Зарядное устройство для шуруповерта своими руками

Дешевое и простое в изготовлении зарядное устройство для шуруповерта NiCd/NiMH аккумуляторов подходит для автоматической зарядки широкого спектра аккумуляторов для многих применений. Правильные зарядные устройства, как правило, дороги, а дешевые зарядные устройства, поставляемые с оригинальным оборудованием, часто неправильно заряжают элементы и резко сокращают их срок службы.

Это «интеллектуальное» зарядное устройство было разработано для применения в условиях сильного тока и быстрой зарядки, таких как аккумуляторные электроинструменты и модели гоночных автомобилей. Эти аккумуляторные батареи дороги и иногда трудно купить. В этом зарядном устройстве используется метод зарядки, рекомендованный производителем, для безопасной и быстрой зарядки аккумуляторов.

Зарядное устройство NiCd/NiMH

Многие люди в настоящее время владеют одним или несколькими комплектами электроинструментов. Источник питания беспроводных инструментов находится в диапазоне от 3,6 В до 18 В и состоят из ячеек NiCd/NiMH, несмотря на фактическую марку самого электроинструмента. При правильном обращении эти аккумуляторные батареи должны выдерживать сотни зарядов и потенциально могут работать много лет.

Недавно я обнаружил, что моя 2-летняя аккумуляторная аккумуляторная дрель на 9,6 В не заряжается до номинальной емкости после зарядки. К сожалению, батарейные блоки довольно дорогие в замене. Часто вам говорят просто «купить новую дрель».

Но давайте рассмотрим вариант более дешевый — купить свои собственные элементы и использовать старый корпус для изготовления батарейного блока при условии что вы можете сделать пайку батарейных блоков (Примечание: не паяйте непосредственно к батареям, так как это повреждает их и довольно опасно).

При выборе сменных ячеек я исследовал спецификации производителя на зарядку и угадайте что? Зарядное устройство, поставляемое в комплекте с дрелью, не соответствовало этим спецификациям. Другими словами, прилагаемое зарядное устройство является очень простым устройством, которое подает постоянный ток на аккумуляторную батарею.

Зарядное устройство не использует метод прекращения зарядки. Во время процесса зарядки, когда батареи достигают 100% заряда, элемент начинает нагреваться, и внутреннее давление возрастает, в результате чего батарея в конечном итоге разрывается или выпускает электролит.

Приобретя новый аккумулятор, я решил разработать новое зарядное устройство, которое не повредило бы аккумулятор. Исходя из спецификаций и из моего предпочтительного стиля использования.

Для выполнения этой задачи требуется устройство, которое измеряет, запоминает и контролирует, в каком состоянии должен находиться заряд, и в сочетании с некоторыми сложными характеристиками, которые могут проявлять аккумуляторные батареи, мне казалось, что необходима схема логического управления.

Самым простой конструкцией будет одночиповая, и это будет использование PIC. (PIC означает контроллер периферийного интерфейса PIC16C711 и является зарегистрированным товарным знаком MicroChip).

Зарядное устройство NiCd/NiMH — Характеристики

Даже если вы не хотите создавать это зарядное устройство, вы все равно сможете извлечь пользу из этой статьи, поняв, как извлечь максимальную пользу из ваших аккумуляторов. Для начала элемент определяется как один сосуд, содержащий электроды и электролит для генерации тока.

Аккумулятор состоит из двух или более элементов. Ячейки NiCd / NiMH имеют номинальное напряжение 1,2 В для целей проектирования, хотя обычно они развивают напряжение около 1,25 В. При полной зарядке им требуется от 1,5 до 1,6 В.

Они могут подавать очень большие величины тока и демонстрируют удивительно ровную разрядную характеристику, поддерживая постоянное напряжение 1,2 В на протяжении всего разряда. Затем напряжение падает довольно внезапно, и они почти полностью плоские при 0,8 В.

Емкость аккумуляторной батареи указана в мАч (миллиампер-час). Общая емкость батареи определяется как «C», то есть она может подавать C мА в течение 1 часа или 2C в течение 30 минут и т. Д. Скорость зарядки может варьироваться от периодической зарядки, чтобы заряд аккумулятора достиг 3,3% от C — 5% C, медленный заряд от 10% C до 20% C или быстрый заряд от 50% C до 100% C.

