Nabíječka NiCd s nezávislým vybíjením - část 1
NiCd charger with independent discharging - part one

Část / part: 1 2 foto schéma

Používáte-li akumulátory s rozdílnou skutečnou kapacitou, s rozdílnou rychlostí samovybíjení a akumulátory od různých výrobců, bude se vám možná hodit dále popsaná nabíječka. Protože každý článek je možné nabitím zvlášť vybít, lze nabíjet články s různě velkým zůstatkovým nábojem.

Všechny dosud popsané nabíječky akumulátorů NiCd nabíjely, případně i vybíjely všechny články (nebo skupinu článků) současně. Takovou nabíječku je výhodné použít, mají-li články použité v baterii přibližně shodnou kapacitu. To je splněno jen u nových a nepříliš dlouho skladovaných baterií a baterií sestavovaných modeláři, kteří si dají s vybíráním článků práci. Vybírání článků je práce časově dosti náročná, a tak my, ostatní běžní uživatelé, zpravidla třídíme akumulátory jen podle kritéria dobrý–špatný. Pak se může stát, že se v jednom zařízení sejdou akumulátory s rozdílnou kapacitou a s rozdílnou rychlostí samovybíjení. Akumulátory s nejmenší kapacitou trpí při vybíjení – jsou vybíjeny na nulové napětí a někdy i přepólovány, čímž se podstatně zmenšuje počet nabíjecích cyklů a zkracuje doba jejich života. Toto nebezpečí hrozí zvláště u baterií s větším počtem článků, u nichž totální vybití jednoho článku nelze jednoduchým indikačním obvodem odlišit od mírného vybití celé baterie. U akumulátorů s největší kapacitou se naopak podle tradovaných pověr projevuje paměťový jev, neboť zpravidla nejsou před nabíjením baterie zcela vybity.

Problém s používáním takových akumulátorů částečně řeší popisovaná nabíječka. Po vložení akumulátorů jsou akumulátory vybíjeny nejdříve každý zvlášť na napětí 0,9 V a teprve pak nabíjeny. Nabíjet můžeme až čtyři články typu AA (R6, „tužkový článek”). Při menším počtu článků je jedno, do které pozice je článek vložen a která zůstane prázdná. První pozice slouží pro zálohování stavu klopných obvodů při výpadku napájení, a proto je vhodné ji článkem vždy osadit. Jinak jsou si pozice zcela rovnocené. Nabíjení je pomalé, proudem o něco větším než 0,1 C, což však pro většinu aplikací v domácnosti nevadí. Fázi vybíjení článků lze snadno vynechat.

Popis zapojení

Zapojení nabíječky je na samostatné stránce (obr.1). Nabíječka má společný zdroj referenčního napětí 1,25 V s obvodem LM317L (IO1), časovač s obvodem 4521 (IO6) a řízení nabíjecího proudu (T9, Př1). Naopak vybíjecí cyklus je řízen pro každý článek zvlášť. Po vložení článků a stisku tlačítka START se vynuluje časovač (IO6) signálem na vývodu 2 (MR) a všechny klopné obvody RS se nastaví tak, že na jejich výstupu je úroveň H. Na výstupu hradla OR (IO5c, vývod 10) je také signál s úrovní H, který zablokuje časovač signálem na vývodu 3 IO6 a nabíjecí zdroje proudu otevřením tranzistoru T9.

Obr. 2. Zjednodušené zapojení při vybíjení článku
Fig. 2. Simplified discharging circuit

Schéma samostatného vybíjecího obvodu pro jeden článek je na obr. 2. Na první pozici prochází proud z výstupu klopného obvodu RS rezistorem R9 a LED1 do báze tranzistoru T2. Tranzistor T2 je otevřen a akumulátor se vybíjí proudem procházejícím rezistorem R1. Napětí na akumulátoru se porovnává komparátorem IO3 s napětím 0,9 V získaným děličem R17, R18 z referenčního zdroje. Rezistory R17 a R18 představují zároveň minimální potřebnou zátěž stabilizátoru a jejich odpor by se neměl zvětšovat. Zmenší-li se při vybíjení napětí na akumulátoru pod 0,9 V, objeví se na výstupu komparátoru napětí, které vynuluje klopný obvod RS a vybíjení se ukončí. Současně také zhasne LED1, indikující vybíjení akumulátoru. Vybíjení akumulátorů na ostatních pozicích probíhá shodným způsobem. Články se ve skutečnosti vybíjejí na napětí o něco menší, než je napětí na výstupu děliče R17, R18. Rozdíl je způsoben úbytkem na rezistoru R5, vyvolaným proudem tekoucím do báze tranzistoru. Protože tento úbytek je velmi malý (asi 10 až 15 mV), nemá na funkci obvodu prakticky žádný vliv.

