Глупое зарядное устройство

Автор: eufs, eufs@email.ua
Опубликовано 20.09.2013
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2013!"

                                                                                 "- если есть умные устройства, значит должны быть и глупые..." (с)

Пришедший в каждый дом технический прогресс привел за собой проблему заряда восполняемых источников электропитания
устройств бытового применения. Эта проблема так или иначе решается либо самим производителем этих устройств,
например как в мобильных телефонах, либо ложится на плечи гордых пользователей, например цифровых фотоаппаратов с NI-MH
батареями, установленные взамен штатных щелочных элементов. Эти аккумуляторные батареи (АКБ) требуют отдельного
зарядного устройства, в роли которого может выступать предлагаемое устройство. Также оно может применятся вместо
заводского штатного ЗУ, потому как от ранее опубликованных или промышленных его выгодно отличают:

- простота схемы, малое количество, цена и доступность применяемых элементов
- дешевый и красивый графический цветной дисплейный модуль
- экономичный ключевой источник зарядного тока
- двухконтурный пропорционально-интегральный регулятор тока
- возможность работы как с LI-ION, так и с NI-MH аккумуляторами
- единственный орган управления в виде одной кнопки
- калибруемые измерители напряжения и тока
- счетчик сообщенной энергии в АКБ в режиме заряда
- счетчик полученной энергии от АКБ в режиме предварительного разряда
- оценочный измеритель внутреннего сопротивления АКБ
- звуковая сигнализация окончания цикла заряда

К недостаткам можно зачислить отдельную процедуру калибровки и настройки уставок и слегка угловатый шрифт, полученный
масштабированием вдвое, стандартного знакогенератора 5х7 точек. Зато индикация занимает всю площадь экрана.Я оставлю за собою право, при необходимости, перейти на ATTiny861, в котором можно все сделать красивее. Но даже в этом виде устройство успешно спрвляестя со своими функциями.

Технические характеристики:                                                                       версия 1.3                        версия 1.4

- максимальный ток заряда (ограниченный измерителем)..............................     655.35 мА ...................     6.5535 А           
- максимальное напряжение заряда (ограниченное измерителем) ...................... 6.5535 В .....................     6.5535 В    
- максимальное количество подсчитываемой энергии АКБ (ограничено счетчиками)...... 6553.5 мА.ч ........     65535 ма.ч
- пределы измерения внутреннего сопротивления АКБ (ограничено измерителем) ........ 0.0 - 6.5535 Ом ...      0.0 - 6.5535 Ом

Программное обеспечение, написанное на языке Ассемблер в AVRSTUDIO 4.18, является переработанным от
"Тестера литий-ионных аккумуляторов" представленной на конкурс осенью 2012года. От прототипа достался похожий принцип
индикации,измерения ЭДС АКБ и расчета внутреннего сопротивления. Немного изменилась схема и примененный дисплей,
потому как надежды на доступность и дешевизну дисплея от Sony Ericsson T230/T290, по всей видимости, не оправдались.
Дисплей от NOkia C1-00 (C1-01,C2-00...) оказался гораздо более доступным дешевым, по причине применения в современных
мобильных телефонах. К тому же этот дисплей обеспечивает более контрастное и яркое изображение, потому как сделан
по технологии TFT, а не STN.

Эта конструкция появилась благодаря многочисленным просьбам пользователей вышеупомянутого "Тестера..." . Нужно отметить, что она его не заменяет, так как имеет немного другое назначение, но с успехом можт вместо него применяться при правильном конфигурировании под литий-ионные батареи. Увеличенный верхний предел измерителя тока позволяет с успехом использовать данное ЗУ для зтестирования более емких аккумуляторов ,чем телефонные.

Ориентировано предлагаемое зарядное устройство, в первую очередь, для неподготовленных пользователей,так как кроме установки аккумуляторов и включения в сеть больше от них ничего не требуется. Но имеющиеся возможности и режимы работы позволяют интересующимся пользователям наблюдать за происходящим
процессом зарядки и измерять основные характеристики батареи. Имеются два комплекта прошивок. Отличаются, в основном, верхним пределом измерителя тока.
 Если не требуется производить заряд большими токами, лучше пользоваться прошивкой 1.3. Она более точно измеряет емкость и внутреннее сопротивление. Благодаря простоте и малым размерам,его можно применять как встраиваемое зарядное устройство в элементы бытовой техники,где нужно,например заменить кислотную батарею на современную литиевую.

