Exploración de circuitos simples de cargadores de baterías de Ni-Cd

La publicación analiza un circuito de cargador de NiCd simple con una protección de sobrecarga automática y una carga de corriente constante.

Cuando se trata de cargar correctamente una celda de níquel-cadmio, se recomienda estrictamente que el proceso de carga se detenga o corte tan pronto como alcance el nivel de carga completo. No seguir esto puede afectar negativamente la vida útil de la celda, reduciendo significativamente su eficiencia de respaldo.

El circuito de cargador de Ni-Cad simple que se presenta a continuación aborda de manera efectiva el criterio de sobrecarga al incluir instalaciones como una carga de corriente constante y cortar el suministro cuando el terminal de la celda alcanza el valor de carga completo.

Principales características y ventajas

• Corte automático a nivel de carga completo
• Corriente constante durante toda la carga.
• Indicación LED para corte de carga completa.
• Permite al usuario agregar más etapas para cargar hasta 10 celdas de NiCd simultáneamente.

Diagrama de circuito

Cómo funciona

La configuración simple que se detalla aquí está diseñada para cargar una sola celda 'AA' de 500 mAh con la tasa de carga recomendada de cerca de 50 mA; no obstante, podría personalizarse convenientemente de manera económica para cargar varias celdas juntas repitiendo el área que se muestra en líneas de puntos.

El voltaje de suministro para el circuito se adquiere de un transformador, puente rectificador y regulador de CI de 5 V.

La celda se carga con un transistor T1 que se configura como una fuente de corriente constante.

T1, por otro lado, está controlado por un comparador de voltaje que utiliza un disparador TTL Schmitt N1. Durante el tiempo que la celda se carga, el voltaje terminal de la celda se mantiene alrededor de 1,25 V.

Este nivel parece ser más bajo que el umbral de disparo positivo de N1, que mantiene alta la salida de N1, y la salida de N2 se vuelve baja, lo que permite a T1 obtener el voltaje de polarización base a través del divisor de potencial R4 / R5.

Mientras se cargue la celda de Ni-Cd, el LED D1 permanece iluminado. Tan pronto como la celda se acerca al estado de carga completa, su voltaje terminal sube a aproximadamente 1,45 V. Debido a esto, el umbral de disparo positivo de N1 aumenta, lo que hace que la salida de N2 sea alta.

Esta situación apaga instantáneamente T1. La celda ahora deja de cargar y también el LED D1 se apaga.

Dado que el límite de activación positivo de N1 es de aproximadamente 1,7 V y está controlado por una tolerancia específica, se incorporan R3 y P1 para modificarlo a 1,45 V. El límite de activación negativo del disparador Schmitt es de alrededor de 0,9 V, que resulta ser menor que el voltaje terminal de incluso una celda completamente descargada.

Esto implica que conectar una celda descargada en el circuito nunca activará la carga para que se inicie automáticamente. Por esta razón se incluye un botón de inicio S1 que, cuando se presiona, toma la entrada de NI bajo.

Para cargar más celdas, la parte del circuito revelada en el cuadro punteado puede repetirse por separado, una para cada batería.

Esto asegura que, independientemente de los niveles de descarga de las celdas, cada una de ellas se cargue individualmente al nivel correcto.

Diseño de PCB y superposición de componentes

En el diseño de PCB a continuación, se duplican dos etapas para permitir que dos celdas Nicad se carguen simultáneamente desde una configuración de placa única.

Cargador Ni-Cad usando una resistencia

Este cargador simple en particular podría construirse con piezas que podrían verse en casi cualquier contenedor de basura de cualquier constructor. Para una vida óptima (número de ciclos de carga), las baterías de Ni-Cad deben cargarse con una corriente relativamente constante.

Esto a menudo se logra con bastante facilidad al cargar a través de una resistencia de un voltaje de suministro muchas veces mayor que el voltaje de la batería. El cambio en el voltaje de la batería a medida que se carga probablemente tendrá una influencia mínima en la corriente de carga. El circuito propuesto está compuesto solo por un transformador, un rectificador de diodo y una resistencia en serie como se indica en la figura 1.

