Датчик температуры аккумулятора

Конструкция зарядного устройства от шуруповёрта

Схема, устройство, ремонт

Без сомнений, электроинструмент значительно облегчает наш труд, а также сокращает время рутинных операций. В ходу сейчас и всевозможные шуруповёрты с автономным питанием. Рассмотрим устройство, принципиальную схему и ремонт зарядного устройства для аккумуляторов от шуруповёрта фирмы "Интерскол".

Для начала взглянем на принципиальную схему. Она срисована с реальной печатной платы зарядного устройства.

Печатная плата зарядного устройства (CDQ-F06K1).

Силовая часть зарядного устройства состоит из силового трансформатора GS-1415. Мощность его около 25-26 Ватт. Считал по упрощённой формуле, о которой уже говорил здесь .

Пониженное переменное напряжение 18V со вторичной обмотки трансформатора поступает на диодный мост через плавкий предохранитель FU1. Диодный мост состоит из 4 диодов VD1-VD4 типа 1N5408. Каждый из диодов 1N5408 выдерживает прямой ток 3 ампера. Электролитический конденсатор C1 сглаживает пульсации напряжения после диодного моста.

Основа схемы управления - микросхема HCF4060BE. которая является 14-разрядным счётчиком с элементами для задающего генератора. Она управляет биполярным транзистором структуры p-n-p S9012. Транзистор нагружен на электромагнитное реле S3-12A. На микросхеме U1 реализован своеобразный таймер, который включает реле на заданное время заряда - около 60 минут.

При включении зарядника в сеть и подключении аккумулятора контакты реле JDQK1 разомкнуты.

Микросхема HCF4060BE запитывается от стабилитрона VD6 - 1N4742A (12V). Стабилитрон ограничивает напряжение с сетевого выпрямителя до уровня 12 вольт, так как на его выходе около 24 вольт.

Если взглянуть на схему, то не трудно заметить, что до нажатия кнопки "Пуск" микросхема U1 HCF4060BE обесточена - отключена от источника питания. При нажатии кнопки "Пуск" напряжение питания от выпрямителя поступает на стабилитрон 1N4742A через резистор R6.

Далее пониженное и стабилизированное напряжение поступает на 16 вывод микросхемы U1. Микросхема начинает работать, а также открывается транзистор S9012. которым она управляет.

Напряжение питания через открытый транзистор S9012 поступает на обмотку электромагнитного реле JDQK1. Контакты реле замыкаются, и на аккумулятор поступает напряжение питания. Начинается заряд аккумулятора. Диод VD8 (1N4007 ) шунтирует реле и защищает транзистор S9012 от скачка обратного напряжения, которое образуется при обесточивании обмотки реле.

Диод VD5 (1N5408) защищает аккумулятор от разряда, если вдруг будет отключено сетевое питание.

Что будет после того, когда контакты кнопки "Пуск" разомкнутся? По схеме видно, что при замкнутых контактах электромагнитного реле плюсовое напряжение через диод VD7 (1N4007 ) поступает на стабилитрон VD6 через гасящий резистор R6. В результате микросхема U1 остаётся подключенной к источнику питания даже после того, как контакты кнопки будут разомкнуты.

Сменный аккумулятор.

Сменный аккумулятор GB1 представляет собой блок, в котором последовательно соединено 12 никель-кадмиевых (Ni-Cd) элементов, каждый по 1,2 вольта.

На принципиальной схеме элементы сменного аккумулятора обведены пунктирной линией.

Суммарное напряжение такого составного аккумулятора составляет 14,4 вольт.

Также в блок аккумуляторов встроен датчик температуры. На схеме он обозначен как SA1. По принципу действия он похож на термовыключатели серии KSD. Маркировка термовыключателя JJD-45 2A. Конструктивно он закреплён на одном из Ni-Cd элементов и плотно прилегает к нему.

Один из выводов термодатчика соединён с минусовым выводом аккумуляторной батареи. Второй вывод подключен к отдельному, третьему разъёму.

Алгоритм работы схемы довольно прост.

При включении в сеть 220V зарядное устройство ни как не проявляет свою работу. Индикаторы (зелёный и красный светодиоды) не светятся. При подключении сменного аккумулятора загорается зелёный светодиод, который свидетельствует о том, что зарядник готов к работе.

