NiCd / NiMH charger


Ładowarka została zbudowana w oparciu o standardową aplikację układu MAX 713 firmy MAXIM.
W przyjętym rozwiązaniu umożliwia ona ładowanie 1, 2 lub 4 ogniw NiCd, a przy spełnieniu odpowiednich warunków konstrukcyjnych także i NiMH.
Jako wyznacznik końca ładowania wykorzystałem detekcję -dU/dt oraz ograniczenie czasu ładowania.
Przy założonym prądzie ładowania <0,5Q pomiar temperatury (pomimo takich możliwości układu) nie jest konieczny i nie został zaimplementowany.
Pierwsza konstrukcja powstała ok. 1994 roku i od tego czasu przeszła kilka drobnych ulepszeń.

Konstrukcja

Ładowarka została zbudowana w oparciu o standardową aplikację układu MAX 713 firmy MAXIM.
Obudowa zaś powstała na bazie plastikowego pudełka z wolumenu (giełdy elektronicznej) typu "Z-30" o wymiarach 14 x 8 x 5 (D x S x W).
W prawej górnej części obudowy osadzony jest transformator (seria TS/6). Zajmuje on dokładnie całą dostępną wysokość obudowy, tak że po skręceniu utrzymywany jest z obydwu stron. Został on dodatkowo zabezpieczony poprzez wklejenie małych plastikowych profili opasujących u podstawy rdzeń. Profile te utrzymują transformator stabilnie w miejscu, a z drugiej strony umożliwiają szybkie jego wysunięcie.
Na pozostałej części obudowy umocowany został radiator, którego dolna część wygięta jest pod kontem prostym ku górze.
Radiator wykonano z 1,5 mm blachy aluminiowej, której większość powierzchni przylega płasko do spodu obudowy, dzięki czemu lepiej odprowadza ciepło na zewnątrz. Jest to jedyne rozsądne rozwiązanie nie zajmujące wiele miejsca oraz nie wymagające wymuszonego obiegu powietrza.
Do radiatora na niewielkich tulejkach dystansowych umocowana jest płytka drukowana z obwodem ładowarki. To na niej znajduje się cała logika urządzenia.

Zdjęcie środka ładowarki
Dzięki zrealizowanym na zworkach polom konfiguracyjnym zmianę takich parametrów jak: czas ładowania, mechanizm odcięcia, czy wartość prądu podtrzymania, można wykonać w kilka sekund.
Pierwotnie także przy pomocą zworek ustawiana miała być liczba ładowanych ogniw, jednakże ze względu na większą funkcjonalność została ona wyniesiona na przełącznik dostępny z zwenątrz ładowarki.
Zastosowałem tu dwuparowy trójpozycyjny przełącznik bistabilny, dzięki czemu w każdej chwili możliwe jest przełączenie konfiguracji niezbędnej do ładowania 1, 2 lub 4 akumulatorków.
Pierwsza para przełącznika ustala warunki pracy układu IC, druga zaś dołącza zasilanie do odpowieniego wyprowadzenia w koszu na baterie.
Jedynie duży elektrolit filtrujący napięcie za mostkiem Graetz`a został umiejscowiony obok. Jego wymiary, a dokładniej wysokość, nie dawały zbyt dużej swobody w tak nisko upakowanym urządzeniu.
Kilka milimetrów nad elektroniką w zamkniętym urządzeniu znajduje się kosz mieszczący do 4 akumulatorków typu AA (R6). Wpuszczony jest on w całości wgłąb górnej części obudowy, dzięki czemu nie zajmuje dodatkowo miejsca, a do tego ładnie wygląda.
Aby uzyskać swobodny dostęp do wyprowadzeń, kosz ten nie jest wklejony, lecz precyzyjnie wpasowany w wycięty pod wymiar prostokątny otwór i zabezpieczony plastikową blokadą (czerwony element widoczny na zdjęciu).
W zastosowanym koszu pierwotnie istniały plastikowe "listki" utrzymujące baterie w miejscu.
Ponieważ znacznie utrudniały one dostęp, a ładowane ogniwa i tak bez ich pomocy trzymały się stabilnie, listki te zostały wycięte.
Aby ułatwić dostęp do pierwszych dwóch ogniw, a więc najczęściej ładowanych, umieszczono je po środku kosza.
Dzięki temu pomimo wpuszczenia całości do środka obudowy, zarówno wkładanie jak i wyjmowanie baterii jest bardzo proste.
Na zwenątrz obudowy wyprowadząne są także dwie diody LED. Jedna znich informuje o podłączeniu urządzenia do sieci, a druga wkazuje proces szybkiego ładowania.

