063130 00000 н. 0000063260 00000 п. 0000063368 00000 п. 0000063476 00000 п. 0000063608 00000 п. 0000001701 00000 п. 0000002537 00000 н. прицеп ] >> startxref 0 %% EOF 144 0 объект > endobj 205 0 объект > поток Hb“a“ [ADb @ Yn, 8 & zN`pQĀϝ LN2: UėcG0 +] zd4ҧ> \ sq2͵a ڔ` JV> ݧ.!? Ixk] `6_q3 ʲ-> RzyOф & ˶ | 6ӟ ꤇n “? 7; dhrVrm LXxUK | Y =] ск _] ч $ ܸ” * UWO \ 1е / ~ ap “
.