Текст книги "Путеводитель в мир электроники. Книга 2"

Автор книги: И. Шелестов

Соавторы: Борис Семенов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 23 страниц)

Перезарядка гальванических элементов

Жизнь принуждает человека ко многим добровольным действиям.

Станислав Ежи Лем

Тот факт, что большинство типов современных гальванических элементов удается восстанавливать после разряда, уже давно ни для кого не секрет. Правда, они выдерживают намного меньше циклов перезарядки, чем аккумулятор, но порой даже несколько циклов перезаряда могут сильно выручить. Во всяком случае, наши и зарубежные радиолюбители этим свойством пользуются. Знают об этой возможности и разработчики гальванических элементов, но они не рекомендуют заниматься перезарядкой, так как при многократном и неграмотном повторении этого процесса последствия могут быть непредсказуемыми (возможна утечка электролита из-за нарушения герметичности корпуса).

Тем не менее, с начала 80 гг. XX в. некоторые американские фирмы начали выпускать гальванические элементы с гарантированным перезарядом (при условии использования «фирменного» зарядного устройства) [1]. Стоят такие элементы в два раза дороже обычных батареек, но это – вполне оправданные затраты, даже несмотря на то, что после каждого цикла «заряд-разряд» их емкость постепенно уменьшается, – в аккумуляторах она постоянна в течение всего срока эксплуатации, но аккумуляторы и стоят существенно дороже.

Многократная перезарядка большинства типов гальванических элементов возможна при выполнении следующих условий:

1. Нельзя доводить элемент до полного разряда, т. е. надо его ставить на подзаряд при снижении напряжения не ниже уровня в 1 В;

2. Подзарядку необходимо выполнять асимметричным током в режиме «заряд-разряд», при этом зарядный ток в 10 раз превышает разрядный;

3. Время процесса подзаряда не должно превышать 6…10 часов;

4. После окончания процесса необходимо, чтобы элемент 1…2 часа никуда не устанавливался, так как у него будет повышенное напряжение (до 1,85 В), которое постепенно вернется к номинальному (1,5 В).

А теперь посмотрим, как можно сделать собственное «фирменное» зарядное устройство для разных типов гальванических элементов.

«Таблетки» из серии СЦ

Элементы питания из серии СЦ часто используются в часах и разных игрушках. Если требуется восстановить у них заряд, схема для регенерации может быть очень простой и малогабаритной при выполнении ее с бестрансформаторным сетевым питанием. Несколько вариантов таких зарядных устройств показано на рис. 15.9.

Рис. 15.9. Три схемы зарядных устройств для миниатюрных элементов

В схеме на рис. 15.9, а зарядный ток (I_зар) элемента G1 протекает через цепь VD1-R1 в момент положительной полуволны сетевого напряжения. Величина I_зар зависит от величины R1. В момент отрицательной полуволны диод VD1 закрыт и разряд идет по цепи VD2-R2. Соотношение I_зар и I_разр выбрано 10:1. У каждого типа элемента серии СЦ своя емкость, но известно, что величина зарядного тока должна составлять примерно десятую часть от электрической емкости элемента питания. Например, для СЦ-21 (емкость 38 мАч) – I_зар = 3,8 мА, I_разр = 0,38 мА, для СЦ-59 (емкость 30 мА ч) – I_зар = 3 мА, I_разр = 0,3 мА. Близкие по емкости элементы можно заряжать от одного и того же зарядного устройства, но соответствующим образом изменив время зарядки.

На схеме указаны номиналы резисторов для регенерации элементов СЦ-59 и СЦ-21, а для других типов их легко определить, воспользовавшись соотношениями:

R1 = 220/(2·I_зар), R2 = 0,1·R1.

Установленный в схемах стабилитрон в работе зарядного устройства участия не принимает, но выполняет функцию защиты от поражения электрическим током – при отключенном элементе

G1 на выходных контактах напряжение не сможет возрасти больше, чем уровень стабилизации. Стабилитрон КС175 подойдет с любой последней буквой в обозначении или же может быть заменен двумя стабилитронами типа Д814А, включенными последовательно навстречу друг другу.

В качестве диодов VD1, VD2 подойдут любые выпрямительные с рабочим обратным напряжением не менее 400 В (КД243(Г – Ж), КД247(В – Е) и др.).