Медленные заряды не предназначены для непрерывного применения, и так как NiCd / Эффективность никель-металлогидридных батарей составляет около 66%, обычно они работают около 8-15 часов. Быстрая зарядка, например 100% C, должна быть прекращена примерно через 1,5 часа, при условии, что аккумулятор разряжен. Как только батарея полностью заряжена, она производит газ, создавая высокое внутреннее давление и внезапное повышение температуры.

В этот момент заряд следует переключить на капельный заряд, иначе аккумулятор начнет выходить и высвобождать электролит. Моя старая батарея была рассчитана на C = 1300 мАч, а мое старое зарядное устройство было на 400 мА (30% от C), поэтому зарядное устройство должно было отключиться примерно через 4 часа, при условии, что они были почти разряжены с самого начала.

Однако нет никакого способа узнать, был ли C на самом деле 1300 мАч или он немного уменьшился, и как только батарея начинает разрушаться, я подозреваю, что это становится порочным циклом, и батарея быстро изнашивается из-за все большей и большей перезарядки. Производитель предполагает, что эти клетки должны быть хорошими в течение 500-1000 циклов, если их правильно заряжать!

Миф об эффекте памяти

Возможно, самый большой миф, существующий частично для NiCd-клеток, это «эффект памяти». Почти каждый цитирует это как причину того, что клетки должны быть полностью сплющены — иначе они развивают какую-то память и с этого момента могут удерживать только частичный заряд. Как и все хорошие истории, в этом есть доля правды!

Миф зародился с первых дней существования спутников, когда они использовали солнечные элементы для зарядки батарей, и из-за орбиты корабля вокруг Земли батареи подвергались точным циклам зарядки / разрядки много сотен раз. Эффект исчезает, когда цикл батареи внезапно изменяется, и воспроизвести этот эффект чрезвычайно трудно даже в лаборатории. Таким образом, «эффект памяти» не является существенной проблемой при домашнем использовании.

Что я могу вам сказать, так это то, что при разряде отдельных ячеек до 0 В может быть все в порядке, разумеется, не рекомендуется разряжать целую батарею ячеек. Причина проста. Когда батарея разряжается ниже 0,8 В на элемент, один из элементов неизбежно становится слабее, чем другие, и сначала идет к нулю.

Если батарея еще больше разряжена, она заряжается в обратном направлении, что снова делает ее еще слабее. Это создает более распространенный, но менее известный эффект, называемый «понижением напряжения». В конечном счете, производительность батареи падает внезапно, что, по иронии судьбы, является тем, что пользователь пытается предотвратить.

Батареи не любят сильный нагрев или охлаждение; они не заряжаются полностью и на самом деле разряжаются (даже без нагрузки) намного быстрее, когда температура превышает 40 градусов или ниже 0 градусов. Они могут накапливать внутреннее тепло при работе, и это может также вызвать повышение температуры внутри.

По этой причине избегайте оставлять аккумуляторные инструменты внутри горячей машины. Они также должны быть оставлены для охлаждения на некоторое время после разрядки, прежде чем ставить их на зарядку. Батареи NiCd/NiMH тоже саморазряжаются, как правило, батарея будет полностью заряжена (без нагрузки) в течение месяца или двух.

Так что вы можете извлечь из этого?

Вам не нужно разряжать аккумулятор перед тем, как его зарядить,
Не разряжайте батарею ниже 0,8 В на элемент,
Не перезаряжайте батарею выше 100% C, и
NiCd / NiMH не любит перегреваться или отрицательную температуру

Зарядка NiCd / NiMH

Осмотрите ячейки чтобы определить номер детали ячейки. Аккумуляторные блоки часто можно легко разобрать. Значение C часто образует часть номера детали, и номер детали можно поискать в Интернете. Для моей новой батареи значение C было 1700 мАч. Обратите внимание, что значение ячейки для C совпадает со значением батареи для C.

Данные производителей показывают, что при разработке зарядного устройства вы должны сначала рассмотреть, как должны использоваться элементы. Для этих применений использование заряда называется «циклическим использованием», когда батарея многократно заряжается и разряжается. Кроме того, обычно требуется как можно более быстрое время зарядки, от 1 до 2 часов.

Мои батареи были способны к быстрой зарядке до 100% от С, что соответствует 1,7 А. Несмотря на это, я выбрал 1.25A в качестве тока зарядки, потому что хотел также заряжать батареи емкостью 1300 мАч. Это значение среднее для большинства, и на самом деле не имеет значения, составляет ли оно чуть меньше 100% С, потому что зарядное устройство все равно обнаружит пик в любом случае. Однако некоторые читатели захотят отрегулировать максимальный ток, и это будет описано чуть позже.

