Rychlonabíječka NiCd / NiMh článků

Náhled na konstrukci - ke zvětšení obrázku klikněte na náhled

Po rozhodnutí o koupi digitálního fotoaparátu (konečně budou fotografie na webu dle mých představ) jsem stál před řešením, jak nejlépe nabíjet napájecí akumulátory fotoaparátu. Po průzkumu trhu jsem došel k závěru, že kvalitní nabíječka je buď drahá (více než 1000,-Kč), velká (používám akumulátory jen tužkové a mikrotužky) a nesplňuje můj požadavek využít k napájení nabíječky palubní sítě automobilu. Levné nabíječky (pod 1000,-Kč) jsou buď také velké, nebo nebyl k dispozici rozsah nabíjecího proudu pro moje akumulátory (2100 mAh) a navíc jsem u některých opravdu levných typů postrádal síťový transformátor - nabíječka byla nejspíše napájena přes kondenzátor a toto řešení není schopné dodat dostatečný nabíjecí proud. Navíc jsem v několika konferencích na toto téma četl, že "univerzálními" mikroprocesorovými nabíječkami se mikrotužky přebíjejí až několikanásobně, tužkové se přebíjejí a monočlánky se dobíjejí na polovinu kapacity. Proto jsem dospěl k tomu, že nabíječku si postavím sám postavím podle svých představ a požadavků.

	volba nabíjení dvou nebo čtyř článků
	ukončení nabíjení při poklesu napětí na akumulátoru (negative slope detection)
	připojení na síťový adaptér nebo do palubní sítě automobilu
	nabíjení NiCd nebo NiMh akumulátorů
	doba rychlonabíjení cca 4 hodiny, následuje přechod do udržovacího módu

Technické parametry:

Napájení:		napájení 12 až 18 voltů stejnosměrných
Proudová spotřeba:		cca 850 mA při rychlonabíjení, 80mA při udržovacím režimu
Signalizace:		1x LED dioda, při rychlonabíjení blikne cca jednou za sekundu, při udržovacím režimu svítí trvale
Kapacita nabíjených článků:		v mém zapojení 2100 mAh, dle požadavku si můžete tento parametr změnit (výpočtem celé této nabíječky pomocí makra v excelu)
Chlazení:		nucené (PC ventilátor)

Po hledání na internetu jsem nalezl na HW serveru návod na stavbu rychlonabíječky NiCd / NiMh článků, která se mi svým řešením zalíbila. Srdcem nabíječky je integrovaný obvod MC33340. Jedná se o integrovaný obvod pro řízení nabíjecího procesu u NiCD a NiMH akumulátorů. Mezi hlavní rysy obvodu MC33340 patří: ukončení nabíjení při poklesu napětí na akumulátoru (negative slope detection) s citlivostí 4mV, programovatelný časovač 1 - 4 hodiny, možnost kontroly teploty nabíjené baterie, kontrola velikosti napájecího napětí a široký rozsah napájecího napětí (3-18V). Integrovaný obvod MC33340 používá dva režimy nabíjení, rychlý a udržovací. Z rychlonabíjecího režimu může obvod přejít do udržovacího režimu třemi způsoby - poklesem napětí na akumulátoru po jeho plném nabití (Negative Slope Voltage Detection), po překročení naprogramovaného časového limitu nabíjení (možnost nastavení až 283 minut), nebo po překročení naprogramovaného teplotního rozsahu nabíjené baterie.

Časovač obvodu lze naprogramovat v sedmi krocích od 71 minut do 283 minut pomocí pinů T1, T2 a T3.

T3 (pin 5)	T2 (pin 6)	T1 (pin 7)	Doba nabíjení [min]
nezapojen	nezapojen	nezapojen	283
nezapojen	nezapojen	GND	247
nezapojen	GND	nezapojen	212
nezapojen	GND	GND	177
GND	nezapojen	nezapojen	141
GND	nezapojen	GND	106
GND	GND	nezapojen	71

Popis zapojení Obvod MC33340 snímá napětí na akumulátoru přes pin Vsen. Pokud je jeho hodnota mezi 1V až 2V, začne rychlonabíjecí režim. Při napětí pod 1V, což může znamenat například vadný článek nebo při napětí větším jak 2V nepřipojený akumulátor, zůstává obvod v režimu udržovacího nabíjení. Jako výkonnový prvek je s výhodou používán stabilizátor LM317, takže k napájení stačí obyčejný nestablizovaný zdroj. Napájení obvodu nesmí překročit 18V.