Принципиальная схема приведена на рисунке.

Сам источник зарядного тока - ключевой, что позволяет с высоким КПД регулировать ток. Можно применить другую схемотехнику, рассчитанную на бОльшие токи,потому как приведенная схема рассчитывалась на ток до 1А. Дросель намотан на кольце от секции питания процессора материнской платы диаметром 12-15 мм и содержит 50 витков провода 0,44.

Программно реализованный пропорционально-интегральный регулятор имеет наружный контур по напряжению, а внутренний по току. Не особенно вдаваясь в теорию, можно отметить, что выполненый по такому принципу, регулятор обеспечивает должные законы поддержания тока и конечного напряжения во время заряда АКБ, без отключения последней в конце цикла. Это дает возможность поддерживать АКБ в постоянной готовности к использованию в конце цикла заряда. Отсутствие датчика температуры не мешает производить нормальный заряд NI-MH аккумуляторов, потому как остаточный ток заряда в конце цикла не в состоянии как-то существенно разогреть и, как следствие, навредить АКБ. Важно правильно установить уставку конечного напряжения заряда (U_ZAD - напряжение задания)
Она устанавливается при калибровке и может быть скорректирована, если возникнет в этом необходимость. Заряд литий ионных АКБ происходит по стандартному алгоритму, то есть установленным током (I_ZAD - ток задания) до установленного напряжения (U_ZAD), после чего внешний контур регулирования начинает снижать ток, переводя регулятор в стабилизацию напряжения.
Различие метода заряда литиевых и NI-MH батарей заключается в работе внешнего контура регулятора.
В режиме заряда NI-MH стабилизация напряжения происходит по ЭДС АКБ (параметр Е), то есть ток заряда и ограничение
напряжения происходит с учетом влияния на это внутреннего сопротивления АКБ. Таким образом в процессе заряда
стабилизируется ток на уровне уставки по току I_ZAD ,а при достижении ЭДС аккумулятора уставки U_ZAD ток снижается
и это напряжение стабилизируется. Но напряжение на клеммах АКБ под током может превышать уставку U_ZAD на величину
падения напряжения на внутренем сопротивлении. При заряде LI-ION так посупать недопустимо, потому как повышенное
напряжение на АКБ может ей навредить в худшем случае, а в лучшем - произойдет отключение защитным контроллером
внутри АКБ. Поэтому внешний контур в этом режиме стабилизирует не ЭДС, а напряжение на клеммах АКБ (параметр U).
Режим работы (LI/NI-MH) выбирается при программировании уставок.

Зарядное устройство имеет 4 состояния (режима работы):
OFF - off - выключено
DIS - dicharge - разряд
CHR - charge - заряд
END - end - конец

В состоянии OFF ничего не делается. Источник зарядного тока и нагрузочный резистор отключены.

В состоянии DIS (discharge - разряд) происходит разряд АКБ на эквивалент нагрузки в виде резистора.

Измеряется ток в цепи разряда (I) и напряжение на клеммах АКБ (U).
Периодически происходит отключение нагрузки и измерение напряжения холостого хода АКБ,
условно говоря ЭДС (E). Из полученных измерений рассчитывается разница между ЭДС и напряжением на клеммах АКБ - дельта (D),
а также внутреннее сопротивление АКБ (R). Происходит подсчет полученной от аккумулятора энегрии (Q). Это будет продолжаться
до тех пор, пока напряжение ЭДС станет меньше уставки U_LOW, устанавливаемой, как и другие уставки, отдельной процедурой
калибровки. Как только напряжение стало ниже, происходит автоматический переход в режим заряда CHR (charge).
Измеренное и вычисленное (последний раз) внутреннее сопротивление остается на дисплее.

