Как определить момент остановки: поиск пика, означающего полный заряд

**US 5,196,780**, Дэвид Р. Пачолок, подана **10 сентября 1991**, выдана **23 марта 1993**, срок действия истёк. Рисунок на этой странице — собственный лист 1: FIG. 1 — кривая напряжения во времени с отмеченным пиком, а FIG. 2 — блок-схема: FAST CHARGE и SLOW CHARGE блоков, RC-цепь на компаратор и внизу **TH** и **TIMER**. Запишите три способа завершения заряда, прежде чем что-либо собирать, потому что изобретение — это их сочетание, а не какой-либо один из них: 1. **−ΔV**, обнаруживается конденсатором, заряжаемым через резистор от клеммы аккумулятора. Конденсатор отстаёт. Когда он *догоняет* напряжение аккумулятора, значит, аккумулятор уже вышел на пик. Никакого дифференцирующего звена, никаких проблем с шумом. 2. **Таймер**, примерно восемнадцать минут при быстрой зарядке. Если сигнал по напряжению так и не поступит, заряд всё равно завершится. 3. **Термостат**, установленный на **40 °C–60 °C**, на самих элементах. Если они нагреются по любой причине, заряд завершится. Затем учтите, что происходит после завершения: схема не выключается, а переходит в **медленный заряд**, который компенсирует саморазряд без перезаряда. Зарядное устройство, которое просто останавливается, оставит вас с батареей, которая к четвергу снова окажется разряженной. Источники по этому вопросу надёжны, и число проверено. Если на более позднем этапе сказано, что число установить не удалось, это утверждение относится именно к этому этапу, а не к общей привычке.

Вы не можете разумно построить детектор для сигнала, который никогда не видели. Сначала запишите сигнал. Поместите один разряженный NiMH-элемент в держатель. Установите лабораторный источник питания в режим постоянного тока **1C** — 2 А для элемента на 2000 мАч — с ограничением напряжения 1,8 В, чтобы плохой контакт не вызвал неожиданности. Прикрепите термопару скотчем к корпусу. Записывайте напряжение на клеммах с **четырьмя знаками** после запятой и температуру корпуса каждую минуту. Четыре знака — это не придирчивость: весь искомый сигнал составляет около 10 мВ, поэтому трёхзначный прибор, показывающий 1,48 В, его вообще не увидит. Ожидайте примерно в течение часа: - быстрый рост в первые минуты, пока элемент поляризуется; - долгую, медленно растущую среднюю часть; - **пик**, затем падение порядка 5–15 мВ для одного элемента; - **резкий рост температуры** примерно с того же момента. Остановитесь на пике или при 45 °C, в зависимости от того, что наступит раньше. Отметьте в журнале, где был пик и на сколько милливольт произошло падение. Это число, которое ваша схема должна различать, а в батарее из двенадцати элементов оно в двенадцать раз больше, поэтому завершение по −ΔV работает значительно лучше для батареи, чем для одного элемента.

Теперь соберите детектор Пахолока на макетной плате. Он состоит из четырёх частей. 1. **RC-цепочка.** Резистор от клеммы батареи к конденсатору, другой вывод конденсатора на землю. Подберите R и C так, чтобы R×C была постоянной времени, выбранной на шаге 4: 470 кОм с 470 мкФ дают около 220 секунд, почти четыре минуты. Используйте плёночный или электролитический конденсатор с малой утечкой; протекающий конденсатор — это второй, незапланированный резистор, и он будет постоянно удерживать копию на низком уровне. 2. **Компаратор.** LM393, напряжение батареи на одном входе, конденсатор на другом. Его выход переключается в тот момент, когда конденсатор «побеждает». 3. **Небольшой гистерезис.** Резистор высокого номинала от выхода обратно на неинвертирующий вход, около мегаома, чтобы выход переключался резко, а не дребезжал на пересечении уровней. Без него вы будете срабатывать многократно из-за шума в милливольтовом диапазоне. 4. **Ключ.** Выход компаратора управляет затвором логического MOSFET-транзистора MOSFET, который пропускает зарядный ток. Логический уровень важен: обычный MOSFET не откроется полностью от затвора 5 В и будет рассеивать разницу в виде тепла. Сначала проверьте без батареи. Подайте на вход генератор функций с очень медленным треугольным сигналом — несколько минут на период, один-два вольта от пика до пика — и убедитесь, что выход переключается сразу после каждой вершины, а не раньше. Генератор сигналов, который можно разворачивать по желанию, — гораздо лучший тест, чем элемент, переворачивающийся раз в час. Затем подключите записанную кривую вашего элемента к входу по-настоящему. Наблюдайте напряжение на конденсаторе на одном канале осциллографа, а элемент — на другом; пересечение будет видно, и именно в этом смысл схемы.

