Opis ładowarki dla akumulatorków NiCd i NiMH
  Na początek bardzo odkrywcze stwierdzenie - stosowanie akumulatorków pociąga za sobą potrzebę posiadania urządzenia do ich ładowania.
Wiele osób kupuje tanie ładowarki, których jedyną zaletą jest niska cena. Nie mają układów wykrywających stan pełnego naładowania. W najlepszym przypadku są wyposażone w układ czasowy wyłączający prąd ładowania po upływie określonego czasu. W bardziej prymitywnych rozwiązaniach prąd jest ograniczony do prądu około dziesięciogodzinnego i jest dołączona tabelka ile godzin należy ładować ogniwa o danej pojemności. W rezultacie akumulatorki są niedoładowane bądź, co gorsza, przeładowane co wydatnie skraca ich żywotność.
Inną słabością tych urządzeń jest mały prąd, co powoduje konieczność ładowania przez wiele godzin. W przypadku gdy nam się spieszy kupujemy po prostu ogniwa alkaliczne, a to stawia pod znakiem zapytania sens wydawania pieniędzy na akumulatorki i ładowarkę.
Ładowarki szybkie nie tylko z nazwy na opakowaniu, oraz wyposażone w dobre układy detekcji naładowania i zabezpieczenia przed przeładowaniem, kosztują kilka razy drożej niż te na Allegro.

Kilka słów o akumulatorach NiMH i NiCd.

Dalej będzie krótkie wprowadzenie w oparciu o materiały do których odnośniki podaję poniżej.
Warto się z nimi zapoznać ze względu na dużą ilość zrozumiałych wykresów i informacji z pierwszej ręki.

Odnośniki do materiałów o akumulatorach

http://www.powerstream.com/NiMH.htm - Strona dystrybutora ładowarek i baterii. Krótki opis rodzajów ładowania i opis działania zaawansowanej ładowarki
NiMH , Charge Methods - Materiał w formacie pdf firmy Panasonic o ładowaniu akumulatorów NiMH
http://www.panasonic.com/industrial/battery/oem/chem/niccad/index.html -  Również Panasonic. Dużo informacji o akumulatorach NiCd.
http://www.vencon.com/index.php?page=support_art2 - Trochę informacji o metodach ładowania
http://www.imaging-resource.com/ACCS/BATTS/BATTS.HTM - Między innymi test porównawczy różnych akumulatorków.
http://www.rahq.com/chrginfo.htm - Strona producenta ładowarek  "burp". Opis metody ładowania. Wyniki testów przeprowadzonych przez NASA.
http://www.sensorsmag.com/articles/0402/14/main.shtml - Artykuł o ładowaniu metodą "burp". Dużo wykresów.
http://www.jaycar.com.au/images_uploaded/nicads.pdf - Artykuł o użytkowaniu i ładowaniu NiCd. Metoda "burp" i stwierdzenie naładowania przez detekcję punktu przegięcia (">Inflection Point Cut Off").
http://gcs-goerig.dyndns.org:82/elektron/NASA-II.PDF - Całkiem naukowa analiza metod ładowania.
http://www.st.com/stonline/products/literature/an/8327.htm - Przykład ładowarki z "Inflection Point Cut Off".
http://www.st.com/stonline/products/literature/an/2074.htm - Ładowarka oparta na ST6
http://www.st.com/stonline/products/literature/an/4391.htm - Szybka ładowarka na ST6
http://www.batteryuniversity.com/ - Dużo wiedzy o akumulatorach i metodach ładowania
http://www.duracell.com/oem/rechargeable/Nickel/nickel_metal_tech.asp - Nazwa firmy mówi za siebie. Prosto podane informacje i zalecenia odnośnie ładowania i rozładowywania. Dużo czytelnych wykresów.
energizer_NICKEL-METAL HYDRIDE Application Manual - Równie znana firma. 36 stron bardzo przydatnych informacji w pdf.

Parametry akumulatorów

    Przykład informacji o ogniwach publikowanych przez czołowych producentów.
Dane dla ogniw NiMH firmy Kodak.