Аналогичный принцип работы имеют схемы, показанные на рис. 15.9, б и в. Они в особых пояснениях не нуждаются.

Для удобства эксплуатации во все схемы можно добавить светодиодный индикатор наличия сетевого напряжения, как это сделано в схеме на рис. 15.9, в или на «неонке» (см. вторую главу книги 1).

Для закрепления элементов при заряде можно сделать зажим на основе тонкой латунной пластины или деревянной бельевой прищепки, как это показано на рис. 15.10 (первый вариант более компактный). Восстанавливать таким образом элементы СЦ удается три-четыре раза, если их ставить вовремя на подзарядку, не допуская полного разряда (ниже 1 В).

Рис. 15.10. Варианты выполнения конструкции зажима для подключения элементов к зарядному устройству

Элементы типоразмера АА и ААА

Так как эти гальванические элементы для подзаряда требуют ток более 100 мА, для них зарядное устройство лучше делать на основе понижающего напряжение трансформатора. Проще всего зарядное устройство выполнить по схеме на рис. 15.11.

Рис. 15.11. Схема зарядного устройства для гальванических элементов

Как и предыдущие схемы, данное зарядное устройство обеспечивает асимметричный режим заряда (заряд током 150…160 мА, разряд – 15 мА). Два элемента заряжаются независимо друг от друга, и дефект одного из них не приведет к прекращению заряда другого. Ну а так как заряд проводится в течение одной полуволны сетевого напряжения, когда соответствующий диод открыт, то для получения действующего значения тока заряда 150 мА необходимо, чтобы ток в цепи был не менее 315 мА (15 мА ответвляется через разрядные резисторы).

Светодиод HL1 является индикатором наличия питающего напряжения, а назначение остальных элементов описано было ранее.

Схема не критична к выбору типа элементов. Выпрямительные диоды (VD2, VD3) подойдут с допустимым током не менее 0,5 А. Трансформатор (TV1) подойдет любой с напряжением во вторичной обмотке 4,5…10 В и допустимым током не менее 0,5 А (см. справочный раздел книги). Можно использовать трансформаторы из серии ТН – все они имеют хотя бы одну обмотку на 6,3 В.

Номиналы резисторов R1, R2 + R3 на схеме указаны для напряжения 10 В – для меньшего их соответственно придется уменьшить. Величину резисторов R2 + R3 лучше подобрать экспериментом для конкретного трансформатора, для чего в разрыв цепи от вторичной обмотки TV1 подключается миллиамперметр, а в гнезда устанавливаются разряженные гальванические элементы.

Плата для сборки не приводится, так как она выполняется под размер имеющегося свободного места в конкретном корпусе (топология простая, и вы ее легко разведете самостоятельно).

Конструкция зарядного устройства может быть выполнена на основе вилки с встроенным трансформатором. Из них есть такие корпуса, которые позволяют легко закрепить на верхней крышке контактную колодку (отсек) для установки гальванических элементов, рис. 15.12.

Рис. 15.12. Вид собранной конструкции зарядного устройства

Времязадающие управляющие автоматы

Время, в отличие от денег, накопить нельзя.

Борис Крутиер

Большинство проходящих процессов требует определенного времени. Довольно удобно, когда вместо вас за процессом следит электроника, в XXI веке живем все же. Электронный таймер может не только напомнить звуковым или световым сигналом о том, что уже пора выключить или включить (плиту, зарядное устройство и т. д.), но может сделать это и сам.

По схемотехнической реализации такие таймеры бывают двух типов: аналоговые и цифровые. С аналоговыми таймерами вы уже знакомы по главе 13.

Временной интервал у них задается при помощи цепи заряда конденсатора. Пороговый элемент срабатывает при достижении напряжения на конденсаторе определенного уровня, то есть переключает напряжение на выходе. Схема получается очень простой, но из-за технологического разброса номиналов элементов она требует много времени на настройку интервала (подбор может быть нужен даже в том случае, если времязадающие элементы использовать прецизионные высокоточные и дорогие). Есть еще два недостатка у таких схем, которые ограничивают их применение. Это невысокая точность формируемого интервала (обычно не более 1 % в лучшем случае) из-за влияния окружающей температуры и сложность получения больших временных интервалов (более 30 мин) из-за тока утечки в конденсаторах большой емкости.