Obr. 3. Zjednodušené zapojení při nabíjení článku
Fig. 3. Simplified charging circuit

Na výstupu IO5c je úroveň H tak dlouho, dokud není ukončeno vybíjení všech článků - pak se změní na L. Tranzistor T9 se uzavře a akumulátory jsou nyní nabíjeny proudem, který je řízený napětím na neinvertujících vstupech IO2. Samotný nabíjecí obvod pro jeden článek je na obr. 3. Současně se také rozsvítí LED5, indikující nabíjení a odblokuje časovač s IO6. Zdroje proudu jsou napájeny z odbočky transformátoru. Na odbočce transformátoru je poloviční napájecí napětí (dvoucestně usměrněné polovinou diodového bloku D1), odebíraný proud však může být dvojnásobný. V tomto zapojení stačí pro správnou funkci zdroje proudu jen malý úbytek napětí na tranzistorech - zmenšuje se tak i výkonová ztráta.

Integrovaný obvod MOS 4521 obsahuje 24stupňový binární dělič, jehož posledních 7 výstupů je vyvedeno, dále pak hradlo OR a poněkud netypicky zapojené vstupní obvody. Hradlo OR má uvnitř IO jeden vstup spojen se signálem MR, druhý vstup hradla je vyveden na I1 (vývod 9), výstup na O1 (vývod 7). V nabíječce hradlo slouží k tvarování signálu s kmitočtem 50 Hz. Napětí ze sekundárního vinutí transformátoru je přivedeno přes rezistor R24 na vstup I1. Z výstupu O1 je zavedena hystereze rezistorem R25. Signál s obdélníkovým průběhem je přiveden na vstup I2 (vývod 6). Vývody Udd' a Uss' mohou být v různých kombinacích připojeny na obě napájecí napětí. Pak se různě mění funkce vstupního obvodu a děličky, v jednom režimu je výstup O2 dokonce vstupem. Pro detailnější popis nechť zájemce nahlédne do katalogu [2]. Ve zde uvedeném zapojení je vstupní signál, přivedený z výstupu tvarovače na vstup I2, hradlován napětím na vývodu Uss'. Pro správnou funkci je třeba výstup O2 (vývod 4) připojit přes rezistor ke kladnému napětí.

Stanovení délky nabíjení je odvozeno od kmitočtu sítě. Nechceme-li časovací obvod komplikovat, je vhodné zvolit takovou dobu nabíjení, kterou odvodíme binárním dělením. V nabíječce použitá délka nabíjení odpovídá periodě 20 ms prodloužené děličkou 2^21. Po uplynutí 11 hodin a 39 minut se na výstupu O22 objeví signál s úrovní H, který se přivede na vstup hradla OR (IO5b, vývod 8). Na výstupu IO5c se objeví úroveň H a zablokuje se časovač a zdroje proudu. LED5 zhasne a rozsvítí se LED6 signalizující ukončení nabíjení. Přesnost časovače je více než dostatečná. Pokud bychom chtěli časovač řídit krystalem, museli bychom přidat nejméně jeden integrovaný obvod, např. 4060 ve funkci oscilátoru a děličky. Časovač řízený oscilátorem RC by bylo třeba zase nastavit.

Tranzistor T9 se nikdy neotevře úplně. Protože na jeho kolektoru zůstane malé saturační napětí, jsou i po ukončení nabíjení články dobíjeny proudem 1 až 2 mA. Tento „udržovací” proud se může na jednotlivých pozicích lišit, neboť při malém řídicím napětí zdroje proudu se již dosti uplatňuje vstupní napěťová nesymetrie operačních zesilovačů. Při výpadku síťového napětí se nabíjení přeruší a z nabíjených článků není odebírán žádný proud. Stav klopných obvodů RS a binárního děliče se však může náhodně změnit. Proto je zapojení doplněno o diodu D2. Pak je při výpadku napájení z článku na první pozici odebírán proud asi 1 mA, kterým se napájí řídicí část nabíječky. Na logických IO je v tomto případě napětí asi 0,8 až 0,9 V, které (jak praxe ukázala), stačí na zachování stavu klopných obvodů a časovače.

Část / part: 1 2 foto schéma

Jaroslav Belza

Nabíječka byla otištěna v Praktické elektronice č. 7/1996 s. 12 pod pseudonymem Vladimír Hejtmánek

29. 1. 2001