Pojemność akumulatora

        Pojemność akumulatora jest to ilość energii, którą można odzyskać z całkowicie naładowanego ogniwa.
Pojemność jest wyrażana w  "Ah"  (amperogodzinach) lub, w przypadku ogniw o małych pojemnościach, w "mAh" (miliamperogodzinach). 1000mAh jest ekwiwalentem 1Ah. Często spotyka się symbol "C" stosowany jako jednostka względna. Oznacza on pojemność znamionową danego ogniwa czyli dla akumulatorka 1500mAh C jest równe 1500mAh, a dla akumulatorka 2500mAh C=2500mAh itd.
Pojemność jest określana przy rozładowaniu prądem pięciogodzinnym. Wartość tego prądu otrzymujemy dzieląc pojemność ogniwa przez czas. W tym przypadku 5 godzin. Dla ogniwa 2500mAh prąd pięciogodzinny jest równy C/5h czyli 500mA.
Renomowani producenci podają warunki dla których jest określana pojemność ogniwa. W przypadku firmy Sanyo pojemność ogniwa jest mierzona przy zachowaniu następujących warunków:
Należy zwrócić uwagę na to, że definicja jest podana dla uformowanego ogniwa. Formowanie to kilka, kilkanaście cykli ładowania i rozładowania. Wtedy ogniwo uzyskuje pojemność znamionową. Dla markowych produktów kilka (5-7) cykli jest wystarczające.
Rozładowywanie większym prądem niż C/5 zmniejsza pojemność ogniwa. Jeszcze nie nastąpiło pełne rozładowanie, a już napięcie spadło do 1V . Częste rozładowywanie bardzo dużym prądem powoduje zmniejszenie żywotności ogniw. Rozładowywanie naprawdę dużym prądem powoduje szybkie nagrzanie ogniwa i wyciek substancji aktywnych, a w rezultacie utratę pojemności podobnie jak w przypadku przeładowania.
Z reguły ogniwa NiCd można obciążać dużo większym prądem niż NiMH. Jest to powodem ich popularności wśród modelarzy oraz szerokiego stosowania w elektronarzędziach akumulatorowych.

Napięcie znamionowe

     Napięcie na biegunach ogniwa obciążonego początkowo bardzo szybko spada, a następnie nachylenie krzywej zmniejsza się i następuje długi odcinek opadający prawie liniowo. Napięcie znamionowe definiuje sie jako wartość średnią napięcia na tej części charakterystyki. Ilustruje to poniższy wykres.

Rozładowanie Forever 1 Ohm
Zwykle podaje się dla NiCd i NiMH napięcie 1,2V, chociaż niektórzy producenci podają 1,25V.

Napięcie końcowe rozładowania

    Jest to napięcie do którego można rozładować akumulator bez szkody dla niego. Przyjmuje się 1,0V lub 0,9V. Dopuszczalne napięcie rozładowania w przypadku akumulatorków połączonych szeregowo jest z reguły wyższe niż 0,9V na ogniwo. W przypadku pakietów 7,2V należy przyjąć 1,0V na ogniwo.

Krzywa ładowania

    Na poniższym wykresie czerwoną linią jest pokazany przybliżony przebieg napięcia w funkcji czasu na zaciskach akumulatora ładowanego prądem stałym. Linia zielona pokazuje prędkość zmian tego napięcia.
Wykres ma charakter czysto poglądowy.
 Początkowo napięcie na ogniwie wzrasta bardzo szybko (odcinek A-B), a następnie przechodzi w odcinek o małym nachyleniu (B-A) gdzie napięcie narasta prawie liniowo w funkcji czasu. Potem, od punktu C, zaczyna wzrastać coraz szybciej, następnie w punkcie D prędkość narastania osiąga wartość maksymalną  i następuje spowolnienie wzrostu napięcia (odcinek D-E). W punkcie E napięcie na ładowanym ogniwie osiąga wartość maksymalną. Potem napięcie zaczyna powoli spadać. Proces spadku napięcia poza punktem E jest bardziej widoczny w przypadku ogniw NiCd niż NiMH.
Krzywa ładowania

Metody ładowania

Ładowanie metodą "burp"

    Burp po angielsku oznacza bekanie (jak w największym hicie Rolling-Stones "Antek beknął z satysfakcją..."), odbijanie, ulewanie się pokarmu niemowlęciu.
Słowo to, zwłaszcza w drugim znaczeniu, dosyć dobrze obrazuje jedną z metod ładowania akumulatorów, często używaną w najbardziej zaawansowanych ładowarkach i zaakceptowaną przez armię amerykańską i NASA.
Poniższy wykres pokazuje ten sposób ładowania
Burp
Jeden cykl składa się z czterech części:
Po tym następuje kolejny taki cykl itd.
Według niektórych źródeł ten sposób ładowania przynosi znaczne zwiększenie żywotności ogniw, a nawet powoduje częściową regenerację zużytych ogniw o ile były one wcześniej ładowane innymi metodami. Dokładniejszą analizę tego mechanizmu ładowania można znaleźć w pracy http://gcs-goerig.dyndns.org:82/elektron/NASA-II.PDF.