La imagen gráfica asociada facilita la determinación del valor de resistencia en serie necesario.

Se traza una línea horizontal a través del voltaje del transformador en el eje vertical hasta que cruza la línea de voltaje de la batería especificada. Luego, una línea tirada verticalmente hacia abajo desde este punto para encontrarse con el eje horizontal posteriormente nos proporciona el valor de resistencia necesario en ohmios.

Por ejemplo, la línea de puntos demuestra que si el voltaje del transformador es de 18 V y la batería de Ni-Cd que se va a cargar es de 6 V, entonces el valor de resistencia será de alrededor de 36 ohmios para el control de corriente previsto.

Esta resistencia indicada se calcula para entregar 120 mA, mientras que para algunas otras tasas de corriente de carga, el valor de la resistencia deberá reducirse adecuadamente, p. Ej. 18 ohmios para 240 mA, 72 ohmios para 60 mA, etc. D1.

Circuito del cargador de NiCad con control automático de corriente

Las baterías de níquel-cadmio generalmente requieren una carga de corriente constante. El circuito del cargador de NiCad que se muestra a continuación está desarrollado para suministrar 50 mA a cuatro celdas de 1,25 V (tipo AA) o 250 mA a cuatro celdas de 1,25 V (tipo C) conectadas en serie, aunque simplemente podría modificarse para varios otros valores de carga.

En el circuito del cargador de NiCad discutido, R1 y R2 fijan el voltaje de salida sin carga a aproximadamente 8V.

La corriente de salida viaja por medio de R6 o R7 y, a medida que aumenta, el transistor Tr1 se enciende gradualmente.

Esto causa punto Y para aumentar, activando el transistor Tr2 y permitiendo que el punto Z se vuelva menos positivo.

En consecuencia, el proceso disminuye la tensión de salida y tiende a reducir la corriente. Finalmente, se alcanza un nivel de equilibrio que está determinado por el valor de R6 y R7.

El diodo D5 inhibe la batería que se está cargando, proporcionando suministro a la salida del IC1 en caso de que se retiren los 12 V, lo que de otro modo podría causar daños graves al IC.

FS2 está incorporado para proteger contra daños a las baterías que están cargadas.

La elección de R6 y R7 se realiza mediante prueba y error, lo que significa que necesitará un amperímetro que tenga un rango adecuado o, si los valores de R6 y R7 se conocen realmente, entonces la caída de voltaje entre ellos podría calcularse mediante la Ley de Ohm.

Cargador de Ni-Cd con un solo amplificador operacional

Este circuito de cargador de Ni-Cd está diseñado para cargar baterías NiCad de tamaño AA estándar. Se recomienda principalmente un cargador especial para las celdas de NiCad debido a que poseen una resistencia interna extremadamente baja, lo que da como resultado una mayor corriente de carga incluso si el voltaje utilizado es solo un poco más alto.

Por lo tanto, el cargador debe incluir un circuito para restringir la corriente de carga a un límite correcto. En este circuito, T1, D1, D2 y C1 funcionan como un circuito tradicional de reducción, aislamiento, rectificador de onda completa y filtrado de CC. Las piezas adicionales ofrecen la normativa vigente.

IC1 se emplea como un comparador con una etapa de búfer Q1 separada que proporciona una funcionalidad de corriente de salida muy alta en este diseño. La entrada no inversora de IC1 se suministra con 0,65 V: voltaje de referencia presentado a través de R1 y D3. La entrada inversora está conectada a tierra a través de R2 dentro de los niveles de corriente en reposo, lo que permite que la salida se vuelva completamente positiva. Al tener una celda de NiCad conectada a través de la salida, una corriente alta puede hacer un esfuerzo a través de R2, provocando que se desarrolle una cantidad equivalente de voltaje a través de R2.