При нажатии кнопки "Пуск" электромагнитное реле замыкает свои контакты, и аккумулятор подключается к выходу сетевого выпрямителя, начинается процесс заряда аккумулятора. Загорается красный светодиод, а зелёный гаснет. По истечении 50 - 60 минут, реле размыкает цепь заряда аккумулятора. Загорается светодиод зелёного цвета, а красный гаснет. Зарядка завершена.

После зарядки напряжение на клеммах аккумулятора может достигать 16,8 вольт.

Такой алгоритм работы примитивен и со временем приводит к так называемому "эффекту памяти" у аккумулятора. То есть ёмкость аккумулятора снижается.

Если следовать правильному алгоритму заряда аккумулятора для начала каждый из его элементов нужно разрядить до 1 вольта. Т.е. блок из 12 аккумуляторов нужно разрядить до 12 вольт. В заряднике для шуруповёрта такой режим не реализован .

Вот зарядная характеристика одного Ni-Cd аккумуляторного элемента на 1,2V.

На графике показано, как во время заряда меняется температура элемента (temperature ), напряжение на его выводах (voltage ) и относительное давление (relative pressure ).

Специализированные контроллеры заряда для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов, как правило, работают по так называемому методу дельта -ΔV. На рисунке видно, что в конце зарядки элемента происходить уменьшение напряжения на небольшую величину – порядка 10mV (для Ni-Cd) и 4mV (для Ni-MH). По этому изменению напряжения контроллер и определяет, зарядился ли элемент.

Так же во время зарядки происходит контроль температуры элемента с помощью термодатчика. Тут же на графике видно, что температура зарядившегося элемента составляет около 45 0 С.

Вернёмся к схеме зарядного устройства от шуруповёрта. Теперь понятно, что термовыключатель JDD-45 отслеживает температуру аккумуляторного блока и разрывает цепь заряда, когда температура достигнет где-то 45 0 С. Иногда такое происходит раньше того, как сработает таймер на микросхеме HCF4060BE. Такое происходит, когда емкость аккумулятора снизилась из-за "эффекта памяти". При этом полная зарядка такого аккумулятора происходит чуть быстрее, чем за 60 минут.

Как видим из схемотехники, алгоритм заряда не самый оптимальный и со временем приводит к потере электроёмкости аккумулятора. Поэтому для зарядки аккумулятора можно воспользоваться универсальным зарядным устройством. например, таким, как Turnigy Accucell 6.

Возможные неполадки зарядного устройства.

Со временем из-за износа и влажности кнопка SK1 "Пуск" начинает плохо срабатывать, а иногда и вообще отказывает. Понятно, что при неисправности кнопки SK1 мы не сможем подать питание на микросхему U1 и запустить таймер.

Также могут иметь место выход из строя стабилитрона VD6 (1N4742A) и микросхемы U1 (HCF4060BE).

Если же элементы печатной платы исправны и не вызывают подозрения, а включения режима заряда не происходит, то следует проверить термовыключатель SA1 (JDD-45 2A) в аккумуляторном блоке.

Схема достаточно примитивна и не вызывает проблем в диагностике неисправности и ремонте даже у начинающих радиолюбителей .

Ремонт аккумулятора для шуруповерта

И так, в качестве примера мы возьмем шуруповерт фирмы Bosch марки GSR 12-2 рrofessional. Он оснащен никель-кадмиевой разновидностью аккумуляторов. Традиционный сервис аналогично ремонту редуктора шуруповерта может вам предложить лишь замену целиком запасной части. Однако не каждому легко решиться на такую покупку, узнав стоимость нового источника питания для инструмента. Предлагаем решать эту распространенную «энергетическую проблему» своими силами.

«Родной» аккумулятор от инструмента Bosch обладает разборной конструкцией.

Если аккумуляторная батарея вашего шуруповерта произведена в Китае, тогда с ней при разборке также проблем не возникнет – три самореза позволят вам заглянуть внутрь блока. Если у вас была возможность сравнить внутренности фирменного инструмента и инструмента «по доступной цене», то вы наверняка сразу увидели тонкие силовые провода, некачественную пайку соединительных шин, отсутствие датчика температуры, а также устройства, которое выравнивает заряд в банках многоразовой батареи, скрепление элементов питания меж собой при помощи скотча и многое иное. Этот список можно продолжать долго.

Итак, нам надо из аккумуляторного корпуса извлечь элементы. Для этого на одном из 4-х винтов надо удалить пластиковую заводскую пломбу и, чуть прижав стопорные механизмы, коими источник электропитания крепится к инструменту, снять верхнюю крышку. Любая аккумуляторная батарея собрана из отдельных аккумуляторов одинаковой емкости и размеров.