Metody stwierdzenia naładowania i zabezpieczenia przed przeładowaniem

Dodatkowe zabezpieczenia przed uszkodzeniem ogniwa.

Detekcja punktu przegięcia krzywej ładowania (Inflection Point Cut-Off)

    Pełne naładowanie akumulatora następuje zanim napięcie na jego zaciskach osiągnie wartość maksymalną, czyli przed punktem E na wykresie krzywej ładowania. 
Dokładniej następuje to między punktem  przegięcia krzywej ładowania (punkt D), a punktem w którym napięcie osiąga wartość maksymalną  (punkt E). W punkcie przegięcia napięcie na ogniwie narasta z największą prędkością. Prędkość zmian napięcia pokazuje linia zielona.
Metody wykrywające spadek napięcia na naładowanym ogniwie (NiCd) lub wartość maksymalną napięcia działają trochę za późno, gdy ogniwo jest już przeładowane. Dokładniejsze są mierzące prędkość narastania temperatury ładowanego ogniwa pozwalające na przerwanie ładowania w momencie uzyskania pełnego naładowania.
Chyba jednak najłatwiejsze do zastosowania jest kontrolowanie prędkości narastania napięcia na ładowanym ogniwie. Zwiększenie i następujące po nim zmniejszenie tej prędkości świadczy o przekroczeniu punktu przegięcia i jest sygnałem do przerwania ładowania.
Aby ta metoda działała prawidłowo, trzeba ładować ogniwa prądem o stałej wartości, ponieważ wahania prądu wpływają na napięcie na ogniwie i mogą spowodować przedwczesne zakończenie ładowania. Ponadto prąd ładujący powinien mieć stosunkowo dużą wartość gdyż wtedy zmiany napięcia w funkcji czasu są łatwo wykrywalne. Dlatego ten sposób jest stosowany w szybkich i bardzo szybkich ładowarkach.
Trzeba również mieć na uwadze, że zaraz po rozpoczęciu ładowania napięcie na ogniwie gwałtownie rośnie (odcinek A-B na wykresie krzywej ładowania), a następnie prędkość wzrostu napięcia maleje. Układ sterowania ładowarki powinien uwzględniać to zjawisko i nie reagować na nie.

Moja ładowarka

Nie nadaje się do akumulatorów litowych!!!
Nie można ładować ogniw jednorazowych!!!
Jeden z zarejestrowanych przebiegów ładowania
Ladowanie 2x Forever 2500 mAh

Założenia

Postanowiłem wykonać ładowarkę spełniającą następujące warunki:
  1. Zasilanie z gniazda zapalniczki samochodowej, zasilacza komputerowego lub chińskiego halogena biurkowego.
  2. Ładowanie dwóch ogniw jednocześnie.
  3. Możliwość ładowania większej ilości akumulatorków.
  4. Wybór jednej z trzech pojemności akumulatorków (od tego zależy prąd ładowania). Używam obecnie nowych GP 2100mAh i Forever 2500mAh oraz dogorywających Varta 1400mAh.
  5. Czas ładowania dwie godziny lub mniejszy.
  6. W przypadku niepełnego rozładowania akumulatorków, automatyczne rozładowanie do określonego napięcia przed rozpoczęciem ładowania. Nie jest to pełne rozładowanie ogniwa!
  7. Ładowanie metodą "burp".
  8. Zakończenie ładowania po przekroczeniu punktu przegięcia krzywej ładowania ("Inflection Point Cut Off").
  9. Kontrola napięcia i temperatury ogniw oraz prądu  ładowania.
  10. Sygnalizacja stanu ładowarki diodami LED.
  11. Wykorzystanie mikrokontrolera ATmega8 do sterowania i pomiarów.
  12. Możliwość podłączenia do portu szeregowego komputera w celu przesłania danych z procesu ładowania.
  13. Ładowarka będzie użytkowana w temperaturze pokojowej