B состоянии CHR (charge - заряд) происходит заряд АКБ посредством ключевого источника, управляемого каналом ШИМ контроллера
от программного двухконтурного регулятора тока. Так как быстродействие не требуется, постоянные времени контуров
регулирования выбраны достаточно большими (десятки секунд), чтобы исключить необходимую их подстройку и колебания в системе.
В режиме заряда также измеряется ток (I) в цепи заряда, напряжение на клеммак АКБ (U). Периодически происходят отключения
тока заряда и измерение напряжения холостого хода - ЭДС АКБ (Е). Также вычисляется дельта (D), которая носит чисто
информативный характер о состоянии АКБ и в дальнейших рачсетах не используется. Происходит подчсет сообщенной АКБ
энергии (W). Заряд происходит установленным током (I_ZAD - ток задания) до установленного напряжения
(U_ZAD - напряжение задания). Если напряжение на АКБ уже достигло установленного в уставке, то начинает работать внешний
контур регулятора и ток ограничивается на уровне стабилизации напряжения. При снижении тока до величины, установленной
в уставке (I_LOW - минимальный ток), происходит срабатывания программного узла сигнализации
и переход устройства в режим END. Звуковая сигнализация длится около 30 сек.

Звездочка в углу экрана во время заряда свидетельствует о том что регулятор обеспечивает ток, какой был задан уставкой. Так как контур регулятора имеет относительно большую постоянную времени,это происходит не сразу привключении. Именно поэтому, пока регулятор не вышел назаданный ток,не контроллируется условия завершения заряда в течении небольшого времени,спосле включения питания. В это время индиктор режима работы имеет обычный вид,а когда включится контроль - надпись будет инверсной, как на картинках. 

В состоянии END (конец цикла) - происходят действия, аналогичные режиму заряда. Он служит лишь для индикации окончания
цикла заряда. Но источник зарядного тока и программный регулятор продолжают свою работу. Напряжение на АКБ окончательно
стабилизируется и ток снижается, теоретически до нуля, а практически - до тока саморазряда АКБ плюс утечки в цепях измерения.
В этом состоянии ЗУ и АКБ может находится сколько угодно.

Для удобства пользования, зарядное устройство после включения питания производит контроль ЭДС на выходе
с целью контроля верной полярности и контакта с АКБ, после чего автоматически переходит в режим CHR (charge - заряд).
Если контроль ЭДС по каким -либо причинам (например глубокого разряда АКБ) не проходит, можно его пропустить,
однократно нажав на кнопку. В процессе работы, этой же кнопкой можно переключать режимы по кольцу.
CHR -> OFF -> DIS -> CHR -> OFF ...
То есть, если надо включить ЗУ начиная с цикла разряда, после подключения АКБ, включения ЗУ и автоматического
включения заряда нужно дважды нажать на кнопку, включив нужный режим DIS (разряд).

Как уже отмечалось, для ввода уставок и коэффициентов измерителей тока и напряжения служит отдельная процедура калибровки.
Это отдельная прошивка, позволяющая правильно установить нужные значения и разместить их в энергонезависимой памяти
микроконтроллера. Это обеспечивает правильную работу основной программы зарядного устройства.
Калибровочные коэффициенты измерителей - служат для пересчета полученного от АЦП кода в фактическую величину
напряжения и тока. Они являются уникальными для каждого экземпляра конструкции, так как связаны с коэффициентом
преобразования в измерительной цепи. Устанавливаются эти коэффициенты подачей заведомо точных значений,
измерянных внешним точным прибором и запуске калибровочной процедуры замыканием вывода 17 МК на землю.
При этом считывается код из АЦП, выполнаются арифметические действия и готовый коэффициент размещается
в энергонезависимой памяти. С этого момента и сама программа начинает его использовать для остальных процедур калибровки.
Таким образом, в первую очередь, надо установить правильные коэффициенты измерителей, а далее,
уже ориентируясь на их показания, можно записать остальные уставки.