Для «циклического использования» существует два рекомендуемых метода обнаружения прекращения заряда: либо использование датчика температуры в батарейном блоке, либо использование системы отсечки «отрицательный треугольник V». Температурный метод основан на обнаружении внезапного повышения температуры батареи, чтобы отключить заряд. В этом нет ничего плохого, но в комплекты батарей не всегда входят встроенные датчики температуры. Более того, они часто чувствуют температуру только одного элемента.

Отрицательная дельта-V-система основана на электрической характеристике, при которой напряжение NiCd / NiMH батареи достигает пика и падает примерно на 20 мВ на элемент при полной зарядке. Это зарядное устройство в своей базовой конфигурации будет обнаруживать пиковое значение 84 мВ (на батарею) от 2 В до 21,5 В и, таким образом, будет заряжать любой аккумуляторный блок в этом диапазоне (т.е. 6-12 элементов или 7,2 В до 14,4 В).

Следовательно, независимо от того, насколько разряжена батарея, этот метод даст достаточно заряда, чтобы восстановить батарею до ее полного состояния, и затем батарея непрерывно «доливается» подзарядкой. Предотвратить медленную утечку через внутреннее сопротивление.

Другие вещи, которые следует учитывать, — это необходимость дать батарее остыть, чтобы можно было использовать более эффективный заряд. Это зарядное устройство ждет, пока напряжение батареи стабилизируется в течение примерно 30 секунд, прежде чем начать зарядку.

Если аккумулятор только что разрядился и он горячий, может пройти минута или около того, чтобы заряд начался. Кроме того, новые батареи могут показывать ложные пики в течение первых 4 минут зарядки. По этой причине зарядное устройство запускается с медленного «плавного пуска» зарядки в течение 4 минут, чтобы дать батарее остыть и преодолеть эту точку.

Зарядное устройство использует порог 2 В (напряжение разомкнутой цепи), чтобы распознать, что батарея подключена. На практике даже очень старая батарея, которая была фактически закорочена в течение некоторого времени, восстановится выше этого значения при разгрузке.

Алгоритм зарядки, используемый PIC. Обратите внимание, что первый светодиод (LED) постоянно включается, пока аккумулятор подвергается процессу объемного заряда, а второй светодиод показывает индикацию конкретного типа применяемого заряда.

Принцип работы зарядного устройства для шуруповерта

Схема была сначала разработана в виде блок-схемы. Источник постоянного тока включается и выключается, как того требует микроконтроллер. Микроконтроллер измеряет напряжение батареи и использует аналого-цифровой преобразователь для считывания напряжения батареи.

Микроконтроллер требует своего собственного источника питания 5 В и отображает текущее состояние зарядки на двух светодиодах. Наименьший и самый дешевый микроконтроллер, который можно использовать для выполнения функции аналого-цифрового преобразования, и при этом иметь необходимые функции и линии управления, — это PIC16C711.

Это 8-битный высокопроизводительный КМОП-процессор с тактовой частотой 4 МГц, который имеет 4 аналого-цифровых преобразователя, таймер отключения и сторожевой таймер, которые используются в этой схеме для сброса микросхемы в случае возникновения проблем, таких как переходные процессы или падения напряжения. Он поставляется в 18-контактном двойном корпусе. Он имеет массивный 1K слов программной памяти и 68 байт данных.

Конечная схема состоит из мостового выпрямителя и конденсатора, чтобы уменьшить пульсации при полной нагрузке 1,5 А до примерно 1 В. Шина 5 В для PIC разработана с помощью 7805 3-контактного регулятора. Кристаллический и 27 пФ конденсаторы обеспечивают стабильную и точную временную базу 4 МГц для PIC.

Это необходимо для обеспечения точных функций задержки при зарядке. Монолитный конденсатор емкостью 0,1 мкФ обеспечивает развязку. Два светодиода возбуждаются непосредственно от PIC через резисторы ограничения тока 100 Ом. Резистор 3,3 кОм и 1 кОм «делит» напряжение батареи от 0-21,5 В до 0-5 В, что является диапазоном аналого-цифрового преобразователя PIC.