Opis

    Podstawą jest mikrokontroler ATmega8 pracujący z kwarcem 16MHz.
Wytwarza on przebieg PWM sterujący tranzystorem kluczującym Q4 przetwornicy "step-down" co umożliwia regulację prądu ładowania. Prąd jest określany poprzez pomiar napięcia na rezystorze R16.
Ładowarka jest wyposażona w dwa przyciski sterujące, selekcji pojemności i rozpoczęcia ładowania, oraz cztery diody LED sygnalizujące stan ładowarki.
Sygnalizowane stany:
  1. Włączenie do napięcia
  2. Wybrana pojemność akumulatorów
  3. Zbyt niskie napięcie ogniw (poniżej 0,8V na ogniwo)
  4. Rozładowywanie
  5. Ładowanie
  6. Zakończenie ładowania
  7. Przerwanie ładowania przez zbyt wysoką temperaturę ogniw
  8. Przerwanie ładowania z powodu zbyt wysokiego napięcia na akumulatorach
Po włączeniu do napięcia świeci dioda D8 oraz dioda D5 odpowiadająca pojemności 1400mAh. Jeśli ładowane akumulatorki mają inną pojemność dokonujemy wyboru naciskając przycisk SW1, tak aby świeciła się dioda odpowiadająca pojemności ładowanych ogniw.
Po wybraniu pojemności należy nacisnąć przycisk SW2. Wówczas ładowarka zaczyna działanie od sprawdzenia temperatury ogniw i ich napięcia.
W niżej wymienionych przypadkach nie będzie rozpoczęte ładowanie i diody LED będą sygnalizować alarm.
W przypadku gdy napięcie jest wyższe niż 1,28V na ogniwo, akumulatorki są rozładowywane dopóki napięcie nie spadnie poniżej tej wartości.
 Jeżeli wstępne pomiary dały pozytywny wynik rozpoczyna się ładowanie.
Początkowo prąd ładowania liniowo narasta do wartości zależnej od pojemności ogniwa.
Co sekundę jest kontrolowane napięcie na ogniwach. Wynik jest uśredniany.  

Schemat i płytka drukowana

    Obecnie jest dostępny schemat przetestowanej (przeszło 100 monitorowanych ładowań akumulatorków o różnych pojemnościach) wersji dla 2 ogniw. Projekt został wykonany w świetnym, w pełni darmowym, programie KiCad pracującym zarówno pod Linuksem jak i pod Windows.
Schemat w formacie PostScript jest tutaj, a w pdf jest tutaj.
Widoki płytki w PostScript tutaj i w pdf tutaj.
Spakowane pliki programu KiCad są tutaj.
Moje biblioteki do KiCad tutaj.
Wizja płytki. Program Kicad



Zdjęcie płytki.


    W testach jest wersja umożliwiająca szybkie ładowanie większej liczby ogniw NiMH lub NiCd, co może być przydatne dla modelarzy lub osób budujących prądożerne roboty. Osnowa jest taka sama, różnica jest w szczegółach.

Spis elementów

Spis elementów jest tutaj.

Program sterujący

    Aktualnie dostępny jest tylko plik HEX dla wersji pierwszej.
Plik jest tutaj. Kliknij prawym klawiszem.
Źródła w C zamieszczę po uzupełnieniu komentarzy.

Uruchomienie ładowarki.  

Wersja 1 dla dwu ogniw

    Do uruchomienia tego cudu zaawansowanej technologii niezbędny jest w miarę dokładny miernik cyfrowy. Ja używam Metex M-3850D, ale próbowałem również z żółto pomarańczowym miernikiem firmy "Topex", renomowanego producenta wiader ocynkowanych i stacji kosmicznych. Ponadto potrzebne jest dosyć stabilne, regulowane źródło napięcia. Do wykonania takowego wystarczy LM317, kondensatory, kilka oporników i potencjometr wieloobrotowy oraz zasilacz wtyczkowy o napięciu 6V lub lepiej 7-12 V albo napięcie 12V z zasilacza komputerowego. 
Jeżeli nie wiesz jak zrobić takie źródło, to poniżej jest przykładowy schemat. Układ można połączyć "na pająka".