Детектор −ΔV сам по себе — это схема, которая может молча отказать, и режим отказа — заряд, который никогда не заканчивается. Добавьте два других. **Термостат.** Используйте собственный термистор аккумуляторной сборки, если у вас есть вывод TH с ступени 3, или термистор на 10 кОм NTC, приклеенный скотчем к элементу. Включите его в делитель с постоянным резистором и подайте выход делителя на вторую половину LM393; установите опорное напряжение потенциометром так, чтобы компаратор срабатывал примерно при **45 °C**. Калибруйте, не предполагайте: нагревайте термистор феном на самой низкой настройке, одновременно следя за инфракрасным термометром, и регулируйте, пока срабатывание не произойдёт там, где нужно. Подключите выход этого компаратора так, чтобы он мог отключить затвор MOSFET **независимо** от того, что говорит половина −ΔV. **Таймер.** Таймер 555 в режиме моностабильного мультивибратора с большой RC-цепочкой даёт вам восемнадцать минут Пакхолока. Рассчитайте R и C для вашей собственной скорости заряда, а не копируйте его: восемнадцать минут правильны для скорости, которую использовало его зарядное устройство, а таймер, настроенный на неверную скорость, хуже, чем его отсутствие, поскольку будет обрывать каждый хороший заряд. Теперь проверьте каждую по отдельности. Отключите половину −ΔV и докажите, что термостат останавливает заряд. Отключите термостат и докажите, что таймер это делает. Резервирование, которое никогда не проверялось по отдельности, — это не резервирование, а три схемы и надежда. Наконец, добавьте путь медленного заряда: резистор, который поддерживает тонкий ток после окончания заряда, примерно на уровне C/40. Измерьте его мультиметром и сравните с собственным саморазрядом элемента.

**Авторство.** Патент США 5,196,780, David R. Pacholok, подан 10 сентября 1991 года, выдан 23 марта 1993 года, срок действия истёк. Рисунок на этой странице принадлежит самому патенту. **Почему 1991, а не 1961.** Эффект −ΔV был понятен задолго до этого патента; производители элементов описывали его в прикладных заметках в течение многих лет. Чего не хватало, так это способа дешёво, достаточно дешёво для потребительского зарядного устройства, без микроконтроллера, обнаруживать падение в несколько милливольт *на* сигнале, который находится поверх напряжения более одного вольта. Трюк с RC-задержкой — ответ на часть «достаточно дешёво», и он действительно изящен: он заменяет дифференцирующий каскад, который усиливает шум, задержкой, которая его подавляет. **Что это изменило для производителей.** До появления надёжного определения окончания заряда безопасная скорость заряда составляла C/10 на ночь, поскольку цикл рекомбинации мог бесконечно поглощать такой ток. После этого быстрая зарядка стала обычным делом, а быстрое зарядное устройство делает возможным рабочий процесс с двумя аккумуляторными блоками: один в инструменте, другой на зарядном устройстве, и без ожидания. Аккумуляторный блок ступени 3 и зарядное устройство этой ступени имеют смысл только вместе. **Честные ограничения.** −ΔV — это сигнал никель-химии, и он не существует в литий-ионных элементах, напряжение которых только растёт; литиевые элементы завершают заряд переходом от постоянного тока к постоянному напряжению и затем по снижающемуся току, что является совершенно другим методом. Кроме того, −ΔV становится труднее обнаружить по мере старения блока, поскольку пик сглаживается, и он почти непригоден для одиночного элемента по причине, указанной в шаге 2. А вся схема построена на предположении, что элементы в блоке достигают полной зарядки одновременно, — что, как показывает ступень 7, не так.