Многоканальное универсальное ЗУ для ускоренного заряда АКБ

Предлагаю схему многоканального автоматического зарядного устройства для заряда аккумуляторных батарей, применяемых в широком ряде устройств (в частности мобильных телефонов), фиксированным током до предустановленного напряжения.

На мой взгляд мне удалось реализовать самое простое решение для подобного устройства с минимумом деталей и на широко доступных радиоэлементах (меньше деталей возможно только при использовании PIC-контроллера, но такой вариант имеет свой ряд ограничений, таких как масштабируемость устройства для бОльшего количества АКБ и их различий) .

Устройство будет полезным там, где нужно быстро заряжать много аккумуляторов (магазины, ремонтные мастерские).

Ток заряда можно менять в диапазоне до 2ампер (определяется граничным током ИМС LM317). Рекомендуемый ток заряда для Li-Ion типов батарей на 4.2V(3.7) 500мА (определяется номинальной емкостью аккумуляторной батареи, например для емкости в 500мАч, ток заряда должен быть не более 500мА.

Для Ni-Cd, NiMH аккумуляторов ток заряда должен быть не более 10% от емкости и кроме того желательно его постепенное уменьшение по мере заряда (особенно у старых Ni-Cd аккумуляторов), не соблюдение этого условия может привести быстрой потере ёмкости АКБ, поэтому заряд этих аккумуляторов данным устройством не желателен и должен носить однократный характер (при отсутствии штатного ЗУ).


Схема устройства:

Схема условно разделена на функциональные блоки:

• Выпрямитель
• Опора (формирователь опорных напряжений)
• Таймер Заряд-Контроль (обеспечивает попеременное переключение зарядного устройства из режима заряда в режим измерения напряжения на АКБ)
• Модули заряда и контроля напряжения АКБ (определяют ток заряда и формируют импульсы стадии зарядки АКБ)
• Триггер остановки заряда (приостанавливает процесс заряда при достижении заданного напряжения на аккумуляторной батарее, при понижении напряжения заряд автоматически возобновляется)

Работа:
Для сигнализации состояния заряда служит светодиод D10.
Его свечение имеет несколько состояний:

• Мигание с полным угасанием в моменты контроля напряжения АКБ - нет АКБ, глубокий разряд или переполюсовка 
• Мигание с частичным угасанием (изменение яркости) - идет заряд
• Постоянное свечение - зарядка завершена

После полного заряда последние два режима чередуются по мере разряда АКБ на сопротивление R13.
Для более точной оценки можно добавить цифровой вольтметр и коммутирующие кнопки.

Устройство:
Типичные эпюры напряжений:

