Зарядні пристрої акумуляторів
Побудова схеми найпростішого зарядного пристрою залежить від принципів заряду, яких, загалом, два: обмеження струму заряду і обмеження напруги заряду. Принцип заряду з обмеженням струму заряду використовується при заряді нікель-кадмієвих та нікель-металгідридних акумуляторів, а принцип з обмеженням напруги заряду - при заряді свинцево-кислотних, літій-іонних і літій-полімерних акумуляторів.
Досить швидкий розвиток електроніки, вдосконалення її елементної бази призвели до створення спеціалізованих мікросхем зарядних пристроїв, здатні автоматично забезпечити заряд акумулятора по заданому алгоритму і призначені для заряду акумуляторів будь-якого типу. Крім того, окремі типи мікросхем крім заряду забезпечують вимірювання ємності акумулятора або акумуляторної батареї і ступеня розряду.
Сучасні мікросхеми зарядних пристроїв здатні дуже чітке припиняти процесу заряду практично по всім можливим характеристиками заряду: за швидкості підвищення температури ДТ/Δt, по піковому напрузі на акумуляторній батареї, за короткочасного зниження напруги ΔU/Δt, за максимальної температурі, за сигналом таймера. Окремі мікросхеми забезпечують контроль температури навколишнього середовища і в залежності від цього коригують режим заряду і розряду. Наприклад, таке коригування відбувається покроково при зміні температури на кожні 10 °С в межах від -35 до +85 °С. На практиці будь-яка з цих схем, взята за основу, обростає додатковими елементами, що додають зарядного пристрою нові можливості, поліпшуючи його характеристики.
Зарядні пристрої акумуляторів, що забезпечують постійний струм (гальваностатический режим заряду)
Велика частина зарядних пристроїв забезпечує заряд тільки постійним струмом і тому придатні лише для заряду лужних герметичних акумуляторів (нікель-металгідридних і нікель-кадмієвих). Найпростіші побутові зарядні пристрої, що здійснюють заряд постійним струмом, застосовуються для заряду від 1 до 4 акумуляторів. Вони розрізняються в основному конструкцією, а не принциповою електричною схемою. Найчастіше такі зарядні пристрої живляться через трансформатор від мережі 220В та забезпечують випрямлений струм з невисоким рівнем його стабілізації. Струм практично завжди не регулюється, а час заряду визначається самим користувачем.Універсальність побутових зарядних пристроїв, як правило, означає можливість установки в них акумуляторів різних габаритів і забезпечення постійного струму близько 0,1 З, по відношенню до ємності, яку виробник зарядного пристрою вважає типовою для акумуляторів такого типорозміру. Тому слід бути уважним при установці в них акумуляторів і правильно визначати час заряду. За останні 5-7 років швидкий прогрес промисловості привів до випуску лужних акумуляторів однакових габаритів, але відрізняються по ємності в 3 рази. Прагнення використовувати прості універсальні зарядні пристрої для заряду акумуляторів все більшої ємності може призвести до дуже тривалого і, головне, малоефективного заряду струмами істотно менше стандартного значення. Головним достоїнством таких зарядних пристроїв є їх низька ціна.
Більш дорогі зарядні пристрої забезпечують кілька режимів: доразряд (якщо він необхідний), заряд і режим підзаряду. Доразряд лужних акумуляторів (до 1 В/ак) проводиться з метою зняття залишкової ємності. Однак слід враховувати, що в таких зарядних пристроях акумуляторами, що встановлюються у пружинні контакти, можуть бути з'єднані послідовно, а контроль розряду виконується по граничному розрядному напрузі U=(n х 1,0), де n - кількість акумуляторів у ланцюжку. Але після тривалої експлуатації акумулятори можуть дуже сильно розрізнятися по ємності, і контроль за середнім напрузі для всього ланцюжка може призвести до переразряду або переполюсованию найбільш слабких і їх псування.
Припинення заряду або перемикання в режим підзарядки (малим струмом для компенсації саморозряду) проводиться у таких зарядних пристроях автоматично у відповідності з деякими з тих параметрів контролю, які описані в іншій статті. При використанні таких зарядних пристроїв слід пам'ятати, що не рекомендується часто і надовго залишати акумулятори в режимі компенсаційного підзаряду, так як це скорочує термін їх служби.
Деякі зарядні пристрої конструктивно оформлені так, що забезпечують заряд як 1-4 окремих акумуляторів, так і 9 В батареї типорозміру 6E22 (E-BLOCK). Деякі зарядні пристрої мають індивідуальний контроль процесу заряду (детекція -ΔU) в кожному каналі, що дає можливість заряджати одночасно акумулятори різних типорозмірів.
Слід зауважити, що в тому випадку, коли користувач може дозволити собі тривалий заряд нікель-кадмієвих або нікель-металгідридних акумуляторів стандартним струмом 0,1 С протягом 16 год, можна використовувати найпростіші зарядні пристрої з контролем процесу у часі. При цьому, якщо немає впевненості в повному вичерпання ємності, слід черговий заряд скоротити за часом: краще деякий недозаряд акумуляторів, ніж значний перезаряд, який може призвести до їх деградації і передчасний вихід з ладу. Але взагалі велика частина сучасних циліндричних акумуляторів може перенести випадковий досить значний перезаряд без пошкодження і наслідків, хоча ємність їх при наступному розряді і не підвищиться.
