Как заряжать Ni-Cd аккумуляторы, зарядные устройства, параметры

Сегодня Ni─Cd аккумуляторы используются в большинстве портативных инструментов и различных электронных устройствах (фотоаппараты, плееры и т. п.). Правда, в последнее время наблюдается тенденция замещения их литий─ионными аккумуляторами. Для того чтобы аккумулятор вашей аппаратуры служил долго, никель─кадмиевые батареи нужно правильно эксплуатировать, вовремя и своевременно заряжать и время от времени проводить циклы разряда-заряда. Тогда Ni─Cd аккумулятор будет служить вам долго. Сегодня мы поговорим о том, как заряжать никель─кадмиевые аккумуляторы по всем правилам.

Разновидности зарядных устройств для никель─кадмиевых аккумуляторов

Сегодня на рынке можно выделить две основные группы устройств, предназначенных для заряда никель кадмиевых аккумуляторов:

Автоматические ЗУ;
Реверсивные импульсные ЗУ.

Автоматические зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторных батарей. Это простые и доступные по цене устройства. Они менее сложные и выпускаются в конструкции, которая позволяет заряжать по два или 4 батарейки одновременно. Чтобы запустить заряд никель кадмиевых аккумуляторов, вставьте в батарейки в зарядное устройство. Переключателем ЗУ нужно установить количество заряжаемых батареек и подключить устройство к сети.

Как правило, автоматическое зарядное устройство для никель─кадмиевых аккумуляторов имеет следующую цветовую индикацию. Красный цвет индикатора показывает, что идёт процесс заряда батареек. Чтобы сделать разряд аккумуляторов, на устройстве имеется переключатель «разряд». В процессе разряда индикатор будет иметь жёлтый цвет. После того, как пройдёт разряд, зарядное устройство для Ni─Cd аккумуляторов само запустит зарядку. Зелёный цвет индикатора говорит о том, что цикл разряд-заряд закончен.

В данном случае речь идёт о заряде никель─кадмиевых батареек по отдельности. Если это аккумуляторы для шуруповёрта или другого электроинструмента, то с ними в комплекте идёт штатное зарядное устройство, которое позволяет заряжать всю батарею сразу от бытовой электросети.

Реверсивное импульсное ЗУ. Эти устройства более сложные и стоят дороже, чем модели первого типа. Обычно производители позиционируют их как профессиональные. Такое зарядное устройство для Ni─Cd аккумуляторов циклически проводит разряд-заряд с разным временным интервалом.

Устанавливается аккумулятор, выставляется режим и запускается работа. Индикатор даст сигнал об окончании зарядки. С помощью таких ЗУ можно не только выполнять заряд никель─кадмиевых аккумуляторов, но и поддерживать их в рабочем состоянии. В качестве примера можно привести широко распространённое универсальное зарядное устройство .

Никель─кадмиевые АКБ менее требовательны к характеристикам зарядного устройства, чем . Но экономить на нём нельзя, поскольку дешевые устройства сокращают срок эксплуатации батарей. Теперь, давайте, разберёмся, как зарядить никель кадмиевый аккумулятор.

Процесс разряда и заряда Ni─Cd аккумуляторов

Процесс разряда никель─кадмиевых батарей

Для этого типа батарей (как впрочем, и для других) разрядные характеристики зависят от особенностей аккумуляторов, которые определяют его внутреннее сопротивление. Среди таких особенностей можно отметить структуру и толщину электродов. На разрядные характеристики влияют:

толщина сепаратора и его структура;
плотность сборки;
объём электролита;
некоторые характеристики конструкции.

При работе в условиях продолжительного разряда используются дисковые батарейки с прессованными электродами большой толщины. Для них разрядная кривая показывает постоянное медленное снижение напряжения до величины 1,1 вольта. Разрядная ёмкость в случае дальнейшего разряда до 1 вольта равна от 5 до 10 процентов от номинального значения. Особенностью этого типа батарей является существенно падение разрядной ёмкости и напряжения при увеличении тока до 0,2*С. Объяснение этому достаточно простое ─ невозможность разряда активной массы равномерно по всей электрода.

Если уменьшить толщину электродов и увеличить их количество до четырёх, то ток разряда для дискового аккумулятора может быть увеличен до величины 0,6*С.