Náhled na schéma - ke zvětšení obrázku klikněte na náhled

Toto zapojení v podstatě kopíruje doporučené zapojení výrobce podle datasheetu. Rychlonabíjení probíhá tak, že akumulátory jsou dobíjeny přes LM 317 nastaveným proudem. Vždy při bliknutí LED (t.zn. dle schématu je uzel F/T+GATE uzemněn) je nabíjení přerušeno, a obvod přes dělič měří napětí alumulátoru. Pak následuje opět přepnutí do rychlonabíjení. Tato činnost trvá tak dlouho, dokud není vyhodnocen konec nabíjení v tomto případě buď uplynutí 283 minut nebo pokles napětí (negative slope detection). Měření teploty článků není v této nabíječce použito.
Po ukončení rychlonabíjení přestane dodávat LM 317 proud do akumulátoru a ten je udržován udržovacím proudem přes R5 (resp. R8). Dělič, přes který se snímá napětí akumulátoru je vypočten tak, aby se v podstatě napětí baterie akumulátorů podělilo tak, abychom na vstupu Vsen získali napětí jednoho článku.

Rozdíl mého oproti katalogovému zapojení je ve dvou věcech:

1) aby bylo možné nabíjet 2 nebo 4 články, je nutno přepínat jak dělič pro měření napětí, tak předřadný rezistor pro udržovací mód a také je nutno měnit řazení článků. Protože však přepínač má jen dvě sekce (se třemi jsem nesehnal a nevím, zda se vůbec vyrábí) je použito pro přepínání navíc relé. Pro umístění baterií je použito klasické bateriové pouzdro pro 4 články velikosti AA, jehož propojení článků jsem musel upravit podle schématu.

2) protože při napájení 12V je na LM317 ztrátový výkon až 4,5 W, je nutno jej dostatečně chladit. Konstruktérskou finesou by bylo použít spínaný stabilizátor, ale neměl jsem čas a popravdě ani chuť se s ním ladit (navíc ceny specializovaných obvodů jsou až 200,-Kč a výše, a v tom případě jsem si mohl koupit profi nabíječku). Kvůli stísněné montáži je rozptyl tepla z chladiče dosti omezen, proto jsem přidal nucené chlazení pomocí ventilátoru z grafické karty PC. Protože jsem však nechtěl poslouchat mírné hučení při nabíjení neustále, je přidán obvod, který spustí ventilátor pouze při rychlonabíjení a při udržovacím režimu (nebo bez článků) ventilátor vypne. Tento obvod je na nabíječku navázán optočlenem, neboť jinak než ze signalizace jsem informaci o rychlonabíjení nedokázal získat. (Původně jsem si myslel, že v udržovacím režimu je GATE+F/T uzemněn, podle datasheetu je tam tranzistor s otevřeným kolektorem, ale pak jsem se dočetl a měřením ověřil, že i v sepnutém stavu je na kolektoru tohoto tranzistoru cca 1 V, tedy k tomuto účelu ne moc použitelné).
Nakonec jsem tedy použil optočlen zapojený do série s indikační LED diodou. Pro spínání ventilátoru slouží "časovací" obvod s tranzistorem T1, kondenzátorem C3 a rezistory R9 až R11. Tento obvod slouží k tomu, aby při krátkém záblesku diody (rychlonabíjení) ventilátor běžel bez přerušení, ale aby se při trvalém svitu LED zastavil. Když LED nesvítí, optočlen je rozepnutý, C3 je vybitý a báze T1 je uzemněna přes R11 a tranzistor je sepnutý - ventilátor běží. Při bliknutí LED se na krátkou dobu sepne tranzistor optočlenu a začne nabíjet C3. Pokud jde o krátké sepnutí (záblesk LED), kondenzátor se nestačí nabít tak, aby se tranzistor T1 uzavřel a po rozepnutí optočlenu se opět vybije přes R11. Pokud se LED trvale rozsvítí (konec nabíjení) optočlen je sepnutý a kondenzátor se nabije na téměř plné napětí zdroje, čímž uzavře T1 a ventilátor se zastaví.

Umístění článků při nabíjení

Pokud budete tuto konstrukci stavět a budete mít více místa a nebudete chtít použít nucené chlazení, v sekci ke stažení jsou také schémata a plošné spoje bez obvodu řízení ventilátoru.