Термодатчик

У шуроповерта источник питания оснащен четырьмя контактами: двумя силовыми (как на обыкновенной батарейке плюс и минус), а также специальным контактом управления (он соединяет датчик температуры внутри батареи с определенным зарядным устройством). Опция термодатчика очень важна – он в период зарядки отслеживает состояние температуры банок аккумулятора. В случае, когда расчетная температура превышена, датчик разрывает электрическую цепь, предотвращая тем самым разрушение элементов.

Если речь идет о «часовом» зарядном устройстве, благодаря которому заряд батареи осуществляется в течение одного часа, то тут применяются токи большой силы. В отсутствии термодатчика такие токи могут разрушить источник питания инструмента. Кроме того, аккумуляторные батареи известных мировых изготовителей оснащены еще одной важной функцией – устройством, позволяющим равномерно заряжать и разряжать все элементы батареи. Китайские дешевые аналоги полностью лишены таких сохраняющих и защитных опций.

Поиск неисправностей

Взятый для нашего примера аккумулятор находился в таком состоянии, что посредством него невозможно было осуществлять какие-то работы. Его емкости еле-еле хватало для закручивания десяти стандартных шурупов. После этого он полностью разряжался.

Как правило, причина данного поведения источника тока заключается в вышедшей из строя банке (ранее мы говорили, что из банок состоит батарея шуруповерта). Между собой банки в устройстве соединены последовательно (подобно батарейкам в фонарике). Из-за высокого внутреннего сопротивления сломавшегося баночного элемента, оставшиеся элементы батареи не могут зарядиться. Таким образом, аккумулятор не в состоянии полностью зарядиться.

Необходимо отметить, что поисками неисправных элементов следует заниматься после проведения полной зарядки. Вам при помощи обычного вольтметра надо будет измерить уровень напряжения аккумулятора в целом. Затем вам потребуется отыскать те самые сломавшиеся элементы, которые затем надо поменять. Необходимо помнить, что при выполнении замеров на каждом из аккумуляторных элементов в отдельности, результат измерений должен находиться в диапазоне от 1,2В до 1,4В. Если какая-либо банка обладает меньшим напряжением, значит она неисправна. Скорее всего, именно она препятствует нормальной работе всего устройства.

Итак, «слабое звено» вы выявили. Теперь необходимо проверить аккумулятор, убедиться в верности ваших действий. С этой целью все устройство надо собрать и, имитируя стандартный рабочий процесс, проверить его под нагрузкой. При этом можно, к примеру, закручивать саморезы, шурупы и т.п. По прошествии какого-то небольшого периода времени батарея быстро утратит свою емкость. Теперь вам следует повторно разобрать источник тока инструмента и убедиться в верности своей «находки». Результат замеров должен показать, что после «нагрузки» именно тот элемент обладает самым низким остаточным напряжением.

После этого перед вами стоит выбор: либо восстановить этот поврежденный элемент батареи, либо целиком заменить его работоспособным (или новым).

Восстановление работоспособности аккумулятора

Мы, конечно же, решаем «реанимировать» старый элемент питания.

Первый вариант восстановления его работоспособности заключается в кратковременном воздействии на испорченный элемент током большей силы. Ведь во время эксплуатации шуруповерта постоянные высокие нагрузки часто ведут к тому, что отдельные емкости батареи теряют герметичность, высыхают. При этом имеющийся в емкости электролит в процессе работы интенсивно испаряется. Итак, благодаря сильному току процессы, протекающие внутри элемента питания, будут частично либо полностью восстановлены.

Как всегда, вариантов замены несколько. Если «оживить» необходимо тот элемент питания инструмента, которым пользуется строительная бригада, то, скорее всего, отыщутся старые аккумуляторы, которые остались от инструментов, купленных ранее. Так уж большинство из нас привыкло – хранить «на всякий пожарный» даже испорченные вещи. Вообще, элементы питанию довольно живучи и возраст пять-семь лет не такой уж для них большой. Хоть при этом они и лишаются определенной части своей емкости. Для пайки элементов очень важно применять качественные материалы (минимальное сопротивление цепи, стойкость к процессам коррозии являются залогом отличного качества восстановленного устройства питания). Конечно же, требуется действовать аккуратно и быстро, т.к. высокие температуры при пайке могут разрушить аккумулятор.

