Конструкция зарядного устройства от шуруповёрта
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°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°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 может иметь место выход из строя стабилитрона VD6 (1N4742A) и микросхемы U1 (HCF4060BE). В таком случае при нажатии кнопки включение зарядки не происходит, индикация отсутствует.
В моей практике был случай, когда стабилитрон пробило, мультиметром он «звонился» как кусок провода. После его замены зарядка стала исправно работать. Для замены подойдёт любой стабилитрон на напряжение стабилизации 12V и мощностью 1 Ватт. Проверить стабилитрон на «пробой» можно также, как и обычный диод. О проверке диодов я уже рассказывал.
После ремонта нужно проверить работу устройства. Нажатием кнопки запускаем зарядку АКБ. Приблизительно через час зарядное устройство должно отключиться (засветится индикатор «Сеть» (зелёный). Вынимаем АКБ и делаем «контрольный» замер напряжения на её клеммах. АКБ должна быть заряженной.
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 при диагностике неисправности и ремонте даже у начинающих радиолюбителей.
Датчик температуры аккумулятора
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.
Проверка АКБ: какие параметры аккумуляторных батарей нужно проверять и как это сделать?
При использовании аккумуляторных батарей на любых объектах, особенно в системах бесперебойного питания, за их состоянием нужно следить и регулярно проводить проверки. В этом материале мы рассмотрим основные параметры АКБ, а также рассмотрим, какими приборами и как можно провести их контроль и проверку!
Основная задача при проверке состояния любой аккумуляторной батареи – выяснить, обладает ли она достаточной емкостью, может ли обеспечить заявленные производителем характеристики в течение необходимого времени. Однако непосредственно средствами измерения определяются только несколько основных параметров – напряжение, сила тока. В обслуживаемых аккумуляторах можно также замерить плотность электролита. Измерения можно проводить неоднократно, фиксируя изменение значений с течением времени. Все остальные параметры и характеристики не измеряются напрямую, а выводятся по разработанной изготовителем методике, причем она зависит и от типа АКБ, и от рекомендаций производителя, и от вида подключенной нагрузки. При этом необходимо учитывать, что многие зависимости, характеризующие работу АКБ, носят нелинейный характер. Могут сказываться и другие факторы, например, влияние температуры.
При выполнении краткосрочных измерений при использовании даже самых совершенных методик тестирование носит не точный количественный, а качественный характер. Единственный достоверный способ измерения емкости АКБ – его полная разрядка в течение многих часов с тщательной фиксацией параметров в ходе всего процесса. Но использовать столь продолжительную процедуру на практике можно далеко не всегда, особенно если батарей много. Тем не менее, и краткосрочных оценочных измерений достаточно для того, чтобы отличить работоспособный аккумулятор от изношенного, утратившего емкость, и вовремя произвести замену АКБ.
Способы проверки АКБ
1. Подключение нагрузки
К АКБ на некоторое время подключается рабочая или второстепенная нагрузка той или иной величины. Вольтметром или мультиметром измеряется падение напряжения. Если процедура выполняется несколько раз, между измерениями выжидается определенное время, чтобы батарея восстановилась. Полученные данные сопоставляются с параметрами, заявленными производителем АКБ для данного типа батареи и данной величины нагрузки.
2. Измерения при помощи нагрузочной вилки
Строение простейшей нагрузочной вилки показано на схеме:
Устройство оснащено вольтметром, параллельно которому установлен большой по мощности нагрузочный резистор, и имеет два щупа. В старых моделях вольтметры аналоговые; новые модели, как правило, оснащены ЖК-дисплеем и цифровым вольтметром. Существуют нагрузочные вилки с усложненной схемой, использующие несколько нагрузочных спиралей (сменных сопротивлений), рассчитанные на разные диапазоны измерения напряжений, предназначенные для тестирования кислотных либо щелочных аккумуляторов. Есть даже вилки, которыми тестируют отдельные банки аккумуляторов. В состав продвинутых устройств помимо вольтметра может входить амперметр.
Получаемые при измерениях данные также необходимо сопоставлять с параметрами, заявленными производителями для данного типа батарей и данного сопротивления.
3. Измерения при помощи тестеров АКБ
Приборы Кулон
Данные приборы относятся к базовому сегменту. Семейство цифровых приборов-тестеров Кулон (Кулон-12/6f, Кулон-12m, Кулон-12n и другие) служит для проверки состояния свинцовых кислотных аккумуляторов. Они позволяют проводить быстрые замеры напряжения, приближенно определять емкость АКБ без контрольного разряда и сохранять в памяти несколько сотен, а иногда и тысяч измерений.