Mechanická konstrukce

Náhled na plošný spoj - správná velikost je v archivech ke stažení na konci stránky

Náhled na osazení - správná velikost je v archivech ke stažení na konci stránky

Zapojení je na jednostranné desce plošných spojů a neskrývá žádné záludnosti. POZOR, LM 317 je osazen "popisem dolů" tak, aby mohl být chladič přišroubován z horní strany. Při pozorné práci funguje zapojení na první zapnutí. Co se týká mechanické konstrukce je třeba poněkud upravit desku plošných spojů a chladič pod ventilátorem (použil jsem celý komplet ventilátoru i s chladičem).
Celek je vestavěn do plastové krabičky U-KP25. Její úprava spočívá v odstranění všech vnitřních nálitků, vyjma těch, kterými procházejí 4 spojovací šrouby obou polovin. Dále je třeba do boků krabičky vyvrtat chladicí otvory (prům. 3mm) a rozměřit a vyřezat otvory pro pouzdro na články a přepínač. Pouzdro i přepínač jsou do krabičky připevněny tavným lepidlem. Ještě před zalepením je potřeba upravit pouzdro článků k možnosti přepínaní 2/4 články (je třeba naletovat vodič mezi druhý a třetí článek). V pouzdru jsou jako kontakty duté nýtky, kterým letování nesvědčí protože pouzro je z termoplastu a nýtky po zahřátí "prolezou". Pak ani nanýtovaná pružina nemá spolehlivý kontakt, proto jsem u spojů mezi 2 a 3 článkem nýtky nahradil šroubky. Nejlépe je vše vidět na fotografiích.



Náhled na umístění ventilátoru, ke zvětšení obrázku klikněte na náhled	Přerušení pružiny od mínusového pólu, její připevnění šroubem a náhrada dutého nýtu.

Umístění větracích otvorů

Umístění napájecího konektoru

Rozpiska součástek

	C1	keramický 100n
	C2	keramický 10n
	C3	elektrolyt 220uF/16V
	D1-D3	dioda 1N4007
	D4	LED 3mm
	IC1	MC33340DIP (v GES za 39,- Kč v říjnu 2003)
	OK1	optočlen PC817-SHARP
	R1	rezistor miniaturní 220k
	R2	rezistor miniaturní 100k
	R3	rezistor miniaturní 470R
	R4	rezistor miniaturní 280R
	R5	rezistor miniaturní 82R
	R6	rezistor 2j2/2W
	R7	rezistor miniaturní 62k
	R8	rezistor miniaturní 110R
	R9	rezistor miniaturní 120R
	R10	rezistor miniaturní 10k
	R11	rezistor miniaturní 2k7
	RLY1	relé OMRON G5V2-12V
	SWITCH1	přepínač P-SS22F12 (2x přepínací - GM electronic)
	T1	tranzistor BC640
	U1	stabilizátor LM317T
	Ventilátor	rozměry 40x40 mm (box TITAN model TTC-CSC04E)
	Krabička	U-KP25
	Pouzdro na baterie	A306341 (GM electronic)
	Napájecí konektor	(GM electronic)

Na závěr si můžete prohlédnout vnitřní uspořádání nabíječky.
Tato nabíječka mne vyšla na cca 300,-Kč, pokud nepočítám ventilátor, tranzistor a pasivní bižuterii, ty byli v šuplíkových zásobách.
Aby byla nabíječka opravdu univerzální, doporučuji napájení přivést přes usměrňovací můstek, který zajistí správnou polaritu napájení pro různě zapojené napájecí konektory. Podstatná výhoda je pak v tom, že člověk nemusí přemýšlet, kde je na konektoru plus, ale prostě jej jen připojí.

Ke stažení jsou tyto soubory:

		Schémata a plošné spoje nabíječky (verze s ventilátorem i bez) ve formátu EAGLE 4.01

		Schémata a plošné spoje nabíječky (verze s ventilátorem i bez) ve formátu *.jpg

		Datasheet MC33340 (zabaleno, En)

		Moje knihovna součástek pro EAGLE 4.01, které jsem použil ve svých konstrukcích a nikde jsem je nenašel. (Bude se zvětšovat, odkaz naleznete také na stránce dokumentů).

		Makro pro výpočet hodnot rezistorů jak pro jednoduchou nabíječku, tak pro mojí konstrukci

		Návrh štítku nabíječky a postřehy z konference HW news k základnímu zapojení nabíječky s MC33340