Podría simplemente aumentar a 0,6 V, sin embargo, un voltaje creciente en este punto invierte los potenciales de entrada de las entradas IC1, lo que hace que el voltaje de salida se reduzca y reduzca el voltaje alrededor de R2 de 0,65 V.La corriente de salida más alta (y también la corriente de carga recibida) es como resultado la corriente generada con 0,65 V a través de 10 ohmios, o 65 mA en pocas palabras.

La mayoría de las pilas AA NiCad poseen una corriente de carga óptima preferida de no más de 45 o 50 mA, y para esta categoría, R2 debe aumentarse a 13 ohmios para que pueda tener la corriente de carga adecuada.

Algunas variedades de cargadores rápidos pueden funcionar con 150 mA, y esto exige reducir R2 a 4,3 ohmios (3,3 ohmios más 1 ohmio en serie en caso de que no se pueda adquirir una pieza ideal).

Además, T1 debe mejorarse a una variante con una clasificación de corriente de 250 mA, y Q1 debe instalarse utilizando un pequeño disipador de calor con aletas atornilladas. El dispositivo puede cargar fácilmente hasta cuatro celdas (6 celdas cuando T1 se actualiza a un tipo de 12 V), y todas estas deben conectarse en serie sobre la salida y no en paralelo.

Circuito cargador universal de NiCad

La Figura 1 muestra el diagrama de circuito completo del cargador de NiCad universal. Se desarrolla una fuente de corriente utilizando los transistores T1, T2 y T3, que ofrecen una corriente de carga constante.

La fuente de corriente se activa solo cuando las celdas de NiCad están conectadas de la manera correcta. ICI está posicionado para verificar la red verificando la polaridad del voltaje en los terminales de salida. Si las celdas están montadas correctamente, el pin 2 de IC1 no puede volverse tan positivo como en el pin 3.

Como resultado, la salida IC1 se vuelve positiva y envía una corriente de base a T2, que enciende la fuente de corriente. El límite de la fuente actual se puede arreglar usando S1. Se puede preestablecer una corriente de 50 mA, 180 mA y 400 mA una vez que se determinan los valores de R6, R7 y RB. Poner S1 en el punto 1 muestra que las celdas de NiCad se pueden cargar, la posición 2 está destinada a las celdas C y la posición 3 está reservada para las celdas D.

Partes varias

TR1 = transformador 2 x 12 V / 0,5 A
S1 = interruptor de 3 posiciones
S2 = interruptor de 2 posiciones

La fuente actual funciona con un principio muy básico. El circuito está cableado como una red de retroalimentación de corriente. Imagine que S1 está en la posición 1 y la salida de IC1 es positiva. T2 y 13 ahora comienzan a recibir una corriente base e inician la conducción. La corriente a través de estos transistores constituye un voltaje alrededor de R6, que activa T1 en funcionamiento.

Una corriente creciente alrededor de R6 significa que T1 puede conducir con mayor fuerza, minimizando así la corriente de excitación de base para los transistores T2 y T3.

En este punto, el segundo transistor puede conducir menos y el aumento de corriente inicial está restringido. De este modo se implementa una corriente razonablemente constante por medio de R3 y las celdas de NiCad conectadas.

Un par de LED conectados a la fuente de corriente indican el estado operativo del cargador de NiCad en cualquier momento. IC1 obtiene un voltaje positivo una vez que las celdas de NiCad están conectadas de la manera correcta iluminando el LED D8.

Si las celdas no están conectadas con la polaridad correcta, el potencial positivo en el pin 2 de IC1 será mayor que el pin 3, haciendo que la salida del comparador del amplificador operacional se convierta en 0 V.

En esta situación, la fuente de corriente permanecerá apagada y el LED D8 no se iluminará. Puede ocurrir una condición idéntica en caso de que no haya celdas conectadas para cargar. Esto puede suceder porque el pin 2 poseerá un voltaje mayor en comparación con el pin 3, debido a la caída de voltaje en D10.