Аккумуляторные батареи с электродами из металлокерамики имеют малое внутреннее сопротивление и высокие энергетические характеристики. На их разрядных характеристиках заметно меньшее падение напряжения. У этого типа аккумуляторов величина напряжения держится выше 1,2 вольта до отдачи 0,9 от номинальной ёмкости. При дальнейшем разряде и падении напряжения с 1,1 до 1 вольта отдаётся около 3 процентов номинальной ёмкости. Допускается разряжать этот тип аккумуляторов разрядными токами величиной до 3─5*С.

Ni─Cd аккумуляторы цилиндрической формы можно разряжать более высокими токами. В них используются рулонные электроды, что позволяет разряжать их максимальным током 7─10*С.

На изображениях ниже можно видеть влияние тока разряда и температуры на значение разрядной ёмкости.

Наибольшее значение ёмкости достигается при температуре 20 градусов Цельсия. Ёмкость практически не снижается, если увеличивать температуру. А вот при температуре ОС ниже ноля значение разрядной ёмкости падает пропорционально увеличению разрядного тока. Уменьшение ёмкости при низких температурах объясняется уменьшением разрядного напряжения из-за увеличения сопротивления.

Увеличение сопротивления объясняется ограниченным объёмом электролита в герметичной батарейке. Состав и концентрация электролита сильно отражаются на характеристиках. От них напрямую зависит температура образования твёрдой фазы. Это могут кристаллогидраты, лёд, соли и т. п. При замёрзшем электролите разряд вообще отсутствует. Работоспособность Ni─Cd в большинстве случае ограничена температурой минус 20 градусов Цельсия. В некоторых случаях при корректировке состава электролита и его концентрации производители выпускают модели Ni─Cd батарей работоспособных при минус 40.

Процесс заряда никель─кадмиевых батарей

В процессе зарядки никель─кадмиевых аккумуляторов важным моментом является ограничение излишнего заряда. Это важный момент, поскольку при заряде никель─кадмиевых аккумуляторов внутри них растёт давление. В процессе зарядки выделяется кислород и постепенно снижается коэффициент использования тока. На графике ниже можно видеть зависимость разрядной ёмкости от скорости заряда. Данные приводятся для цилиндрических батарей.

Чтобы аккумулятор полностью зарядился, ему требуется сообщить до 160 процентов от номинальной ёмкости. Зарядка никель кадмиевых аккумуляторов должна вестись в интервале температур 0─40 С. Рекомендуемый интервал 10─30 С. При понижении температуры на отрицательном электроде снижается поглощение кислорода и растёт давление. В результате при сильном перезаряде из-за увеличения давления может открыться аварийный клапан. При увеличении температуры потенциал растёт и на положительном электроде очень рано выделяется кислород, что сокращает процесс зарядки в штатном режиме.

Если температура поддерживается стабильной, то на процесс заряда сильно влияет ток. Его увеличение вызывает рост скорости выделения кислорода. А скорость его поглощения при этом не меняется, поскольку зависит от особенностей конструкции аккумуляторной батареи. Влияние на газопоглощение оказывает компоновка, структура, толщина электродов, материал сепаратора, объем электролита.

В частности, чем плотность компоновки электродов больше и их толщина меньше, тем зарядка идёт с большей скоростью. Поэтому цилиндрические батареи заряжаются с большой скоростью. На кривых заряда можно заметить, что у таких моделей Ni─Cd аккумуляторов при токе 0,1─1С эффективность зарядки почти не меняется. Снижение тока заряда вызывает существенное уменьшение ёмкости, которую батарея отдаст при разряде.

Стандартный режим зарядки считается следующий. Никель─кадмиевый аккумулятор с напряжением 1 вольт заряжается примерно 14─16 часов током 0,1С. Детали процесса зарядки оговариваются производителями аккумуляторов. Они могут отличаться из-за особенностей конструкции или увеличенной закладки активной массы (это делается для наращивания ёмкости). Для Ni-Cd аккумуляторов может использоваться зарядка постоянным током в течение всего времени. А может использоваться схема ступенчатого или плавного снижения тока зарядки во время процесса. Это позволяет проводить длительную зарядку без риска повредить аккумулятор. При таких режимах ток зарядки на первой стадии может значительно превышать значение 0,1*С.

Часто есть необходимость в увеличении скорости зарядки. Производители решают эту проблему выпуском батарей, которые способны эффективно заряжаться большими токами. При этом используются различные системы контроля, охраняющие никель─кадмиевый аккумулятор от сильного перезаряда. Эти системы контроля могут содержать, как сами аккумуляторы, так и зарядное устройство для никель─кадмиевых аккумуляторов.

Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов рекомендуется выполнять зарядку постоянным током величиной 0,2 С в течение 6─7 часов. Также используется режим током 0,3 С в течение 3─4 часов. В последнем случае контроль по времени заряда обязателен. Если ведётся ускоренный заряд, то перезаряд должен составлять до 120─140 процентов от ёмкости и не более. В этом случае Ni─Cd аккумулятор набирает разрядную ёмкость не меньше номинальной. Для работы в ускоренных режимах производители даже предлагают аккумуляторы, которые могут заряжаться за один час. В таком режиме используются различные средства контроля за температурой и напряжением, чтобы никель─кадмиевые батарейки не деградировали в результате резкого роста давления.

Несложное компактное зарядное устройство для NiMH и NiCd аккумуляторов с дополнительными полезными функциями, такими как автоматическое отключение и контроль температуры.

USB порт есть почти во всех современных компьютерах и ноутбуках. Сила тока отдаваемым USB 2.0 может быть более 500 миллиампер, при напряжении 5 Вольт, то есть минимум 2,5 Ватт, а USB третьего поколения еще больше. Использование такого источника энергии очень удобно, так как многие зарядки для смартфонов/планшетов также идут с разъёмом юсб, да и компьютер часто находиться под рукой. Сегодня мы сделаем зарядку для пальчиковых (AA) и мизинчиков (AAA) NiMH/NiCd аккумуляторных батарей от USB порта. Промышленные ЗУ для аккумуляторов от USB можно пересчитать по пальцам и обычно они заряжают маленьких током, что значительно увеличивает время подзарядки. К тому же собрав простенькую схемку мы получаем прекрасное зарядное устройство со световой индикацией и температурных датчиком стоимость которого весьма мала 1-2$.

Наше зарядное устройство подзаряжает сразу два NiCd/NiMH аккумулятора током более 470 mA, что делает зарядку очень быстрой. Перезаряжаемые батареи могут нагреваться, что несомненно негативно будет влиять на них, уменьшится ёмкость, пиковая отдаваемая сила тока, время нормальной эксплуатации. Чтобы такого не было в схеме реализовано автоматические прекращение подачи энергии, как только температура аккумуляторов будет 33 и более градусов по Цельсию. За эту полезную функцию отвечает NTC термистор с сопротивлением 10 кОм, при нагреве его сопротивление уменьшается. Он вместе с постоянным резистором R4 образует делитель напряжения. Термистор обязательно должен быть в тесном контакте с аккумуляторами, чтобы хорошо воспринимать изменение температуры.

Главной деталью схемы является сдвоенный компаратор-микросхема LM393.

Аналоги, которыми можно заменить LM393: 1040СА1, 1401CA3, AN1393, AN6916.

При заряде транзистор греется, его нужно обязательно ставить на радиатор. Вместо TIP32 возможно взять почти любой PNP структуры со схожей мощностью, я использовал КТ838А. Полным отечественным аналогом является транзистор КТ816, он имеет иную цоколевку и корпус.

USB кабель можно отрезать от старой мышки/клавиатуры или купить. А возможно вообще штекер юсб припаять прямо на плату.

Если при подаче питания светодиод горит, но схема ничего не заряжает то нужно увеличить сопротивление токоограничительного резистора R6. Для проверки нормальной работы схемы между землей и третьим выводом микросхемы (Vref) должно быть около 2,37 Вольт, а на втором контакте (Vtmp) LM393 1,6-1,85 Вольт.

Заряжать желательно два одинаковых аккумулятора, чтобы их ёмкость была примерно равна. А то получиться так, что один уже зарядился полностью, а второй только на половину.

Зарядный ток можно самостоятельно выставить, изменяя сопротивление резистора R1. Формула расчета: R1 = 1,6 * нужный ток.

К примеру, я хочу, чтобы мои аккумуляторы заряжались током 200 mA, подставляем:

R1 = 1,6 * 200 = 320 Ом

Это значит, что, установив переменный/подстрочный резистор мы можем добавить такую необычную функцию для зарядных устройств как самостоятельный выбор зарядного тока. Если, к примеру, аккумулятор нуждается в заряде током не более 0,1C то выкрутив резистор мы с легкостью выставим нужно нам значение. Это очень актуально для вот таких миниатюрных промышленных аккумуляторов, у которых ёмкость крайне мала и обусловлена их размерами.