И вот, вы собрали источник питания, только к работе он еще не готов. Помните, что до замены элемента вы выполняли заряд, а также тестирование батареи. Кроме того, заряд замененных деталей может значительно отличаться от заряда оставшихся банок. Вам понадобится провести так называемую «тренировку» аккумулятора. Благодаря этой процедуре заряд во всех банках будет выровнен. Перво-наперво, вам надо взять зарядное устройство, которое не будет отключаться через определенный отрезок времени. После интенсивной зарядки (порядка восьми - десяти часов) источнику питания инструмента следует дать время остыть. Только не стоит данный процесс ускорять, пусть устройство остынет самостоятельно.

Перед началом работы необходимо проконтролировать уровень напряжения – он должно быть выше указанного на батарее на 1,5В-2,5В. Аккумулятор требуется максимально разрядить, только помните, что в ходе работы батарея будет нагреваться и тут важно не допускать ее перегрева. Кроме того, сам шуруповерт также не очень любит высокие температуры. Таким образом, температуру всего инструмента надо внимательно отслеживать.

Когда вы проверите батарею, надо будет приступить к этапу устранения эффекта памяти у восстановленного элемента питания. С этой целью требуется насколько раз полностью зарядить и разрядить батарею. И совсем не обязательно для этого работать шуруповертом – можно воспользоваться обычной лампочкой накаливания. Благодаря ей устройство будет достаточно эффективно разряжаться.

Некоторые после прочтения материала могут задаться естественным вопросом: «Не проще ли будет приобрести новое устройство?». Конечно же, проще. Только стоит ли это делать? Цену нового аккумулятора, предназначенного для питания шуруповерта Bosch марки GSR 12-2 рrofessional вполне можно сопоставить со стоимостью нового инструмента (помните, что комплектация нового инструмента включает два источника питания). Нам кажется, что все-таки стоит потратить некоторые усилия и продлить работоспособность батарей еще на некоторое количество лет.

Устройство умного аккумулятора

Обычная батарея аккумуляторов говорить не умеет, она - немая, т.к. по ней очень сложно определить степени ее заряда, или ее состояние. Пользователю остается только рассчитывать, что аккумулятор отключенный от зарядного устройства исправно выполнит свои функции.

В последнее время все более широкое распространение получают так называемые разумные аккумуляторы (батареи). Внутри батареи установлен микрочип, способный обмениваться информацией с заряжающим устройством и выдавать пользователю статистические данные об аккумуляторе. Обычно такие аккумуляторные батареи применяются для питания ноутбуков, сотовых телефонов и видеокамер, а также некоторых типов оборудования медицинского и военного предназначения.

Существуют разные типы разумных аккумуляторных батарей, отличающихся количеством функций, производительностью и стоимостью. Наиболее простыми считаются аккумуляторные батареи со встроенным чипом, предназначенным для идентификации типа аккумулятора в многофункциональных зарядных устройствах, для того чтобы автоматически установить правильный алгоритм заряда. Аккумуляторные батареи со встроенной защитой от перезаряда, недозаряда и короткого замыкания, разумными называть не следует.

Наиболее совершенные разумные батареи обеспечивают определение состояния заряда. Первые чипы для разумных батарей появились в начале 90-ых годов. Сейчас их производством занимается большое число компаний. В конце 90-ых годов была разработана архитектура разумных аккумуляторных батарей с возможностью считывания степени их заряда. Это были 1- и 2-проводные системы. Большинство 2-проводных систем действует по протоколу SMBus(System Management Bus).

Аккумуляторные батареи с 1-проводным интерфейсом 1-Wire

Системы с 1-проводным интерфейсом 1-Wire принадлежат к наиболее простым, и обмен данными в них реализовывается по одному проводу. Аккумуляторная батарея со встроенной системой с 1-проводным интерфейсом 1-Wire имеет только три вывода: положительный, отрицательный и вывод информации. Некоторые производители в целях безопасности вывод датчика температуры делают отдельно (рисунок 1).

Рис.1. Схема аккумуляторной батареи с 1-проводным интерфейсом

Современные батареи с 1-проводным интерфейсом 1-Wire хранят специфические данные об аккумуляторе и отслеживают его температуру, напряжение, ток, степень заряда. Из-за простоты и относительно низкой цены они нашли широкое применение для аккумуляторов мобильных телефонов, портативных радиостанций.

Большинство аккумуляторных батарей с 1-проводным интерфейсом 1-Wire не имеют общего форм-фактора, не стандартизованы в них и способы измерения состояния аккумулятора. Все это в целом порождает проблему концепции универсального зарядного устройства. Кроме того, батареи с 1-проводным интерфейсом 1-Wire позволяют определять состояние аккумулятора только в том случае, если батарея установлена в специально разработанное под эту систему зарядное устройство.