Переменное напряжение порядка 8...9 вольт* (без нагрузки) снимается со вторичной обмотки трансформатора ТР1, после чего выпрямляется диодным мостом D1-D4 и сглаживается конденсатором С1.
Это напряжение служит для питания всех микросхем устройства и не должно превышать 15 вольт без нагрузки.
Модуль заряда и контроля АКБ работает следующим образом.
Микросхема DA4 LM317 включена в режиме стабилизации тока, единственное отличие от классической схемы состоит в добавлении резистора R9 в цепь обратной связи, что позволило управлять ИМС малыми токами.
Управление заключается в том, что при подаче на управляющий вход DA4 напряжения близкого к нулевому, ИМС почти полностью закрывается и на выходе остается около 1.9 вольта (1.25 - стандартное минимальное напряжение плюс падение на одном или обоих диодах D6, D7) которое полностью сводится к нулевому на контактах АКБ1-АКБ4 при глубоком их разряде, из-за падения на защитном диоде D5 и сопротивлении R8 при протекании выбранного тока (500mA). Другими словами ток заряда АКБ не превышает установленного даже если АКБ разряжена до 0.
В свете вышесказанного при заряде аккумуляторов на 1.3 вольта есть одна особенность - диоды D6, D7 следует выбирать с малым падением напряжения в открытом состоянии, а диод D5 составить из двух последовательно включенных, что бы во время прекращения заряда ток через АКБ полностью прекратился (падение на микросхеме 1.25V плюс падение на одном из диодов 0.6...0.7V должно быть меньше чем напряжение на заряженной АКБ (1.3V) плюс падение на диоде D5).
На микросхеме DA5 собран компаратор, который сравнивает напряжение на контактах АКБ с опорным (4.2V и 1.3...1.4V). Особенность его работы заключается в том, что если хоть при каких условиях на АКБ напряжение не превышает установленное опорное, то на выходе формируется высокий уровень напряжения, и не важно когда это происходит, во время замера или в режиме заряда, на дальнейшую работу схемы это влияния не оказывает. Но когда батарея близка к полному заряду, напряжение на ней во время зарядки может превышать установленное опорное, в этом случае на 9 выходе DA5 положительные импульсы будут появляться только во время режима измерения.
Таймер Заряд-Контроль.
Для чередования режимов измерения и заряда служит таймер DA2 включенный в режиме автогенератора. Кондесатор C2 заряжается через резисторы R1, R2 и разряжается через R2.
Период следования импульсов при выбранных номиналах составляет приблизительно 0.1Гц и принципиального значения не имеет, единственное ан что нужно обращать внимание, это что-бы длительность режима измерения была достаточной для нормализации напряжения на АКБ током разряда через сопротивление R13, что впрочем тоже не окажет существенного влияния на работу схемы, так как при первом же случае превышения напряжения на АКБ выше опорного, эти паузы измерения будут увеличиваться из-за включившегося в работу триггера DA3.
Короткие отрицательные импульсы с 3 выхода DA2 через диод D6 закрывают микросхему DA4 и ток через АКБ прекращается (включается режим измерения). Положительные импульсы на работу DA4 не влияют.
На транзисторе VT1 собран инвертор импульсов DA2 для сброса триггера DA3 в нулевое состояние синхронно с началом каждого измерения.
Триггер остановки заряда.
Собран на логической ИМС DA3. Особенность его работы в том, что он сохраняет состояние своих выходов исходя из того, на каком из входов управления был последним высокий логический уровень.
Одновременное присутствие высоких уровней на входах (сброса R и установки S) состояния триггера не меняет, но на выходе транслируется логическая "1", которая не влияет на работу модуля заряда и контроля (ИМС DA4).
Высокий логический уровень на входе сброса R может сбросить выход Q триггера в "0" во время режима измерения (если в это время на входе S не будет присутствовать высокий уровень напряжения), который через диод D7 закроет микросхему DA4 и заряд прекратится.
Но пока батарея не заряжена до предустановленного напряжения, импульсы высокого уровня будут продолжать поступать с выхода микросхемы DA5 через цепь задержки D8, C7, R11 на S вход DA3 одновременно с импульсами сброса и заряд прекращаться не будет.
Цепочка D8, C7, R11 введена для того, что бы задержать высокий уровень на S входе DA3 после прекращения действия импульса сброса, иначе высокие уровни прекратятся одновременно и триггер будет установлен случайным образом.
Когда АКБ будет заряжено положительные импульсы перестанут поступать на S вход DA3 на выходе Q установится низкий уровень напряжения и заряд прекратится пока напряжение на АКБ снова не снизится ниже опорного, тогда заряд возобновится.
Опора.
Служит для формирования опорных напряжений, она выполнена на стабилизаторе DA1 на выходе которого получается стабилизированное напряжение 5 вольт (можно выбрать и 6 вольтный стабилизатор, даже стабилитрон если это экономически целесообразно).
Значения сопротивлений делителя R5, R6, R7 определяют конечные напряжения опоры.
Возможно у вас найдутся причины выбрать несколько иные напряжения, поэтому выбирайте их самостоятельно.
Микросхемы DA4 следует установить на теплоотвод.

Обратите внимание, что хоть зарядное устройство защищено от неправильного подключения АКБ (переполюсовки), то само АКБ нет, и в случае неправильного подключения может вывести АКБ из строя.
Исключить такой вариант тоже было бы возможным, но это приведет значительному усложнению схемы, так что следите за правильностью подключения самостоятельно.

* можно использовать и бОльшее напряжение до 12 вольт, но в этом случае возрастут тепловые потери от падения напряжения на DA4

При копировании материала наличие обратной ссылки обязательно.

Мой вариант печатной платы устройства:

Устройство в сборе: