Vybíječ NiMH / NiCd akumulátorů

Publikováno v časopise Praktická elektronika A Radio, č. 5/2007

Snad v každé dnešní domácnosti lze nalézt množství NiMH a NiCd akumulátorů velikosti AA i AAA různých kvalit i stáří. Tato jednoduchá konstrukce umožňuje po připojení hodin orientačně změřit jejich kapacity. Následně lze stanovit hranici použitelnosti akumulátoru, slabé jedince vyřadit a lepší spárovat podle podobných výsledků.

Zařízení mimo jiné také akumulátory vybije na přesně stanovené napětí. Tuto funkci v sobě integruje řada novějších nabíječek, rozšířené jsou však stále především levnější, a tedy jednodušší nabíječky. Ty vybíjení neumožňují nebo vybíjí blok dvou či čtyř článků naráz, což je pro "šuplíkově promíchané" akumulátory zcela nevyhovující.

Popis funkce

Napětí z AA/AAA článku je přiváděno k neinvertujícímu vstupu komparátoru IC1, kde se porovnává s referencí. Tu je možné pomocí trimru R6 nastavit přibližně v rozsahu 0,6 až 1,3V. Je-li na akumulátoru vyšší napětí než na referenci, je na vstupu nastavení R-S klopného obvodu IC3A vysoká úroveň. Po stisknutí tlačítka S1 přejde vstup nulování na nízkou úroveň. Klopný obvod R-S se překlopí a na výstupu /Q se objeví log. 1, tedy napětí blízké napájecímu. To sníží odpor R_ds tranzistoru Q1 a zahájí tak vybíjení akumulátoru. Po poklesu napětí pod referenční úroveň dojde k překlopení komparátoru, na vstupu nastavení IC3A se objeví nízká úroveň a klopný obvod odpojí vybíjení.

Rezistor R12 slouží jako pull-up a je nezbytný, protože komparátor IC1 má výstup s otevřeným kolektorem. Dolní propust R14 C5 potlačuje nežádoucí impulsy, které mohou vypnout vybíjení akumulátoru. Bez ní by zapojení bylo náchylné k impulsnímu rušení z okolí.

Tranzistor Q1 typu N-MOSFET slouží jako vybíjecí odpor nastavitelný napětím do gate. Napětí lze měnit pomocí přepínače S2 mezi hodnotami nastavenými na trimrech R7 a R8. Dva různé vybíjecí proudy je vhodné přepínat pro články typu AA a AAA. Maximální vybíjecí proud cca 1A je dán rezistorem R13, který také slouží ke snížení závislosti proudu tranzistorem na teplotě. Ve struktuře tranzistoru je zabudována dioda, která chrání zařízení při vložení akumulátoru obráceně (s otočenou polaritou).

Na výstupu /Q klopného obvodu IC3A je dále připojen jednoduchý stabilizátor napětí cca 1,3V pro napájení hodin, které slouží ke změření času vybíjení akumulátoru. Lze použít libovolné quartzové hodiny původně napájené 1,5V článkem. Před zahájením měření je tedy nutné si poznamenat údaj na ciferníku nebo lépe nastavit na půlnoc. Po ukončení vybíjení se hodiny automaticky odpojí od napájení a údaj na nich bude úměrný kapacitě vybíjeného akumulátoru.

Na výstupu Q klopného obvodu jsou připojeny dvě LED diody, červená indikuje probíhající vybíjení (hodiny běží), zelená klidový stav (hodiny jsou zastaveny). Použitý obvod řady 74HC má maximální povolený výstupní proud 4mA, je proto nutné využít nízkopříkonové LED. Při využití obvodu modernější řady 74AC, která má výstupní proud až 20mA, by bylo možné i použití obyčejných LED diod.

Obvod IC2 slouží ke stabilizaci napájecího napětí a je v klasickém zapojení. Dioda D3 chrání před nechtěným připojením napájení opačné polarity.

Oživení a mechanické provedení

Pro zařízení byla zvolena kombinovaná technika montáže klasických a SMD součástek. V osazovacím plánku nejsou zakresleny držáky článků. Jejich umístění zvolíme dle rozměrů dostupných držáků. K plošnému spoji také připevníme hodiny. Plošný spoj je buď možné zamontovat do vhodné krabičky nebo k němu pouze zespodu připevnit samolepící nožičky. Toto řešení je jednoduché, rychlé a výsledek vypadá velmi dobře.

Při pečlivém osazení by měl vybíječ fungovat na první zapojení. Po připojení napájecího napětí (vhodný je libovolný zdroj se stejnosměrným výstupním napětím cca 10-15V, např. MW0903GS) se rozsvítí zelená LED.

Nejdříve je třeba nastavit vypínací úroveň vybíječe. Voltmetrem měříme napětí na neinvertujícím vstupu komparátoru proti zemi a trimrem R6 nastavíme požadovanou hodnotu (cca 0,8V). Dále nastavíme vybíjecí proudy. Akumulátor nepřipojujeme přes ampérmetr (vnitřní odpor většiny běžných přístrojů není zanedbatelný), místo toho využijeme úbytek napětí na rezistoru R13. Pro vybíjecí proud pak platí Ohmův zákon, pro použitou hodnotu R13 tedy odpovídá vybíjecí proud v ampérech napětí na rezistoru ve voltech.

Zkontrolujeme, že jsou trimry R7 a R8 nastaveny na nulový proud (běžce směrem k R10) a tlačítkem S1 zapneme vybíjení. Pomalým otáčením trimrem R7 nebo R8 (dle polohy přepínače S2) nastavíme požadované hodnoty proudu (např. 0,5A pro AA a 0,2A pro AAA).

Seznam součástek

C1,C2,C3,C5     100nF SMD1206
C4              100uF/16V
D1,D2           1N4148 SMD MINIMELF
D3              1N4007 SMD MELF
IC1             LM311
IC2             78L06
IC3             74HC74
LED1            červená LED 2mA
LED2            zelená LED 2mA
Q1              IRF540
R1              3k3 SMD1206
R2              390ohm SMD1206
R3,R5           1k5 SMD1206
R4,R9,R11       2k2 SMD1206
R10             22k SMD1206
R12,R14         10k SMD1206
R13             1ohm / 2W
R6              trimr PT10V 500
R7,R8           trimr PT10V 50k
J1              K375A
S1              tlačítko DT6
S2              přepínač, např. P-SS22F12
                chladič V71102
                4ks nožiček GF7
                držák na AA (např. 2x BCL-PC)
                držák na AAA (např. 2x BCL-PC AAA)

Závěr

Popsané zařízení se může stát vhodným doplňkem jednodušší nabíječky k zjištění stavu akumulátorů a srovnání na stejnou úroveň vybití. Použity jsou běžné součástky s cenou přibližně 180Kč (GME).