Простое зарядное устройство для Ni-Zn аккумуляторов

Автор: ejsanyo
Опубликовано 24.05.2023
Создано при помощи КотоРед.

Для никель...каких аккумуляторов?!

Возможно, зададитесь вы таким вопросом, прочитав заголовок. Да, есть и такая технология аккумуляторной химии, во многом близкая, но не идентичная всем знакомым никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам. При том, что изобретение ведёт историю ещё со времён Томаса Эдисона, потребительские изделия на его основе начали появляться в продаже не так уж давно, лет этак 15...20 назад. О его непростой судьбе и ещё некоторые подробности можно прочитать, например, в Википедии.

Данная технология, имея ряд интересных преимуществ, была весьма перспективной и во временя повсеместного использования гальванических элементов могла бы завоевать всеобщую популярность, но, к сожалению, сильно опоздала с выходом в массы. Причиной тому, скорее всего, стал первоначально низкий ресурс циклов заряд-разряд. К тому времени, как разработчикам удалось довести его до приемлимого уровня, производители аппаратуры в основном уже адаптировали свою продукцию под использование Ni-Mh батарей, а спустя некоторое время рынок полностью захватил Li-ion во всех своих проявлениях. Тем не менее, и в наше время аккумуляторы Ni-Zn в формате обычных "пальчиковых" AA и AAA элементов по прежнему доступны от разных производителей и продаются в крупных специализированных магазинах и интернет-площадках.

Это всё, конечно, интересно. Но зачем оно нужно сегодня?

Пожалуй, главное достоинство, благодаря которому Ni-Zn батареи могут оказаться полезными, это их номинальное напряжение ЭДС, которое гораздо ближе к выдаваемому классическими щелочными (да и солевыми тоже) гальваническими элементами, чем у более привычных Ni-Mh (1,6 В против 1,2 В). Время от времени попадаются такие "капризные" устройства, которым уровня напряжения никель-металлгидридных элементов недостаточно, либо оно близко к их порогу отключения. В результате такие устройства могут отрабатывать не полную ёмкость аккумуляторов, работать нестабильно, либо не запускаться вообще. Использование Ni-Zn батарей с повышенным выходным напряжением позволяет решить эту проблему и перевести их на аккумуляторное питание. Мой собственный пример таких изделий: фото-"мыльница" Kodak Z885, зубная щётка Oral-B Pro-expert DB4.010 и китайский FM-приёмник неизвестной модели.

Вот для этого китайского приёмника, вернее, для его аккумуляторов типоразмера AAA мы и попробуем сделать зарядное устройство.

А в чём смысл "изобретать велосипеды"? Может, просто взять и купить готовое зарядное устройство?

Умеренная популярность технологии сказалась не только на распространённости аккумуляторов, но и зарядных устройств к ним. Они встречаются в продаже гораздо реже, чем для обычных Ni-Mh батарей, пожалуй, даже реже, чем сами аккумуляторы. При том, чаще всего это "профессиональные" и "мультисистемные" (для аккумуляторов с разным химсоставом) устройства, рассчитанные на одновременную зарядку большого количества батарей. Цена у таких изделий тоже соответствующая.

Попадаются, впрочем, и более дешёвые варианты, но их качество реализации вызывает много сомнений.

Хорошо, сделаем самостоятельно. Но как их заряжать?

На эту тему в Интернете информации не очень много. Все источники утверждают, что зарядное устройство должно реализовывать алгоритм заряда постоянным током, а затем, по достижении определённого порога, постоянным напряжением (так называемый "режим CC-CV"). Так что в этом смысле никель-цинковые аккумуляторы скорее ближе к Li-ion, чем к Ni-Mh. Но, по крайней мере, уровень перехода на стабилизацию напряжения отличается. В частности, английская версия Википедии утверждает, что типичное его значение составляет 1,85В, и что "в известных зарядных устройствах он составляет 1,9В на элемент". Там же приводится "уровень отсечки" зарядного тока (т.е. такой уровень, который можно считать окончанием заряда) равный 1/40 от ёмкости в ампер-часах...да, есть такой забавный момент, что производители для никель-цинка любят на этикетке указывать ёмкость в милливатт-часах! Видимо, потому, что так цифры выглядят ощутимо больше, чем в привычных миллиампер-часах. Впрочем, отчасти этот подход оправдан, поскольку напряжение всё-таки выше.