В цифровых таймерах используют стабильный задающий генератор импульсов и счетчики импульсов (делители частоты). Увеличивая число счетчиков, можно получить таймер на любой интервал времени. При этом они полностью лишены недостатков аналоговых таймеров, ведь частоту задающего генератора можно легко измерить и подстроить по частотомеру или же воспользоваться кварцевым резонатором для стабилизации.

Таймер для зарядных устройств

При пользовании большинством простейших зарядных устройств необходимо следить за временем, так как они не имеют защиты от повреждения аккумуляторов избыточным зарядом. В наше время и без того дел хватает, чтобы еще помнить и об аккумуляторах. Проще поручить эту задачу электронному таймеру.

Предлагаемый цифровой таймер позволяет устанавливать один из трех временных интервалов (4, 8 и 16 ч), наиболее часто необходимых для заряда аккумуляторов. Он легко встраивается в большинство зарядных устройств и в этом случае может сам прервать процесс заряда, что исключит вероятность получения аккумулятором избыточной энергии, снижающей его ресурс. Кроме отключения зарядного тока, в таймере предусмотрено включение прерывистого звукового сигнала. В качестве источника звука подойдет любой пьезоизлучатель.

Устройство выполнено всего на двух КМОП микросхемах (рис. 15.13) и состоит из задающего генератора на триггере Шмитта (DD1.1), импульсы с которого поступают на счетчик (DD2). Через переключатель SA1 к одному из выходов счетчика через инвертор (DD1.2) подключен транзисторный ключ VT1.

При подаче питания на схему за счет импульса, сформированного цепью C3-R2, счетчик DD2 обнуляется. При этом на выходе элемента DD1.2 будет присутствовать лог. 1, которая поддерживает транзистор в открытом состоянии. Это продолжается до того момента, пока на соответствующем выходе счетчика не появится лог. 1 (лог. 0 на DD1/4), что приведет к остановке задающего генератора (лог. 0 на входе DD1/2 его блокирует) и закрыванию транзистора VT1. В таком состоянии схема будет находиться до момента отключения питания и его повторного включения. Для прерывистой звуковой индикации окончания установленного интервала используются два связанных между собой генератора на элементах DD1.3 (2 Гц) и DD1.4 (1800 Гц).

Схема может работать от напряжения 5…15 В, а потребляемый ток в режиме выдержки интервала не превышает 0,3…2,8 мА.

Рис. 15.13. Таймер для отключения устройств через заданный интервал времени

Для сборки схемы можно воспользоваться односторонней печатной платой, приведенной на рис. 15.14.

Рис. 15.14. Топология печатной платы, расположение элементов и внешний вид монтажа

Плата предусматривает установку прямо на нес переключателя SA1 типа ПД21-3 (допустимо также использовать любой внешний). При монтаже могут устанавливаться любые малогабаритные резисторы и конденсаторы. Диод VD1 заменяется любым импульсным.

Коммутацию нагрузки можно реализовать двумя способами. Первый – непосредственно полевым транзистором (например, это удобно делать в схемах на рис. 15.7 и 15.8 – для данного транзистора допустимым является ток до 200 мА). Второй – при помощи контактов реле К1, как это показано на рис. 15.15. Реле подойдет с двумя группами переключающих контактов и рабочим напряжением, соответствующим питающему всей схемы.

Рис. 15.15. Подключение таймера для полного отключения из сети зарядного устройства

Включается устройство кратковременным нажатием кнопки SB1. В этом случае срабатывает реле К1 и своими контактами (К1.1) блокирует цепь кнопки. После окончания зарядного интервала, когда реле отключится, происходит не только отключение цепи заряда при помощи второй группы контактов (К 1.2), но и полное выключение из сети всего устройства. Для следующего включения схемы необходимо опять нажать кнопку SB1.

Цифровой циклический таймер

Для создания комфортных условий есть немало устройств, которые нужно периодически включать на небольшие интервалы времени, причем независимо от времени суток. К ним относятся ионизатор воздуха, воздухоочиститель, вентилятор, электронагреватель и другие. Эту задачу и выполняет приведенная на рис. 15.16 схема.

Рис. 15.16. Схема автомата для периодического включения сетевых устройств

Устройство собрано на широко распространенной КМОП микросхеме из серии 176 – 15-разрядном счетчике. Это позволяет существенно упростить схему за счет того, что имеется возможность собрать задающий RC-генератор на уже имеющихся в корпусе элементах. К сожалению, у. этой микросхемы нет аналогов в других, более современных сериях, поэтому приходится использовать напряжение питания от 9 до 12 В.

При включении питания короткий импульс, сформированный цепью C2-R1, обнуляет счетчики и начинается отсчет временного интервала. Формируемый интервал зависит от частоты генератора, задаваемой конденсатором С3, и суммарного сопротивления резисторов R3 + R4. Первоначально лог. 1 появится на выходе DD1/5 через 11 минут, если R3 = 0, или через 2 часа – при R3 = 2,2 МОм (применение подстроечного резистора позволяет регулировать рабочий интервал в этом диапазоне). Причем время, в течение которого будет включена нагрузка, и пауза получаются одинаковыми.

Коммутацию нагрузки (на схеме нагрузкой является обычная лампа EL1) выполняет электронный ключ – симистор VS1. Это делает процесс переключения бесшумным и более надежным, чем у реле. Ну а для того, чтобы снизить потребление тока схемой управления, для включения симистора используются импульсы, сформированные автогенератором на одно переходном транзисторе (он подробно был описан в главе 13).

Для монтажа элементов можно воспользоваться печатной платой, показанной на рис. 15.17.

Рис. 15.17. Топология печатной платы, расположение элементов и внешний вид монтажа

Импульсный трансформатор Т1 придется изготовить самостоятельно. Он наматывается проводом ПЭЛШО диаметром 0,12…0,18 мм ни ферритовом кольце М4000НМ1 типоразмера К16x10x4 мм или кольце М2000НМ1 – К20х12х6 мм и содержит в обмотке 1 – 80 витков, 2 – 60 витков. Перед намоткой острые грани сердечника нужно закруглить надфилем, чтобы они не прорезали изоляцию провода. Желательно также обмотать каркас магнитопровода фторопластовой лентой или покрыть лаком. Обмотки располагаются напротив друг друга (намотка внавал), рис. 15.18.

Рис. 15.18. Конструкция импульсного трансформатора

После намотки и пропитки катушек лаком обязательно убедитесь в отсутствии утечки между обмотками, а также обмотками и ферритом магнитопровода (делать это надо после закрепления трансформатора на плате при помощи винта). Между платой и трансформатором лучше проложить резиновую прокладку.

Если мощность нагрузки не превышает 100 Вт, что бывает наиболее часто, симистор в радиаторе не нуждается. Он крепится при помощи скобы из толстого провода прямо к плате. В противном случае радиатор можно изготовить из медной или алюминиевой пластины. Допускается также подключение более мощных симисторов, например, типа ТС122-20-6 (на ток 20 А), ТС122-25-6 (ток 25 А) и многие другие, но допустимое рабочее напряжение у них должно быть не меньше 500 В.

Остальные детали схемы подойдут любого типа, например переменные резисторы R3 – СП4-1; постоянные резисторы С2-23 или MЛT; все конденсаторы могут быть К10-17 и др.

Источник питания для схемы нужен на напряжение 9..12 В. Потребляемый при этом ток составляет 1,6…2,4 мА – он увеличивается до 2,9…4,5 мА при работе автогенератора на транзисторе VT1, управляющего включением симистора. Например, сам таймер можно питать от сети по бестрансформаторной схеме, приведенной на рис. 15.19. Топология для сборки такого источника дана на рис. 15.20.

Рис. 15.19. Вариант бестрансформаторного источника питания

Рис. 15.20. Топология печатной платы и расположение элементов

Несколько слов о настройке каскада электронного коммутатора. Первоначально надо включить в качестве нагрузки лампу накаливания мощностью 40…60 Вт и, дождавшись, когда она загорится, проверить на ней уровень переменного напряжения. Если оно будет менее 218 В (в этом случае яркость свечения лампы пониженная), необходимо изменить фазировку подключения любой из обмоток трансформатора Т1 (для чего достаточно поменять выводы местами). Конечно, делать это надо при отключенном устройстве.