Всего процедура калибровки позволяет откорректировать или записать заново 7 уставок:
K_I - коэффициент измерителя тока
I_ZAD - ток задания (ток заряда) контура по току
I_LOW - ток срабатывания узла сигнализации (в конце заряда)
K_U - коэффициент измерителя напряжения
U_ZAD - напряжение задания (конечное напряжение заряда) контура по напряжению
U_LOW - нижнее напряжение АКБ для цикла разряда
MODE - режим работы контура по напряжению LI или NI-MH

Здесь требуется подключить внешний источник тока к токоизмерительному шунту через токоограничительный резистор и образцовый прибор. Установить ток в цепи рекомендованый надписью,а именно - 500мА для версии 1.3 и 2.0А для версии 1.4. Затем замкнуть ножку 17 контроллера на короткое время на землю. Произойдет пересчет коэффициента и запись его в энергонезависимую память. Далее жмем на кнопку и попадаем во второй экран калибровки.

Здесь предлагается установить номинальный ток заряда. Не разбирая уже существующую схему, устанавливаем нужный ток,ориентируясь на показания дисплея или образцовый прибор. Установив,замыкаем на короткое время пин 17 на землю. Жмем кнопку.

В третьем экране калибровки надо установить ток прекращения зарядки,точнее сигнализации ее завершения. Устанавливаем,записываем (ножкой 17),жмем кнопку.

Тут надо разобрать схему калибровки по току и подключить внешний источник на выходные клеммы устройства.По образцовому прибору устанавливаем 4.0В,замыкам на короткое время пин 17 на землю. Жмем кнопку.

На этом этапе надо установить напряжение, до которого будет заряжаться аккумулятор. Устанавливаем уже по показаниям дисплея (или образцового вольтметра),записываем ножкой 17,жмем кнопку.

здесь устанавливаем напряжение,до которого будет разряжаться аккумулятор в режиме разряда. Как и прежде,устанавливаем,записываем,жмем кнопку.

Здесь выбираем тип аккумулятора, для которого все это делается. Переключается тип ножкой 17. Сразу и запоминается. Жмем кнопку и попадаем в иформационный экран, где собрано что же мы накалибровали.

Калибровка завершена,можно шить рабочуу прошивку. Не забываете о фузе eesave. Он должен обязательно запрограммирован (eesave=0). Иначе при перепрошивке на рабочуу программу все калибровки сотрутся. Второй фуз, который надо изменить - cksel=4 (8 МГЦ).

Следует отметить, что уставки выбираются с учетом типа заряжаемой батареи и количества ее элементов.

Для LI-ION батарей рекомендую следующие уставки:
I_ZAD: 0.5C - половина емкости АКБ, то есть для 800ма.ч - 400мА
I_LOW: 1/10 установленного тока заряда, то есть для 800ма.ч - 40мА
U_ZAD: 4.19 V
U_LOW: 3.4 V
MODE:LI

Для NI-MH батарей рекомендую следующие уставки:
I_ZAD: 0.2 C - пятая часть от емкости батареи, то есть для 2000ма.ч - 400мА
I_LOW: 1/4 установленного тока заряда, то есть для 2000мА.ч - 100мА
U_ZAD: 1.5-1.55 на каждый элемент батареи. То есть для двух, последовательно включенных - 3 V
если батарея новая и 3.05...3.1 для б/у.
U_LoW: 1.1 V на каждый элемент батареи, для двух элементов - 2.2 V
MODE:MH

Если есть необходимость, можно создавать несколько калибровок, считав EEPROM MK и записав их в виде файлов. Для установки
записанных калибровок необходимо будет прошить МК соответствующим файлом.

Примечание. Плата,что на фото,содержит доработки, которые учтены в выкладываемых файлах.

Предлагаемая плата индикатора предусматривает установку стабилизатора на 2,5-3,3В и преобразователя подсветки LT1937. Но тот дисплей,что у меня в руках этого не требовал...:).

Еще пару слов. Благодарю участников темы по "Тестеру...",а персонально:

Александр Чуреков,tobiko1,slava5555555 и остальных,кого не впомнил, за содействие в проекте устройства.

Кота с Днем Ржденья, а остальным -  удачи в зарядке аккумуляторов и не только...

В форуме отвечу на любые вопросы, касательно конструкции.

Файлы:
калибровка 1.3
калибровка 1.4
прошивка 1.3
прошивка 1.4
плата индикатора
основная плата

Все вопросы в Форум.