Wiedza o momencie zatrzymania: znalezienie szczytu oznaczającego pełne naładowanie

**US 5,196,780**, David R. Pacholok, zgłoszony **10 września 1991**, udzielony **23 marca 1993**, wygasły. Rysunek na tej stronie to jego własny arkusz 1: FIG. 1 to krzywa napięcia w funkcji czasu z zaznaczonym szczytem, a FIG. 2 to schemat blokowy — FAST CHARGE i SLOW CHARGE bloki, sieć RC prowadząca do komparatora oraz wzdłuż dołu **TH** i **TIMER**. Wypisz trzy zakończenia, zanim cokolwiek zbudujesz, ponieważ wynalazkiem jest układ, a nie żadne z nich z osobna: 1. **−ΔV**, wykrywane przez kondensator ładowany przez rezystor z zacisku akumulatora. Kondensator opóźnia się. Gdy *wyprzedzi* napięcie akumulatora, akumulator musiał przestać rosnąć. Brak różniczkowania, brak problemu z szumami. 2. **Zegar**, około osiemnastu minut przy szybkim ładowaniu. Jeśli sygnał napięciowy nigdy nie nadejdzie, ładowanie i tak się zakończy. 3. **Termostat**, ustawiony między **40 °C a 60 °C**, na samych ogniwach. Jeśli się nagrzeją z jakiegokolwiek powodu, ładowanie się kończy. Następnie zauważ, co dzieje się po zakończeniu: obwód nie wyłącza się, lecz przechodzi w **ładowanie wolne**, które zastępuje samorozładowanie bez przeładowywania. Ładowarka, która po prostu się zatrzymuje, zostawia baterię, która do czwartku znów jest rozładowana. Źródła do tego są czyste, a liczba zweryfikowana. Tam, gdzie późniejszy szczebel mówi, że liczby nie udało się ustalić, jest to stwierdzenie o tym szczeblu, a nie nawyk.

Nie da się sensownie zbudować detektora dla sygnału, którego nigdy nie widziałeś. Najpierw zarejestruj sygnał. Umieść jedno rozładowane ogniwo NiMH w uchwycie. Ustaw zasilacz laboratoryjny w tryb stałego prądu na **1C** — 2 A dla ogniwa o pojemności 2000 mAh — z limitem napięcia 1,8 V, aby złe połączenie nie mogło spowodować niespodzianki. Przyklej termoparę do obudowy ogniwa. Rejestruj napięcie na zaciskach z dokładnością do **czterech cyfr** oraz temperaturę obudowy co minutę. Cztery cyfry to nie drobiazgowość: cały sygnał, którego szukasz, wynosi około 10 mV, więc miernik trzycyfrowy, pokazujący 1,48 V, w ogóle go nie zauważy. Spodziewaj się, mniej więcej przez godzinę: - szybkiego wzrostu w pierwszych minutach, gdy ogniwo ulega polaryzacji; - długiego, powoli rosnącego środkowego etapu; - **szczytu**, a następnie spadku rzędu 5–15 mV dla pojedynczego ogniwa; - **gwałtownego wzrostu temperatury** od mniej więcej tego samego momentu. Zatrzymaj się w szczycie lub przy 45 °C, zależnie od tego, co nastąpi pierwsze. Zaznacz w dzienniku pomiarów, gdzie był szczyt i o ile millivoltów wynosił spadek. To jest liczba, którą Twój obwód musi rozróżnić, a w pakiecie dwunastu ogniw jest ona dwanaście razy większa, dlatego zakończenie ładowania przez −ΔV działa znacznie lepiej dla pakietu niż dla pojedynczego ogniwa.

Teraz zbuduj detektor Pacholoka na płytce stykowej. Składa się z czterech części. 1. **Układ RC.** Rezystor od zacisku baterii do kondensatora podłączonego do masy. Dobierz R i C tak, aby R×C było stałą czasową wybraną w kroku 4 — 470 kΩ z 470 µF daje około 220 sekund, czyli prawie cztery minuty. Użyj kondensatora foliowego lub elektrolitycznego o niskim upływie; nieszczelny kondensator to drugi, nieplanowany rezystor i będzie trwale przytrzymywał kopię w dół. 2. **Komparator.** Układ LM393, z napięciem baterii na jednym wejściu i kondensatorem na drugim. Jego wyjście przełącza się w chwili, gdy kondensator przeważy. 3. **Odrobina histerezy.** Rezystor o dużej wartości od wyjścia z powrotem do wejścia nieodwracającego, rzędu megaoma, tak aby wyjście przeskakiwało zamiast drgać w punkcie przecięcia. Bez tego będziesz wielokrotnie wyzwalany przez szum rzędu milliwoltów. 4. **Przełącznik.** Wyjście komparatora steruje bramką logicznego MOSFET o poziomie logicznym, który przewodzi prąd ładowania. Poziom logiczny ma znaczenie: zwykły MOSFET nie włączy się w pełni przy bramce 5 V i rozproszy różnicę jako ciepło. Najpierw przetestuj bez baterii. Podaj na wejście generator funkcyjny z bardzo wolnym trójkątem — kilka minut na cykl, jeden lub dwa wolty międzyszczytowo — i sprawdź, czy wyjście przełącza się tuż po każdym szczycie, a nie przed nim. Generator sygnału, który można odwrócić w dowolnym momencie, jest znacznie lepszym testem niż ogniwo, które przewraca się raz na godzinę. Następnie podłącz do niego swoją zarejestrowaną krzywą ogniwa, już naprawdę. Obserwuj napięcie kondensatora na jednym kanale oscyloskopu, a ogniwo na drugim; przecięcie jest widoczne i to właśnie jest sens całego układu.