Кроме симистора, для управления нагрузкой можно приспособить и реле, подключив его вместе с транзистором, как это показано на рис. 15.21.

Рис. 15.21. Подключение электромагнитного реле к схеме автомата

Вместо полевого транзистора можно установить и биполярный с большим коэффициентом усиления и допустимым током не менее 200 мА. Такими являются составные транзисторы КТ972, КТ829(А, Б) и др. Аналогичный циклический таймер можно выполнить на микросхеме К176ИЕ12, но к ней времязадающие элементы генератора подключаются иначе, рис. 15.22.

Рис. 15.22. Вариант схемы автомата для периодического включения сетевых устройств

Таймер для забывчивых

В каждой квартире есть вспомогательные помещения, такие, как кладовка, коридор и туалет. Обычно свет там требуется ненадолго, после чего нужно не забыть отключить освещение. Но многие из-за рассеянности оставляют свет включенным, что приводит к лишнему расходу электроэнергии, а значит, и денег.

Чтобы избавиться от этой проблемы, можно воспользоваться устройством автоматического отключения освещения через заданный интервал времени, если вы сами не сделаете это раньше. Приведенный вариант таймера, в отличие от опубликованных аналогов, имеет меньшие размеры, удобнее в эксплуатации, проще в изготовлении и подключении, так как не требует установки дополнительных датчиков и кнопок. Работу этого устройства вы редко будете замечать, а сэкономить оно позволит немало денег.

Электрическая схема цифрового таймера показана на рис. 15.23. Она имеет бестрансформаторное питание от сети. Это позволяет сделать конструкцию малогабаритной, что удобно при размещении. Устройство устанавливается вблизи лампы и подключается в разрыв проводов, идущих к лампе.

Рис. 15.23. Электрическая схема сетевого таймера

Схема начинает работать только при включении освещения обычным включателем (SA1). Лампа освещения EL1 будет светиться в течение 9 мин, конечно, если до этого момента вы сами ее не отключите. Происходит это потому, что в начальный момент тиристор VD1 будет полностью открыт за счет проходящего через резисторы R5-R6 управляющего тока (транзистор VT1 закрыт). Эти резисторы из-за разброса параметров тиристоров при настройке устройства могут потребовать подбора так, чтобы их общее сопротивление было в диапазоне 24…30 кОм. От них зависит, яркость свечения лампы.

Сам таймер собран всего на одной микросхеме К176ИЕ12, которая содержит внутри автогенератор с внешними задающими частоту элементами и счетчики импульсов. Временной интервал задержки отключения зависит от емкости конденсатора С3 и может быть легко изменен.

Как только на выходе DD1/10 счетчика появится лог. 1, откроется полевой транзистор VT1, что приведет к закрыванию тиристора VS1 – его управляющий электрод будет закорочен. Свет выключится. Для того чтобы это состояние зафиксировалось, установлен диод VD6. Он обеспечивает прекращение работы задающего RC-автогенератора, подавая запирающее напряжение с выхода счетчика. Когда на DD1/10 лог. 0, этот диод на работу автогенератора влияния не оказывает.

После отключения света таймером для повторного включения освещения потребуется выключить и включить SA1. При этом цепью из элементов C2-R1 формируется импульс обнуления счетчиков микросхемы и отсчет временного интервала начинается сначала. Чтобы сформировать импульс обнуления, конденсатор С1 должен за короткое время отключения питания схемы успеть разрядиться. Поэтому его номинал не рекомендуется устанавливать больше, чем это указано на схеме.

Для монтажа устройства использована односторонняя печатная плата с размерами 75х40 мм (рис. 15.24). Внешние подключения выполняются через четыре контактных зажима (XI), припаянных на плате.

Рис. 15.24. Топология печатной платы и расположение элементов

При сборке применены все резисторы типа MЛT с указанной на схеме мощностью. Конденсаторы могут быть любыми малогабаритными. Стабилитрон VD1 подойдет с произвольной последней буквой в обозначении, но обязательно в пластмассовом корпусе, иначе он не поместится на приведенной печатной плате. Диод VD2 – любой из импульсных.

При правильной сборке и исправных деталях схема начинает работать сразу, а настройка заключается в выборе необходимого интервала времени, в течение которого включено освещение.