Устройство контроля аккумуляторных батарей

Аккумуляторные батареи широко применяются для электропитания бытовой, любительской радиоаппаратуры и других устройств. В. последние годы ассортимент аккумуляторов, поступающих в широкую продажу, значительно увеличился. Поэтому можно утверждать, что доля их применения взамен гальванических элементов будет расти. Однако вопросу правильной эксплуатации-аккумуляторов уделяется недостаточное внимание. Правильная эксплуатация подразумевает достижение максимально возможного количества циклов заряд-разряд каждого аккумулятора в батарее и исключение их переплюсовки, приводящей чаще всего к отказу всей батареи. Поэтому необходимо специальное устройство, постоянно контролирующее напряжение каждого аккумулятора, а не всей батареи в целом, как это обычно делают. Контроль напряжения всей, батареи не гарантирует, что один из аккумуляторов не разрядится быстрее других, поскольку значения их емкостей неодинаковы (особенно после нескольких циклов заряд-разряд), что и является причиной переплюсовки. Автомобильные аккумуляторные батареи также требуют постоянного контроля в процессе эксплуатации.

Предлагаемое устройство автоматически измеряет напряжение каждого аккумулятора батареи и в случае его разряда ниже допустимого выдает аварийный сигнал. Питание устройства осуществляется напряжением-самой контролируемой батареи. Для обеспечения экономичности в нем используются цифровые КМОП-микросхемы и аналоговые микромощные операционные усилители. Это позволяет не отключать устройство от аккумуляторной батареи в, процессе ее эксплуатации.

Устройство обладает следующими основными техническими характеристиками:

напряжение питания, В 4... 15

ток потребления, мА, не более 2

цикл одного измерения, мс 100 .

погрешность измерения напряжения, % не более 1, количество аккумуляторов в батарее:

щелочных с номинальным напряжением 1,25 В 4...8

кислотных с номинальным напряжением 2 В 4.6

Структурная схема устройства показана на рис. 1. Сдвоенный многоканальный коммутатор -А1 последовательно подключает выводы каждого из аккумуляторов батареи ко входам вычитающего устройства А2. С его выхода напряжение, контролируемого аккумулятора поступает на компаратор А4, который сравнивает это напряжение с опорным, поступающим на второй вход компаратора от источника,, опорного напряжения A3. Автоматическим переключением коммутатора управляет счетчик.А5, на который поступают импульсы с генератора А6. Если, аккумуляторы батареи не разряжены, с. компаратора поступает "сигнал, разрешающий работу счетчика, и последовательный контроль аккумуляторов батареи продолжается. Если контролируемый аккумулятор окажется разряжен ниже допустимого напряжения, на выходе компаратора появляется сигнал, запрещающий дальнейшую работу счетчика и включающий аварийный сигнализатор А7. При этом счётчик останавливается в положении, соответствующем разряженному аккумулятору.

Принципиальная схема устройства для батареи, состоящей из восьми щелочных аккумуляторов, показана на рис. 2.

Тактовый генератор выполнен на двух логических элементах DD1.1 и DD1.2 по известной схеме. Частота колебаний генератора составляет примерно 800 Гц.

На половине микросхемы DD2.1 собран трехразрядный двоичный счетчик. Коэффициент счета, равный 8, достигается путем введения дополнительной связи с выхода 8 на вход R для принудительного сброса счетчика в нуль. Счетчик имеет два счетных входа С и СЕ. В данной схеме импульсы генератора подаются на вхбд СЕ, а вход С является разрешающим при наличии на нем напряжения низкого уровня. При высоком уровне напряжения на входе С счет прекращается, но записанная информация на выходах счетчика сохраняется.

Сдвоенный восьмиканальный коммутатор выполнен на микросхемах DD3 и DD4. Их одноименные адресные входы АО, А1 и А2 объединены и подключены к соответствующим выходам счетчика. На разрешающих входах коммутаторов необходим низкий уровень напряжения, для чего они .подключены к минусу аккумуляторной батареи (шина В).

Импульсы, поступающие с тактового генератора, изменяют трехзарядный двоичный код на выходах счетчика, и каждой кодовой комбинации соответствует вполне определенное подключение входов сдвоенного коммутатора к выводам аккумуляторной батареи. В таблице указаны напряжения U_а и U_б; поступающие на входы вычитающего устройства по тактам работы счетчика, их разность U_аб а также номер контролируемого аккумулятора.