Приборы Кулон питаются от аккумулятора, на котором проводятся измерения. По заявлению разработчика, прибор анализирует отклик аккумулятора на тестовый сигнал специальной формы, при этом измеряемый параметр примерно пропорционален площади активной поверхности пластин аккумулятора и, таким образом, характеризует его емкость. Фактически, точность показаний зависит от достоверности методики, разработанной производителем.
Емкость аккумулятора – электрический заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором – измеряется в ампер-часах и представляет собой произведение тока разряда на время. Для точного определения емкости необходимо произвести разряд батареи (процесс длительный, многочасовой), постоянно фиксируя величину заряда, отдаваемого батареей. При этом относительная емкость АКБ в зависимости от времени изменяется нелинейно. Например, для аккумуляторной батареи типа LCL-12V33AP относительная емкость меняется со временем следующим образом:
| Время разряда, часы | Относительная емкость, % |
| 0,1 | 37 |
| 1,3 | 48 |
| 0,7 | 53 |
| 1,9 | 76 |
| 4,2 | 84 |
| 9,2 | 92 |
| 20 | 100 |
Производитель подчеркивает, что устройство не является прецизионным измерителем, но позволяет оценочно определять емкость свинцовой кислотной батареи, особенно если пользователь самостоятельно откалибровал прибор при помощи аккумулятора такого же типа, что и тестируемый, но с известной емкостью. Процедура калибровки подробно изложена в инструкции к прибору.
Тестеры Kongter
Следующая разновидность устройств для тестирования АКБ – тестеры Kongter. Это более функциональные тестеры, которые являются средством измерения, т.к внесены в реестр средств измерения РФ. Модель Kongter BT-3915 применяется для измерения напряжения и внутреннего сопротивления батарей.
Управление осуществляется при помощи цветного сенсорного экрана, но основные управляющие кнопки вынесены на клавиатуру в нижней части корпуса. Прибором можно тестировать батареи емкостью от 5 до 6000 А·ч, с элементами аккумулятора 1.2 В, 2 В, 6 В и 12 В. Диапазон измерения напряжения – от 0.000 В до 16 В, сопротивления – от 0.00 до 100 мОм. Прибор позволяет задать тип проверяемых батарей, выполнить измерение напряжения и сопротивления , и на их основании судить о том, соответствует емкость батареи заявленной производителем или нет.
Интерфейс прибора позволяет проводить как одиночные измерения, так и последовательные (до 254 измерений в каждой последовательности, совокупное количество результатов более 3000), что удобно при проверке большого количества однотипных АКБ (в последнем случае результаты сохраняются автоматически, помимо данных в них фиксируется также порядковый номер измерения). Прибор может использовать для выдачи результата (статус «хорошо», «плохо», «критично») собственные критерии (задаются пользователем перед замером) либо опорные значения, заданные пользователем (шаблоны значений, характерные для большинства АКБ подобного типа). Результаты тестирования через порт USB могут быть перенесены на компьютер для просмотра и последующей подготовки отчетов.
Одним из новых тестеров в линейке Kongter является Kongter BT-301. Помимо внутреннего сопротивления и напряжения он умеет измерять и проводимость АКБ.
Тестер позволяет проводить точные измерения на аккумуляторах VRLA (свинцово-кислотные с клапаном сброса), аккумуляторах VLA (вентилируемые свинцово-кислотные) и никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторах, которые в основном составляют резервное питание критических энергетических систем. Этот тестер может применяться как производителями АКБ, так и эксплуатационщиками в телекоммуникационных сетях, центрах обработки данных, в энергоснабжении, при техническом обслуживании автопогрузчиков и т.д.
Измеренные данные можно экспортировать на ПК для более детального и удобного анализа. Программное обеспечение «Kongter Battery Data Management» помогает выполнить анализа данных, отследить состояние батареи и сформировать отчетов в Excel. Основной плюс — широкий охват оборудования. Это ПО можно использовать не только с тестерами BT-301 и BT-302, но и с блоками нагрузки K-900 и регистраторами данных АКБ.
Анализаторы Fluke
Приборы Fluke Battery Analyzer серии 500 (BT 510, BT 520, BT 521) позволяют измерять и сохранять в памяти напряжение, внутреннее сопротивление стационарной батареи, температуру минусовой клеммы, напряжение при разрядке. При наличии дополнительных аксессуаров можно измерять и сохранять в памяти и другие параметры. Есть возможность задать пороговые значения для различных параметров. Встроенный порт USB позволяет передавать собранные записи на компьютер для подготовки отчетов с помощью программного обеспечения Analyze Software.