Sam detektor −ΔV to obwód, który może zawieść po cichu, a tryb awarii to ładowanie, które nigdy się nie kończy. Dodaj pozostałe dwa. **Termostat.** Użyj własnego termistora pakietu, jeśli masz wyprowadzenie TH z poziomu 3, albo termistor 10 kΩ NTC przyklejony taśmą do ogniwa. Umieść go w dzielniku z rezystorem stałym i podaj punkt połączenia do drugiej połowy LM393; ustaw napięcie odniesienia potencjometrem tak, aby komparator przełączał się przy około **45 °C**. Skalibruj go, nie zakładaj: ogrzewaj termistor pistoletem na najniższym ustawieniu, obserwując termometr na podczerwień, i reguluj, aż przełączenie nastąpi tam, gdzie chcesz. Podłącz wyjście tego komparatora tak, aby mógł odciąć bramkę MOSFET **niezależnie** od tego, co mówi połowa −ΔV. **Timer.** 555 w trybie monostabilnym z długim obwodem RC daje osiemnaście minut Pacholoka. Oblicz R i C dla własnego prądu ładowania, zamiast kopiować jego wartości: osiemnaście minut jest prawidłowe dla prądu, jakiego używała jego ładowarka, a timer ustawiony na zły prąd jest gorszy niż brak timera, bo będzie przerywał każde dobre ładowanie. Teraz przetestuj każdy **osobno**. Odłącz połowę −ΔV i sprawdź, czy termostat zatrzymuje ładowanie. Odłącz termostat i sprawdź, czy robi to timer. Redundancja, której nigdy nie testowałeś pojedynczo, nie jest redundancją, tylko trzema obwodami i nadzieją. Na koniec dodaj ścieżkę wolnego ładowania: rezystor, który utrzymuje strumień prądu podtrzymującego po zakończeniu ładowania, rzędu C/40. Zmierz go miernikiem i porównaj z własnym tempem samorozładowania ogniwa.

**Autorstwo.** US 5,196,780, David R. Pacholok, zgłoszony 10 września 1991, udzielony 23 marca 1993, wygasły. Rysunek na tej stronie pochodzi od samego patentu. **Dlaczego 1991, a nie 1961.** Efekt −ΔV był rozumiany na długo przed tym patentem; producenci ogniw opisywali go w notach aplikacyjnych od lat. Brakowało natomiast sposobu, by wykryć kilka milowoltów *spadku* na sygnale nakładającym się na napięcie większe niż wolt, na tyle tanio, by umieścić to w ładowarce konsumenckiej, bez mikrokontrolera. Sztuczka z opóźnieniem RC jest odpowiedzią na część „na tyle tanio” i jest naprawdę elegancka — zastępuje różniczkator, który wzmacnia szum, opóźnieniem, które go tłumi. **Co zmieniło dla majsterkowiczów.** Przed niezawodnym wykrywaniem zakończenia bezpieczny prąd ładowania wynosił C/10 przez noc, ponieważ cykl rekombinacji mógł go absorbować w nieskończoność. Potem szybkie ładowanie stało się zwyczajne, a szybka ładowarka sprawia, że przepływ pracy z dwoma akumulatorami działa: jeden w narzędziu, drugi w ładowarce, bez czekania. Akumulator ze szczebla 3 i ładowarka z tego szczebla mają sens tylko razem. **Uczciwe ograniczenia.** −ΔV to sygnał chemii niklowej i nie występuje w litowo-jonowych, których napięcie tylko rośnie; ogniwa litowe kończą ładowanie metodą stałego prądu do stałego napięcia, a następnie malejącym prądem, czyli zupełnie inną metodą. −ΔV staje się też trudniejsze wraz ze starzeniem się akumulatora, bo szczyt się spłaszcza, a na pojedynczym ogniwie jest prawie nieużyteczne z powodu, który podaje krok 2. Cały schemat opiera się też na założeniu, że ogniwa w pakiecie osiągają pełne naładowanie razem — co, jak pokazuje szczebel 7, nie ma miejsca.