Вычитающее устройство выполнено на операционном усилителе DA1 в дифференциальном включении. Коэффициент передачи вычитающего устройства по обоим входам .одинаков и равен 1. Для этого должны выполняться соотношения R2—R5 и R3=R6. При этом выходное напряжение вычитающего устройства равно разности входных. Сопротивления резисторов. R2 , и R3 должны быть не менее 150 кОм, чтобы не нагружать коммутаторы по выходу.

В источнике опорного напряжения используется полевой транзистор VT1 и резисторы R4, R7 с фильтрующим конденсатором С4. При некотором значении тока стока полевого транзистора, определяемого суммарным сопротивлением указанных резисторов, ток стока не зависит от температуры (термостабильная точка) [1]. Величина опорного напряжения должна быть равна минимально допустимому напряжению аккумулятора при разряде и составляет 1 В для щелочных аккумуляторов или 1,8 В для кислотных.

На инвертирующий вход компаратора, выполненного на операционном усилителе DA2, поступает напряжение контролируемого аккумулятора с выхода вычитающего устройства. Если это напряжение больше опорного, на выходе компаратора формируется низкий уровень напряжения, который разрешает работу счетчика DD2.1 и запрещает прохождение сигнала с выхода генератора через элемент DD1.3. При разряде одного из аккумуляторов батареи ниже допустимого уровня напряжение на инвертирующем входе компаратора оказывается меньше опорного. При этом на выходе компаратора образуется высокий уровень напряжения, который запрещает работу счетчика. Одновременно загорается светодиод HL1, а прямоугольные импульсы частотой 80Q Гц проходят с генератора на выход элемента DD.1.3. После ослабления делителем R9R10 через цепочку R11C5 они поступают на выход устройства Г, откуда могут быть поданы на вход отдельного усилителя звуковой частоты или усилителя того радиоаппарата, который питается от аккумуляторной батареи, для звуковой индикации разряда одного из аккумуляторов.

При остановке счетчика код на его выходах соответствует номеру аккумулятора, разрядившегося ранее остальных. Устройство может быть дополнено схемой индикатора, показанной на рис. 3. Адресные входы АО, А1 и А2 коммутатора DD2 соединяются с одноименными адресными входами коммутаторов основного устройства

Инвертор DD1 необходим для получения на входе высокого уровня напряжения, запрещающего индикацию при неразряженной аккумуляторной батареи. В качестве этого инвертора можно использовать один свободный элемент 2И-НЕ микросхемы DD1 основного устройства. Может быть также использован для индикации дешифратор двоичного кода, рассчитанный на подключение к семи-сегментному индикатору. Вход инвертора Д подклю-. чается к выходу компаратора.

, При меньшем, количестве аккумуляторов в батарее объединяют входы коммутаторов DD3 и DD4. Так, например, при шести аккумуляторах необходимо соединить между собой выводы 13 и 14, а также выводы 2 и 4 каждого коммутатора. Тогда измерения, напряжений первого и шестого аккумуляторов будут происходить в течение двух тактов работы счетчика.

Налаживание устройства при правильном монтаже сводится к установке опорного напряжения, для чего необходимы цифровой вольтметр и омметр. Эту операцию проводят на макетной плате до монтажа элементов источника опорного напряжения. Схема установки тёрмо-стабильной точки полевого транзистора показана на рис. 4. Нагрев полевого транзистора производят кратковременным касанием его корпуса жалом паяльника. Находят такое сопротивление переменного резистора, при котором нагрев транзистора не вызывает изменений показаний вольтметра. Эти показания должны превышать опорное напряжение, что соответствует правильному выбору полевого транзистора. Измерив омметром полученное сопротивление, а также зная показания вольтметра, производят подбор резисторов R4 и R7 таким образом, чтобы их суммарное сопротивление равнялось найденному значению, а напряжение на R4 составляло 1 В для щелочных или 1,8 В для кислотных аккумуляторов.

В устройстве вместо указанных на схеме можно использовать аналогичные микросхемы серии К561. Так как в справочной литературе отсутствуют режимы полевых транзисторов в термостабильной точке, нужно ориентироваться на транзисторы с начальным током стока в пределах . 5... 10 мА. Этому требованию удовлетворяют транзисторы КП302А, КПЗОЗД, КПЗОЗЕ. Резисторы R2, R3, R5 и R6 — типа С2-23 или С2-29 с допуском 1%. Остальные резисторы — типа МЛТ с допуском 10%. Конденсаторы — любого типа.

Устройство собрано на плате из стеклотекстолита.