Specyfikacja układów MAX 712 / 713 (maxim)

Zmiany i poprawki

Pierwsza wersja ładowała akumulatorki prądem 250mA, co przy założonym maksymalnym 260 minutowym czasie, dawało możliwość ładowania ogniw o pojemności do ok. 1000 mAh.
Niezbyt wysoki prąd ładowania był uzasadniony kompromisem pomiędzy uniwersalnością i szybkością ładowania, a stratami mocy na liniowo pracującym elemencie czynnym, na którym w skrajnym przypadku ładowania tylko jednego ogniwa wydzielała się dość duża ilość ciepła.
Jednakże w czasach obecnych, gdzie pojemności ogniw typu AA (R6) sięgają 2000 mAh, a urządzenia (zwłaszcza aparaty cyfrowe) pożerają ogromne ilości energii, konieczne było dopasowanie posiadanej konstrukcji do nowych wymagań.
Pierwszą rzeczą jaką zmieniłem był transformator. Zastosowany pierwotnie 10V/0,5A (TS/6/...) dawał zbyt duże napięcie i zbyt mały prąd, aby można było "poszaleć". Ponieważ wymiary obudowy nie pozwalały na zastosowanie niczego innego niż tradycyjnego 6-cio watowego trafka serii TS/6, wybór padł na 6V/1A (TS/6/...). W tranformatorze tym odwinąłem dodatkowo kilka zwojów, tak aby przy pełnym obciążeniu dwoma ogniwami i założonym maksymalnym prądzie ładowania osiągnąć możliwie mały dopuszczalny spadek napięcia na pracującym jeszcze w zakresie liniowym tranzystorze mocy.
Dzięki tym zabiegom możliwe stało się zwiększenie efektywnego prądu ładowania prawie do 1 A.
Znacznie większy prąd, a więc w konsekwencji i przenoszona oraz tracona moc, wymusiły obrócenie diod prostowniczych oraz diody szeregowej w obwodzie ładowania na drugą stronę laminatu. W wyniku temu dotykają one teraz płasko powierzchni znajdującego się pod nimi radiatora, który lepiej odprowadza wydzielane w nich ciepło (przy prądzie przekraczającym 0,5 A zastosowane diody osiągają już znaczne temperatury ~50oC).
Ze względu na żywotność akumulatorków, możliwość szybkiego ich ładowania bez pomiaru temperatury oraz akceptowalny czas ładowania zdecydowałem się na ładowanie prądem 550 mA. Gwarantuje mi to możliwość obsługi w przyszłości akumulatorków do pojemności 2200 mAh, które ładowanę będą w czasie ok. 260 minut (4:20).

Obecnie korzystam z kilku typów akumulatorków, które ładowane są "od zera" w następującym czasie:

NiCd 500 mA< 1:00
NiCd 800 mA< 1:35
NiCd 1600 mA< 3:15
NiMH 1800 mA< 3:30

W obecnej konfiguracji ładowanie jednego lub dwóch ogniw (a w moim przypadku jest to ok. 95% ładowań) realizowane jest z pełną mocą. Opcjonalne ładowanie czterech ogniw odbywa się z mniejszym prądem. Rozważałem tu zamianę szeregowego ładowania 4 akumulatorków na ładowanie 2 par równolegle lub zamiennie. Wówczas po naładowaniu pierwszej pary, układ przełączałby się automatycznie na ładowanie pary drugiej. Podejście takie nie wymusza konieczności stosowania dużego marginesu napięcia, które w większości przypadków przy moich zastosowaniach i tak pójdzie "w gwizdek" (to znaczy w radiator ;-).


Sygnalizacja pracy oraz trwającego cyklu ładowania

Parametry

Uwagi i problemy

Czego jeszcze nie ma, a by się przydało

Co jeszcze mogłoby być