Аккумуляторные батареи с шиной SMBus

SMBus - наиболее совершенная из всех систем, так как является стандартом для портативных электронных устройств и использует единый стандартный протокол обмена данными. SMBus представляет из себя 2-проводной интерфейс, посредством которого простые микросхемы системы электропитания могут обмениваться данными с системой. По одному проводу передаются данные, по другому - сигналы синхронизации (рисунок 2). Основу этой шины составляет архитектура шины I 2 C. Разработанная фирмой Philips, шина I 2 C представляет собой синхронную многоточечную систему двунаправленного обмена данными, действующую при частоте синхронизации 100 кГц.

Рис.2. Схема аккумуляторной батареи с шиной SMBus

Системная архитектура разумных аккумуляторных батарей, используемая в настоящее время, была стандартизована компаниями Duracell/Intel еще в 1993 г. До этого производители портативных компьютеров разрабатывали собственные умные батареи. На основе новой спецификации был построен универсальный интерфейс, что к тому же позволило обойти отдельные препятствия, связанные с патентованной интеллектуальной собственностью.

Первые образцы аккумуляторных батарей с SMBus имели проблемы: электронные схемы не обеспечивали обработки данных с достаточной точностью, не обеспечивалось отображение как значения тока, так и значений напряжения и температуры в режиме реального времени. Было и множество других значительных проблем. В результате практически все технические решения, касающиеся реализации разумной батареи на базе SMBus, были модифицированы.

Смысл новых решений заключался в том, чтобы перенести функции управления процессом заряда с зарядного устройства на аккумуляторную батарею. Теперь уже не зарядное устройство, а сама батарея с системой на основе SMBus задавала алгоритм собственного заряда. Таким образом, обеспечивались совместимость зарядных устройств с батареями разных типов, правильная установка значений тока и алгоритма заряда, точное отсоединение батареи в момент окончания заряда. И, что важно, пользователю стало ненужным знать, аккумулятор какого типа он использует, - все эти заботы батарея брала на себя, а его функции сводились только к тому, чтобы вовремя ее заряжать.

Рассмотрим, что же такое разумная аккумуляторная батарея изнутри. Батарея с системой SMBus имеет микросхему, в которой запрограммированы постоянные и временные данные. Постоянные данные программируют на заводе-производителе, и они включают идентификационный номер батареи, сведения о ее типе, заводской номер, наименование производителя и дату выпуска. Временные данные - это те данные, которые периодически обновляются. К ним принадлежат количество циклов заряда, пользовательские данные и эксплуатационные требования.

SMBus разделяется на три уровня. Уровень 1 в настоящее время не применяется, т.к. не обеспечивает заряд различных по типу аккумуляторных батарей. Уровень 2 предназначен для внутрисхемного заряда. Пример этого - аккумуляторная батарея ноутбука, которая заряжается, будучи установленной. Уровень 3 зарезервирован для применения в многофункциональных внешних зарядных устройствах. К сожалению, из-за сложности такие зарядные устройства получаются дорогостоящими.

Аккумуляторные батареи с SMBus имеют и недостатки. Даже самые простые из них приблизительно на 25% дороже обычных аккумуляторных батарей. Несмотря на то, что разумные батареи были предназначены для того, чтобы упростить конструкцию зарядных устройств, зарядные устройства уровня 3 обходятся намного дороже зарядных устройств для обычных аккумуляторов.

Существует и еще одна проблема - необходимость калибровки. Дело в том, что в процессе использования батарея может работать при различных токах нагрузки, и ее разряд может быть неполным. При этом часто случается так, что она запоминает текущее состояние емкости, которое не соответствует истинному значению. Поэтому периодически следует переучивать батарею, для того чтобы она при установлении алгоритма заряда учитывала свою реальную емкость. Выполняется это путем выполнения цикла полного разряда с последующим полным зарядом. Периодичность такой операции - ориентировочно один раз в три месяца или через каждые 40 циклов заряд/разряд. Такой же цикл следует провести и после длительного хранения батареи, перед ее вводом в эксплуатацию.

Недостатком является и проблема несовместимости: более поздние и более совершенные версии SMBus несовместимы с более ранними вариантами.

В случаи использования содержимого сайта, необходимо ставить активные ссылки на данный сайт видимые посетителями и поисковыми роботами.