El cargador solo se activará cuando se conecte una celda que comprenda un mínimo de 1 V. El LED D9 muestra que la fuente de corriente está funcionando como una fuente de corriente.

Esto puede parecer bastante peculiar, sin embargo, una corriente de entrada generada por IC1 simplemente no es adecuada, el nivel de voltaje también debe ser lo suficientemente grande como para reforzar la corriente.

Esto implica que el suministro siempre debe ser mayor que el voltaje en las celdas de NiCad. Solo en esta situación, la diferencia de potencial será suficiente para que se active la realimentación de corriente T1, iluminando el LED D9.

Diseño de PCB

Utilizando IC 7805

El diagrama de circuito a continuación demuestra un circuito de carga ideal para una celda ni-cad.

Esto emplea un 7805 regulador IC para entregar una constante de 5 V a través de una resistencia, lo que hace que la corriente dependa del valor de la resistencia, en lugar del potencial de la celda.

El valor de la resistencia debe ajustarse con respecto al tipo que se usa para cargar, cualquier valor entre 10 Ohm y 470 Ohm podría usarse dependiendo de la clasificación de mAh de la celda. Debido a la naturaleza flotante del IC 7805 con respecto al potencial de tierra, este diseño podría aplicarse para cargar celdas Nicad individuales o series de unas pocas celdas.

Carga de la celda de Ni-Cd desde un suministro de 12V

El principio más fundamental para un cargador de batería es que su voltaje de carga debe ser mayor que el voltaje nominal de la batería. Por ejemplo, una batería de 12 V debe cargarse desde una fuente de 14 V.

En este circuito cargador de 12V Ni-Cd, se utiliza un duplicador de voltaje basado en el popular 555 IC. Debido a que la salida 3 del chip está conectada alternativamente entre la tensión de alimentación de +12 V y la tierra, el IC oscila.

C₃se carga a través de D₂y D₃a casi 12 V cuando el pin 3 es un nivel lógico bajo. El momento del pin 3 es lógicamente alto, el voltaje de unión de C₃y D₃aumenta a 24 V debido al terminal negativo de C₃que está enchufado a +12 V, y el propio condensador tiene una carga del mismo valor. Entonces, diodo D₃se vuelve sesgado inverso, pero D₄realiza lo suficiente para C₄para cargarse a más de 20 V. Este voltaje es más que suficiente para nuestro circuito.

El 78L05 en el IC₂posiciones actúa como un proveedor de corriente que mantiene su voltaje de salida, U_norte, de aparecer en R₃a 5 V. La corriente de salida, I_norte, se puede calcular simplemente a partir de la ecuación:

Iη = Uη / R3 = 5/680 = 7,4 mA

Las propiedades del 78L05 incluyen el consumo de corriente en sí, ya que el terminal central (generalmente conectado a tierra) proporciona al nuestro alrededor de 3 mA.

La corriente de carga total es de aproximadamente 10 mA y ese es un buen valor para cargar constantemente baterías de NiCd. Para mostrar que la corriente de carga está fluyendo, se incluye un LED en el circuito.

Gráfico de corriente de carga

La figura 2 muestra las propiedades de la corriente de carga frente al voltaje de la batería. Es bastante evidente que el circuito no es del todo perfecto ya que la batería de 12 V se cargará con una corriente que mide solo alrededor de 5 mA. Algunas razones para esto:

• El voltaje de salida del circuito parece caer con la corriente creciente.
• La caída de voltaje en el 78L05 es de alrededor de 5 V. Pero se deben incluir 2,5 V adicionales para garantizar que el IC funcione con precisión.
• A través del LED, lo más probable es que haya una caída de voltaje de 1,5 V.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, una batería de NiCd de 12 V con una capacidad nominal de 500 mAh podría cargarse ininterrumpidamente utilizando una corriente de 5 mA. En total, es solo el 1% de su capacidad.