При нагреве аккумуляторов зарядка будет отключаться. Это может увеличить время заряда, поэтому рекомендую ставить охлаждение в виде небольшого вентилятора.

Если у вас NiCd аккумуляторы, то их перед зарядкой нужно разрядить до 1 Вольта, то есть чтобы было использовано 99% ёмкости. Иначе будет чувствоваться негативный эффект памяти.

Когда банки будут полностью заряжены зарядный ток упадет примерно до 10 мА. Этот ток предотвратит естественный саморазряд никель-металлогидридных/камдиевых аккумуляторов. У первых наблюдается 100% разряд за год, а у второго типа примерно 10%.

Печатная плата для зарядного устройства существует в нескольких версиях, в одной из них USB гнездо удобно расположено прям на плате, то бишь возможно эксплуатировать USB шнур типа папа-папа.

Скачать платы в формате.lay можно тут

В Интернете на глаза попалась схема автоматического зарядного устройства Ni-Cd аккумуляторов, разработанная Юрием Башкатовым. Собрал схему на макетной плате - не работает. Смоделировал ее на компьютере с помощью программы Work Bench. В результате получилось то, что изображено на схеме. Работает устройство следующим образом. Транзистор VT1 (p-n-p) открыт, если на его базе наличествует отрицательный потенциал, который может появиться, когда транзистор VT2 (n-p-n) открыт, - это, в свою очередь, происходит, если потенциал на его базе, устанавливаемый с помощью переменного резистора R4, будет на 0,3 - 0,4 В больше этого показателя на его же эмиттере.

Эмиттер транзистора VТ2 соединен с катодом тиристора VS1 и заряжаемым аккумулятором. Как только напряжение на нем достигнет порогового значения, транзистор VТ2 закроется. Вслед за ним закроется и транзистор VT1. Тиристор выключится, заряд прекратится. Этим самым предотвращается перезаряд Ni-Cd аккумулятора.

Резистором R4 устанавливается порог срабатывания автоматического устройства. Для информативности величины напряжения на базе (граничная величина напряжения заряда) можно было бы к базе подключить вольтметр. Однако авторы посчитали, что вольтметр лучше подключить к эмиттеру транзистора VT2. Таким образом, сразу при подключении аккумуляторов видно, какое на них напряжение. При нажатой кнопке, контролируя напряжение по вольтметру, устанавливаем напряжение на эмиттере с помощью резистора R7 После этого, не отпуская кнопки SА1, выставляем порог срабатывания устройства резистором R4, контролируя срабатывание по загоранию балластной лампочки ЕL1. Кнопку отпускаем, лампочка должна гореть, аккумуляторы начали заряжаться Как только напряжение на аккумуляторах достигнет порогового режима, лампочка погаснет, заряд окончится.

Практика заряда Ni-Cd аккумуляторов показала, что конечное напряжение, рекомендуемое в инструкциях, не 1,2 В, и даже не 1,5 В, а 1,7 В, поэтому для двух аккумуляторов я устанавливаю порог срабатывания 3,4 В.

Для нормальной работы любого аккумулятора нужно всегда помнить «Правило «Трёх П» :

Не перегревать!
Не перезаряжать!
Не переразряжать!

Для вычисления времени зарядки никель-металл-гидридного аккумулятора или батареи из нескольких элементов можно использовать следующую формулу:

Время зарядки (ч) = Емкость аккумулятора (мАч) / Сила тока зарядного устройства (мА)

Пример:
Мы имеем аккумулятор с ёмкостью 2000mAh. Ток заряда в нашем зарядном устройстве — 500mA. Делим ёмкость аккумулятора на ток заряда и получаем 2000/500=4. Это означает, что при токе в 500 миллиампер наш аккумулятор с ёмкостью 2000 миллиамперчасов будет заряжаться до полной ёмкости 4 часа!