Щупы прибора имеют специальную конструкцию: внутренний подпружиненный контакт предназначен для измерения тока, внешний – для измерения напряжения. Если на щуп надавить, внутренний наконечник смещается внутрь таким образом, что оба контакта каждого щупа касаются поверхности одновременно. В результате одни и те же щупы позволяют организовать как 2-проводное, так и 4-проводное подключение к полюсам батареи (последнее необходимо для измерения Кельвина).
Хотя прибор обладает хорошим функционалом, ключевым этапом в определении состояния АКБ остается сопоставление измеренных показателей с расчетными или заданными изготовителем для данного конкретного типа батарей. Устройства Fluke Battery Analyzer серии 500 могут применяться для для массовой инспекции состояния батарей. Последовательный режим и система профилей позволяют выполнять необходимые измерения одно за другим, результаты запоминаются прибором и хранятся в упорядоченной форме, последовательно пронумерованные и разбитые на группы. Но прибор не имеет функции прямого или косвенного измерения емкости АКБ в ампер-часах – хотя бы потому, что для батарей разного типа на сегодняшний день вряд ли возможно разработать единую точную методику такого определения.
Все перечисленные выше устройства, хоть и отличаются друг от друга по размеру, относятся к классу портативных. В отдельную группу можно выделить стационарные комплексы для проверки АКБ, которые могут проводить быстрые испытания с определением внутреннего сопротивления, контролировать все параметры, включая активную и реактивную составляющие сопротивления, управлять процессом разряда/заряда и т. п. Подобные комплексы адресованы скорее исследовательским лабораториям, промышленным производителям АКБ и разработчикам нового оборудования, чем конечным пользователям.
4. Контрольный разряд с помощью нагрузочных блоков постоянного тока.
На сегодняшний день контрольный разряд – это единственный прямой и максимально достоверный способ измерения фактической емкости АКБ.
Специализированные устройства контроля разряда батареи позволяют выполнить контрольный разряд батареи с постоянным контролем емкости. Так же отметим, что контрольный разряд — это единственный способ диагностики АКБ, который отражен в ГОСТах и для которого есть рекомендации в действующей нормативной документации.
Основная задача нагрузочных блоков — выполнение контрольного рязряда аккумуляторов и батарей. Нагрузочный блок является, по сути, электронной нагрузкой. Для проведения тестирования блок подключают к проверяемому источнику электропитания и запускают один или несколько тестов. При этом, электронная нагрузка ведёт себя как реальная: например, меняет своё сопротивление по заданному алгоритму, имитирует большие стартовые токи запуска, короткое замыкание и прочие заданные пользователем условия. Во время проведения теста, электронная нагрузка непрерывно измеряет напряжение, ток и высчитывает емкость.
Рассмотрим функционал блоков нагрузки на примере Kongter K-900.
Эта серия блоков нагрузки предназначена для работы в широком диапазоне номинальных напряжений от 12 В до 480 В с током рязряда до 750 А. Если необходимо получить более высокий ток разряда, можно объединить параллельно до 5-ти блоков (5*750=3750А).
K-900 отслеживает все основные параметры аккумуляторной батареи и сохраняет данные по разрядам на устройство USB. После проведения контрольного разряда данные можно перекачать на ПК и проанализировать как вела себя аккумуляторная батарея в тот или иной отрезок времени. Работать с прибором можно не только с экрана устройства, но с ПК через ПО «Kongter Battery Data Management», подключаясь к прибору по Wi-Fi или по проводу через порт RS-485.
Блок нагрузки может быть дополнительно укомплектован регистраторами CDL, которые способны измерять напряжения каждого отдельного аккумулятора в цепи. Это существенно облегчает работу специалисту, производящему контрольный разряд батареи, так как ему не нужно производить замеры элементов АКБ по отдельности, а достаточно подключить регистраторы CDL для поэлементного контроля параметров. Далее, указав критерии остановки разряда (напряжение АКБ, напрежине всей цепи, емкость, время), можно запускать разряд. По окончанию разряда будет сформирован файл, который можно открыть на экране блока нагрузки или на ПК. Открыв файл на ПК в ПО «Kongter Battery Data Management» можно анализировать результаты разряда и формировать отчеты.