В доступной документации приводятся похожие сведения, например, на аккумуляторы от Robiton или от Ansmann.

Схемы зарядных устройств тоже изредка, но встречаются в Интернете. Вот, в частности, одна из немногих реализаций в Рунете. В целом, схема сделана несложно, грамотно и правильно. Однако не покидает мысль...а нельзя ли как-нибудь ещё проще? Понятно, что специализированных чипов, как это случилось с Li-ion, мы, скорее всего, не увидим в продаже. Но не хотелось бы много возиться с зарядкой небольшого аккумулятора ёмкостью 900 мВтч (а при пересчёте в ток это всего-то 550 мАч)...что-ж попробуем.

Схема зарядного устройства.

И, собственно, вот что получилось в итоге.

Устройство запитывается от USB шины компьютера или любого другого источника 5В и допустимым током нагрузки более 100 мА. Чтобы зарядить два аккумулятора используются два идентичных канала. Практика эксплуатации Ni-Zn аккумуляторов (да и Ni-Mh тоже), что элементы даже из одной пачки имеют заметный разброс по ёмкости, который в процессе эксплуатации только усиливается. И чтобы зарядить два-три элемента, которые в любом случае придётся извлекать из устройства, гораздо проще сделать независимые каналы, чем пытаться изобретать схему балансировки и заряжать их от одного источника.

Рассмотрим работу одного из каналов:

DA3 представляет собой одну из модернизированных версий мегапопулярного стабилизатора TL431. С более низким напряжением встроенного ИОН 1,24В, но при этом, в отличие от большинства аналогичных компонентов, имеет относительно большой рабочий ток "катода", до 60 мА. Поэтому при заказе чипов проследите, что название начинается именно с TLVH431! На нём реализован ограничитель напряжения для режима CV, при указанных номиналах резисторов уровень ограничения составляет 1,86В, что, скорее всего, достаточно близко к параметрам аккумуляторов. По достижении указанного порога стабилизатор начинает открываться и забирать часть тока заряда на себя. При пропадании тока заряда напряжение элемента сразу же падает до 1,7 с чем-то вольт, поэтому если резко отключить устройство от первичного питания, TLVH431 сразу закрывается, и разрядки аккумуляторов через него практически не происходит: измеренный ток утечки через него и делитель составил порядка 200 мкА.

На DA1 реализован типовой стабилизатор тока для режима CC. Его ток стабилизации определяется как 1,24 / R2 и в данном случае составляет порядка 52 мА. Намного увеличивать это значение не рекомендуется из-за ограниченных возможностей DA3. Напротив, если уменьшить ток, скажем, до 15...20 мА (хотя это нерационально с точки зрения времени заряда), в качестве DA3 будет возможно использовать более широкую номенклатуру чипов, таких как LMV431, TS431 или даже NCP100.

Номиналы емкостей конденсаторов схемы некритичны.

В качестве недостатка данного зарядного устройства можно отметить низкую энергоэффективность: потребляемый им ток всегда одинаковый и не зависит от степени заряженности аккумуляторов.

Более существенным недостатком является отсутствие какой-либо индикации степени заряда аккумуляторов: светодиод, вынесенный в авторской конструкции на разъём, просто отображает наличие питания. Не видел однозначной информации, насколько критично для Ni-Zn отсутствие автоматического отключения по завершению заряда, но возможностей описанного устройства оказалось достаточно, чтобы аккумуляторы успевали зарядиться с вечера до утра следующего рабочего дня (по времени это выходит примерно 14 часов).

Устройство собрано на небольшой плате и соединяется с батарейной колодкой через разъём. Проект платы в среде Altium Designer 10 прилагается к статье.

Обсуждение статьи на форуме: https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=25&t=188478

Файлы:
Файлы проекта

Все вопросы в Форум.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Зарядное устройство для герметичных свинцовых (гелевых) аккумуляторов

Как сделать зарядное устройство для 12В свинцово-кислотных аккумуляторов из компьютерного БП ATX.

Зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов на Atmega 8.

ЗУ-Приставка + Лаб.БП на МК версий 9_2 и 11

Зарядное устройство для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов на микроконтроллере.

БП для автолюбителя из компьютерного БП powerman iw-p300a2-0

Зарядка литий-йонных аккумуляторов с выбором тока и индикацией

Зарядное устройство автомобильных аккумуляторов с симисторным управлением

Тестер литиевых аккумуляторов

МФУ для стола радиолюбителя