А теперь более подробно про правила, которые нужно стараться соблюдать, для нормальной работы никель-металл-гидридного (Ni-MH) аккумулятора:

Храните Ni-MH аккумуляторы с небольшим количеством заряда (30 — 50% от его номинальной ёмкости).
Никель-металлогидридные аккумуляторы более чувствительны к нагреву, чем никель-кадмиевые (Ni-Cd), поэтому не перегружайте их. Перегрузка может отрицательно сказаться на токоотдаче аккумулятора (способности аккумулятора держать и выдавать накопленный заряд). Если у вас есть интелектуальное зарядное устройство с технологией «Delta Peak » (прерывание заряда аккумулятора по достижению пика напряжения), то вы можете заряжать аккумуляторы практически без риска перезарядки и разрушения оных.
Ni-MH (никель-металл-гидридные) аккумуляторы после покупки можно (но не обязательно!) подвергать «тренировке». 4-6 циклов заряда/разряда для аккумуляторов в качественном зарядном устройстве позволяет достичь придела ёмкости, которая была растеряна в процессе перевозки и хранения аккумуляторов в сомнительных условиях после выхода с конвейера завода-производителя. Количество подобных циклов может быть совершенно разным для аккумуляторов от разных производителей. Качественные аккумуляторы достигают предела ёмкости уже после 1-2 циклов, а аккумуляторы сомнительного качества с искусственно завышенной ёмкостью не могут достигнуть своего предела и после 50-100 циклов заряда/разряда.
После разряда или заряда старайтесь дать остыть аккумулятору до комнатной температуры (~20 o C). Заряд аккумуляторов при температурах ниже 5 o C или выше 50 o C может значительно отразиться на сроке службы батареи.
Если хотите разрядить Ni-MH аккумулятор, то не разряжайте его менее, чем до 0.9В для каждого элемента. Когда напряжение никелевых аккумуляторов падает ниже 0.9В на элемент, большинство зарядных устройств, обладающих «минимальным интеллектом», не могут активировать режим заряда. Если Ваше зарядное устройство не может опознать глубоко разряженный элемент (разряженный менее 0.9В), то стоит прибегнуть к помощи более «тупого» зарядника или подключить аккумулятор на короткое время к источнику питания с током 100-150мА до достижения напряжения на аккумуляторе 0.9В.
Если вы постоянно используете одну и ту же сборку из аккумуляторов в электронном устройстве в режиме дозаряда, то иногда стоит разряжать каждый аккумулятор из сборки до напряжения 0,9В и производить его полный заряд во внешнем зарядном устройстве. Подобную процедуру полного циклирования стоит производить один раз на 5-10 циклов дозаряда аккумуляторов.

Таблица заряда типовых Ni-MH аккумуляторов

Емкость элементов	Типоразмер	Стандартный режим зарядки	Пиковый ток заряда	Максимальный ток разряда
2000 мА/ч	AA	200 мА ~ 10 часов	2000 мА	10.0А
2100 мА/ч	AA	200 мА ~ 10-11 часов	2000 мА	15.0А
2500 мА/ч	AA	250 мА ~ 10-11 часов	2500 мА	20.0А
2750 мА/ч	AA	250 мА ~ 10-12 часов	2000 мА	10.0А
800 мА/ч	AAA	100 мА ~ 8-9 часов	800 мА	5.0 A
1000 мА/ч	AAA	100 мА ~ 10-12 часов	1000 мА	5.0 A
160 мА/ч	1/3 AAA	16 мА ~ 14-16 часов	160 мА	480 мА
400 мА/ч	2/3 AAA	50 мА ~ 7-8 часов	400 мА	1200 мА
250 мА/ч	1/3 AA	25 мА ~ 14-16 часов	250 мА	750 мА
700 мА/ч	2/3 AA	100 мА ~ 7-8 часов	500 мА	1.0 A
850 мА/ч	FLAT	100 мА ~ 10-11 часов	500 мА	3.0 A
1100 мА/ч	2/3 A	100 мА ~ 12-13 часов	500 мА	3.0 A
1200 мА/ч	2/3 A	100 мА ~ 13-14 часов	500 мА	3.0 A
1300 мА/ч	2/3 A	100 мА ~ 13-14 часов	500 мА	3.0 A
1500 мА/ч	2/3 A	100 мА ~ 16-17 часов	1.0 A	30.0 A
2150 мА/ч	4/5 A	150 мА ~ 14-16 часов	1.5 A	10.0 A
2700 мА/ч	A	100 мА ~ 26-27 часов	1.5 A	10.0 A
4200 мА/ч	Sub C	420 мА ~ 11-13 часов	3.0 A	35.0 A
4500 мА/ч	Sub C	450 мА ~ 11-13 часов	3.0 A	35.0 A
4000 мА/ч	4/3 A	500 мА ~ 9-10 часов	2.0 A	10.0 A
5000 мА/ч	C	500 мА ~ 11-12 часов	3.0 A	20.0 A
10000 мА/ч	D	600 мА ~ 14-16 часов	3.0 A	20.0 A