Основным минусом данного метода является время диагностики. В нормативных документах, а так же в паспортах АКБ приводятся значения емкости для разного времени разряда (например, 1ч, 3ч, 10ч, 20 ч и т.п). По этой причине контрольный разряд может потребовать часы.
Иногда прибегают к «комбинированному методу» диагностики: вполняют быстрый скрининг большого кол-ва АКБ с помощью тестеров, а если находят «подозрительные» АКБ, их детально диагностируют с помощью нагрузочных блоков.
5. Измерение плотности электролита
В обслуживаемых аккумуляторах для определения их состояния можно измерять плотность электролита, поскольку между этим параметром и емкостью АКБ существует непосредственная зависимость. Плотность электролита может меняться в силу разных причин, которые вдобавок взаимосвязаны (частый глубокий разряд батареи, сульфатация, неоптимальная плотность электролита, испарение и утечка раствора и т. д.). Аккумулятор начинает быстрее разряжаться, отдает меньше заряд. При этом необходимо понимать, что плотность электролита даже в исправном аккумуляторе, находящемся в идеальном состоянии – не константа, она меняется с температурой и степенью зарядки аккумулятора. Более того, для разных регионов рекомендованная плотность электролита отличается в зависимости от типовых климатических условий.
Результаты измерения плотности ареометром можно сопоставить со следующей диаграммой для кислотных аккумуляторов.
В зависимости от того, больше или меньше плотность электролита, чем требуемая (а для батареи вредно отклонение и в ту, и в другую сторону), можно частично или полностью заменить электролит, залить дистиллированную воду или раствор необходимой концентрации, обязательно обеспечив перемешивание. Как и при использовании всех ранее описанных способов проверки состояния АКБ ключевым является сопоставление измеренных значений с рекомендациями производителя батареи и следование всем предусмотренным процедурам обслуживания.
Выводы
Каждый способ определения текущего состояния аккумуляторной батареи имеет свои преимущества и недостатки. Каким из них пользоваться – зависит от ваших задач и возможностей. Сориентироваться вам поможет эта сводная таблица.
Быстрое проведение измерений, особенно многократных
Некоторые модели способны проводить измерения без выведения АКБ из режима эксплуатации
Специализированные модели позволяют сохранять результаты и переносить их на компьютер для подготовки отчетов
Техническое обслуживание аккумуляторных батарей.
В процессе эксплуатации залогом безотказной работы аккумуляторной батареи является уход за ней.
Для поддержания батареи в исправном состоянии должно постоянно производиться профилактическое техническое обслуживание. Обслуживание аккумуляторных батарей должно производиться технически компетентным лицом, имеющим навыки и допуск к работе с аккумуляторами. Сотрудники, обслуживающие аккумуляторы, должны быть одеты в средства индивидуальной защиты (костюм кислотостойкий, резиновые сапоги, прорезиненный фартук, резиновые перчатки, защитные очки, респиратор). А также должны иметь инструменты и материалы для проверки и обслуживания батарей.
Ежедневно контролируется уровень электролита. При низком уровне электролита необходимо долить дистиллированную воду (НЕ ДОЛИВАТЬ В АККУМУЛЯТОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТ), за исключением случаев уменьшения электролита из-за его выплескивания. На каждую батарею ведется журнал, в который вписываются данные контрольных измерений.
При техническом обслуживании необходимо очищать батарею от пыли и грязи. Необходимо протирать поверхность батарей 10% раствором нашатырного спирта или кальцинированной соды, после чего вытереть чистой сухой ветошью, просушить. Чистить аккумуляторы можно только после отключения их от зарядного устройства. При чистке аккумуляторов пробки должны быть закрыты. Поверхность батареи всегда должна быть сухой. Периодически необходимо зачищать полюсные выводы и клеммы проводов и смазывать их техническим вазелином.
Не реже 1 раза в месяц проверяется степень заряженности батареи по плотности электролита, одновременно замеряя его температуру, чтобы учесть температурную поправку. Также проверяется работоспособность аккумуляторной батареи с помощью нагрузочной вилки без нагрузки и под нагрузкой.
Во время технического осмотра проверяется напряжение и ток подзаряда батареи, наличие выделения пузырьков газа из аккумуляторов при их заряде.
Не реже одного раза в месяц проводить проверку затяжек болтов. Нельзя приближаться с открытым огнем или зажженной сигаретой к месту проведения работ. Так как электролит является химически агрессивным веществом, не допускайте попадания электролита в глаза или открытые участки тела.