Якщо ж потрібно максимально скоротити час перепідготовки акумуляторів після вичерпання ємності, слід використовувати зарядні пристрої для швидкого заряду, але з високим рівнем контролю процесу. При виборі зарядного пристрою з різними параметрами контролю процесу слід враховувати, що контроль за абсолютною величиною кінцевого напруги ненадійний, а з двох найбільш часто рекомендованих виробниками акумуляторів параметрів (-ΔU і ΔT/T) перший реалізований вже в багатьох сучасних зарядних пристроях, другий - для звичайних зарядних пристроїв рідкісний, перш за все із-за того, що вимагає наявності термодатчика, а його встановлюють тільки в батареях, але можлива установка термодатчика в місце контакту акумулятора з зарядним пристроєм. Не слід захоплюватися і надто швидким зарядом акумуляторів (деякі компанії пропонують заряд за 15-30 хв). При поганому апаратурно забезпеченні навіть надійного способу контролю заряду, настільки швидкий заряд значно скоротить термін служби акумулятора.
Зарядні пристрої акумуляторів, що забезпечують режим постійної напруги (потенциостатический режим заряду) і комбінований заряд
Зарядні пристрої для свинцево-кислотних, літій-іонних і літій-полімерних акумуляторних батарей повинні здійснювати стабілізацію струму на першій стадії заряду і стабілізацію напруги живлення на другий. Крім того, повинен бути забезпечений контроль кінця заряду, який в загальному випадку може виконуватися або за часом, або за зниження струму до заданої мінімальної величини.Зарядних пристроїв з такою стратегією заряду на ринку багато менше, ніж зарядних пристроїв, що реалізують режим постійного струму (маються на увазі зарядні пристрої для безпосереднього заряду акумуляторів і батарей, а не блоки живлення для стільникових телефонів, ноутбуків тощо).
Про зарядних пристроях нікель-кадмієвих та нікель-металгідридних акумуляторів
Для нікель-кадмієвих та нікель-металгідридних акумуляторних батарей існує три типи зарядних пристроїв. До них відносяться:1. Зарядні пристрої нормального (повільного) заряду
2. Зарядні пристрої швидкого заряду
3. Зарядні пристрої швидкісного заряду
1. Зарядні пристрої нормального (повільного) заряду. Зарядні пристрої цього типу іноді називають нічними. Струм нормального заряду становить 0,1 С. Час заряду - 14...16 год. При такому малому струмі заряду важко визначити час закінчення заряду. Тому зазвичай індикатор готовності батареї у зарядних пристроях для нормального заряду відсутня. Вони найдешевші і призначені тільки для зарядки нікель-кадмієвих акумуляторів. Для зарядки як нікель-кадмієвих так і нікель-металгідридних акумуляторів використовуються інші, більш досконалі зарядні пристрої. Якщо зарядний струм встановлений правильно, повністю заряджена батарея стає теплою на дотик. У такому випадку немає потреби негайно відключати її від зарядного пристрою. В ньому вона може залишатися більш ніж на один день. Але все ж її від'єднання відразу після закінчення заряду - найкращий варіант. При застосуванні таких зарядних пристроях проблеми виникають, якщо вони використовуються для зарядки акумуляторів малої ємності, в той час як розраховані для роботи з більш потужними батареями. У такому разі акумуляторна батарея стане нагріватися вже по досягненні 70% своєї ємності. Оскільки можливість знизити струм заряду або припинити його процес взагалі відсутній, то у другій половині циклу заряду почнеться процес теплового руйнування акумуляторів. Єдино можливий спосіб зберегти акумулятори, це відключити їх, як тільки вони стануть гарячими. У разі, якщо для зарядки потужною акумуляторної батареї використовується недостатньо потужний зарядний пристрій, батарея в процесі заряду буде залишатися холодною і ніколи не буде заряджена до кінця. Тоді вона втратить частину своєї ємності.
2. Зарядні пристрої швидкого заряду. Вони позиціонуються як зарядні пристрої середнього класу як по швидкості заряду, так і за ціною. Заряд акумуляторів в них відбувається протягом 3...6 годин струмом близько 0,ЗС. В якості необхідного елементу ці зарядні пристрої мають схему контролю досягнення акумуляторами певної напруги у кінці заряду і їх відключення в цей момент. Такі зарядні пристрої забезпечують кращу порівняно з пристроями повільного заряду обслуговування акумуляторів. В даний час вони поступилися своє місце зарядних пристроїв швидкісного заряду.
3. Зарядні пристрої швидкісного заряду. Такі зарядні пристрої мають декілька переваг перед зарядними пристроями інших типів. Головне з них - менший час заряду. Хоча з-за більшої потужності джерела напруги і необхідності використання спеціальних вузлів контролю і управління такі зарядні пристрої мають найбільш високі ціни. Час заряду у зарядних пристроях такого типу залежить від струму заряду, ступеня розряду акумуляторів, їх місткості та типу. При струмі заряду 1С розряджена нікель-кадмиевая батарея заряджається в середньому менш ніж за годину. Якщо ж акумуляторна батарея повністю заряджена, деякі зарядні пристрої переходять в режим підзарядки зниженим струмом заряду і з відключенням за сигналом таймера.
Современные устройства скоростного заряда обычно используются для зарядки как никель-кадмиевых, так и никель-металлгидридных аккумуляторных батарей. Поскольку этот процесс происходит при повышенном токе заряда и за ним необходим контроль, крайне важно, чтобы в конкретном зарядном устройстве заряжались только те аккумуляторы, которые рекомендованы для скоростного заряда производителем. Некоторые батареи маркируют электрически на заводах-изготовителях с той целью, чтобы зарядное устройство могло распознать их тип и основные электрические характеристики. Після цього зарядний пристрій автоматично встановить величину струму і задасть алгоритм процесу заряду, відповідні встановленим до нього акумуляторам.
Ще раз підкреслимо, що свинцево-кислотні і літій-іонні акумуляторні батареї мають алгоритми заряду, не сумісні з алгоритмом заряду нікель-кадмієвих та нікель-металгідридних акумуляторів.