LM317 будет поддерживать напряжение 1,25 В между выводом OUT и ADJ. Я использовал большой резистор 1 Ом, 5 Вт, чтобы обеспечить постоянное напряжение 1,25 А. Вы можете выбрать это значение в соответствии с вашим приложением. Просто используйте закон Ома и разделите напряжение 1,25 В на ток, рекомендуемый для полной зарядки.

Например, 0,68 Ом обеспечат около 1,7 А, а 1,2 Ом обеспечат около 1 А. Диод IN5404 гарантирует, что цепь заряжает батарею, и предотвращает работу батареи в случае случайного отключения входного питания! Если это происходит с полностью заряженной батареей, диод изолирует цепь, и при включении зарядное устройство снова обнаружит пиковый уровень заряда батареи и вернется к непрерывному заряду через несколько минут.

Когда транзистор смещен, он эффективно поднимает контакт ADJ до 0,2 В. Это означает, что выходное напряжение всего устройства составляет около 0,5 В. Транзистор смещен по умолчанию, чтобы гарантировать, что устройство «отказоустойчиво». PIC может отключить транзистор путем замыкания базы на землю, и это позволяет LM317 обеспечивать регулируемый постоянный выходной ток.

Ток возбуждения для PIC, транзисторной базы и транзисторного коллектора составляет порядка 1 мА, что находится в пределах номинального диапазона PIC и транзистора.

Последняя особенность программного обеспечения заключается в том, что при включении питания имеется встроенный тест (BIT), который эффективно проверяет все компоненты, кроме конденсаторов (более 80% компонентов). Во время включения питания, если батарея не обнаружена, выход включается на 1 секунду и проверяется напряжение, а затем выход выключается.

Если напряжение не достигает по крайней мере 10 В при высоком уровне и ниже 2 В при низком, то обнаруживается ошибка. Светодиоды оба включаются одновременно во время этого БИТА. Если есть ошибка, светодиоды поочередно мигают, как при пересечении поезда. Этот режим может быть проверен путем замыкания выхода при включении питания или подключения батареи во время BIT. Режим ошибки также будет активирован, если пик не обнаружен после 3 часов основного заряда.

Сборка зарядного устройства

Схему легко построить за несколько часов, однако необходимо соблюдать осторожность в отношении полярности с некоторыми компонентами, а именно с транзистором, электролитическим конденсатором, ИС и диод.

Если вы сомневаетесь в полярности каких-либо компонентов, проверьте схему, наложение и / или обратитесь к справочнику для выводов контактов. Вывод № 1 PIC находится рядом с разъемом в чипе и обращен к той стороне платы, которая находится дальше всего от светодиодов.

Тестирование / Эксплуатация

Выпрямитель и конденсатор должны выдавать примерно в 1,4 раза больше среднеквадратичного значения переменного тока. Таким образом, при использовании источника питания 16 В переменного тока, основная шина должна быть около 22 В постоянного тока. При использовании 24 В переменного тока, эта шина будет около 30 В постоянного тока. Через LM317, токоизмерительный резистор и выходной диод пропускается минимум 2,5 В. Также убедитесь, что шина 5V регулируется правильно.

Для зарядки аккумуляторов для шуруповертов и других электроинструментов 14,4 В требуется питание 24 В переменного тока, хотя для зарядки чего-либо меньшего требуется только 16 В переменного тока.

Источник переменного тока должен быть рассчитан на выбранный ток питания или выше. Если вы новичок, я рекомендую использовать внешнюю «штепсельную вилку», однако вы можете установить сетевой трансформатор внутри устройства, если вы компетентны выполнять электропроводку, но вам, очевидно, понадобится блок большего размера.

Зарядное устройство для шуруповерта в использовании

Для подключения к аккумулятору я использовал свой существующий комплект зарядного устройства. Я удалил внутреннюю схему, которая была не более чем транзистором и светодиодом, который указывал, что ток подавался. Для силовых соединений стандартные разъемы EIAJ DC Voltage и вилки являются стандартными, причем положительным обычно является центральный контакт.

Целесообразно выбрать размеры контактов, чтобы не использовать адаптер переменного тока от блока питания переменного тока к зарядному устройству, если вы используете эту настройку.

Заключение

Зарядное устройство для шуруповерта является простым в изготовлении, оно заряжает эффективно и безопасно много раз. В результате этого время зарядки сократилось вдвое.

Теперь вы можете просто вытаскивать батарею из шуруповерта и вставлять ее в зарядное устройство, зная, что можете просто взять ее и использовать всякий раз, когда раз когда берете шуруповерт.