Montaż i regulacja

    Dławik do regulatora step-down możemy kupić np. w firmie Feryster lub nawinąć własnoręcznie.
Ja wykorzystałem rdzeń dławika wyjściowego z zasilacza ATX. Należy odwinąć oryginalne uzwojenia i nawinąć 40 do 44 zwojów drutem nawojowym w emalii o średnicy 0,8mm. Jak wygląda po nawinięciu widać na  zdjęciu.
Zrobiłem również ładowarkę z dławikiem na rdzeniu kubkowym M26 z materiału F1001 o Al=630. Wówczas należy nawinąć 12-14 zwojów DNE0,8.
    W pierwszym rzędzie wykonujemy zwory od strony elementów, z wyjątkiem łączącej wspólny punkt oporników R5 i R9 (na widoku od strony elementów jest zaznaczona grubszą linią i napisem ZWORKA) oraz podłączeń do czujnika temperatury ogniw. Następnie montujemy gniazdo zasilania, podstawki pod układy scalone i wszystkie elementy bierne poza kondensatorami elektrolitycznymi - podłączone odwrotnie lubią zrobić "Bum!!!!". Najwygodniej jest rozpocząć od najniższych elementów.
Nie wstawiamy jeszcze półprzewodników.
  1. Teraz można wlutować stabilizator U1.
  2. Wkładamy bezpiecznik 100mA i podłączamy napięcie  od 9 do 12V do gniazda zasilania P1 (uwaga na prawidłową polaryzację)  i sprawdzamy napięcie na wyjściu stabilizatora. Powinno być między 4,75V a 5,25. Następnie napięcie między  nóżkami 8 i 22 (GND), a 7(Vcc) i 20(AVcc) podstawki kontrolera, powinno być takie samo jak na wyjściu zasilacza.
  3. Sprawdzamy czy na gniazdkach podstawki kontrolera nie występuje napięcie poza nóżkami 7(Vcc) i 20(AVcc).
  4. Tak samo sprawdzamy na podstawce wzmacniacza operacyjnego czy między nóżkami 4 i 8 jest 5V. Na pozostałych nie powinno być napięcia.
  5. Jeśli jest OK wstawiamy kondensatory elektrolityczne (pamiętaj o właściwej polaryzacji).
  6. Teraz wlutowujemy źródło napięcia odniesienia D4 (TL431).
  7. Podłączamy zasilanie
  8. Potencjometrem RV1 ustawiamy jak najdokładniej 2,750V na katodzie TL431, która jest połączona z nóżką 21 (AREF) kontrolera.
  9. Do punktu wspólnego rezystorów R5, R9 podłączamy wspomniane wcześniej regulowane źródło napięcia.
  10. Ustawiamy napięcie z tego źródła na 3,100V
  11. Potencjometrem RV2 ustawiamy jak najdokładniej 2,750V na wyprowadzeniu 24 podstawki kontrolera.
  12. Wkładamy wzmacniacz operacyjny TLC272 w podstawkę.
  13. Napięcie ze źródła ustawiamy na wartość poniżej 2,75V, Napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego powinno być zero lub bardzo bliskie zeru.
  14. Zwiększamy napięcie źródła powyżej 2,75V. Napięcie na wyjściu wzmacniacz powinno szybko wzrastać. Wzmacniacz wzmacnia około osiem razy różnicę między napięciem w punkcie TEST (miejsce przyłączenia naszego źródła napięcia), a napięciem 2,75V ze źródła napięcia odniesienia D4.
  15. Montujemy diody LED.
  16. Wlutowujemy i podłączamy trzema przewodami czujnik temperatury. Ja to zrobiłem od strony druku.
  17. Teraz wstawiamy procesor
    1. Podłączamy kabel do programowania i ustawiamy fusebity kontrolera do pracy z oscylatorem kwarcowym powyżej 8MHz. Bądź ostrożny! Jeśli nie robiłeś tego wcześniej przeczytaj najpierw  ATmega - fusebity. Ustawienie bitów sterujących oscylatora
    2.  Odpalamy "PonyProg" i zapisujemy plik "Lad_1.hex" do kontrolera.
    3. Inne sposoby załadowania programu opiszę niedługo.
  18. Możemy sprawdzić działanie programu. 
    1. Włączamy układ. Świeci czerwona dioda D8 i dioda pojemności 1400mAh D5. Napięcie z naszego regulowanego źródła jest odłączone bądź niższe niż 1.5V. Naciskamy przycisk Start. Powinny zacząć migać wszystkie diody. Oznacza to alarm spowodowany zbyt niskim napięciem ogniw. Wyłączamy ładowarkę. 
    2. Ponownie włączamy. Napięcie regulowanego źródła ustawiamy pomiędzy 1,5V, a 2,4V. Naciskamy przycisk Start. Rozpocznie się ładowanie. Dioda D8 (czerwona) powinna migać z częstotliwością około 0,5Hz. Dioda D5 świeci ciągle. 
    3. Podgrzewamy czujnik napięcia suszarką do włosów. Powinny zacząć migać diody D8, D7 i D6. Zadziałało zabezpieczenie ogniw od nadmiernej temperatury.
    4. Wyłączamy i włączamy ładowarkę
    5. Stopniowo podnosimy napięcie. Przy ~2,95V powinny zacząć migać diody. Zadziałało napięciowe zabezpieczenie przed przeładowaniem. Wyłączamy ładowarkę.
    6. Teraz możemy wlutować pojemniki na ogniwa oraz tranzystory i po zmianie bezpiecznika na 3,15A używać tego ustrojstwa do ładowania akumulatorków.
CDN...