Знати, коли зупинитися: пошук піку, що означає повний заряд

**US 5,196,780**, David R. Pacholok, подано **10 вересня 1991**, видано **23 березня 1993**, термін дії минув. Фігура на цій сторінці є власним аркушем 1: FIG. 1 — це крива напруги в часі з позначеним піком, а FIG. 2 — блок-схема — FAST CHARGE і SLOW CHARGE блоків, RC-мережа на компаратор і вздовж низу **TH** та **TIMER**. Перш ніж щось будувати, випишіть три способи припинення, оскільки суть винаходу полягає в їх поєднанні, а не в будь-якому окремому з них: 1. **−ΔV**, виявлюваний конденсатором, зарядженим через резистор від клеми акумулятора. Конденсатор відстає. Коли він *обганяє* напругу акумулятора, батарея має вже перевернутися. Без диференціатора, без проблеми шуму. 2. **Таймер**, близько вісімнадцяти хвилин при швидкому заряджанні. Якщо сигнал напруги так і не надходить, заряджання все одно завершується. 3. **Термостат**, встановлений між **40 °C і 60 °C**, на самих елементах. Якщо вони нагріваються з будь-якої причини, заряджання завершується. Далі зверніть увагу, що відбувається після завершення: схема не вимикається, а переходить до **повільного заряджання**, що компенсує саморозряд без перезаряджання. Зарядний пристрій, який просто зупиняється, залишає вам батарею, яка знову розряджена до четверга. Джерела для цього є надійними, а число перевірено. Якщо на пізнішому етапі сказано, що число не вдалося визначити, це стосується саме того етапу, а не звички.

Неможливо розумно побудувати детектор для сигналу, який ви ніколи не бачили. Спочатку зафіксуйте сигнал. Помістіть один розряджений NiMH елемент у утримувач. Налаштуйте лабораторне джерело живлення на постійний струм **1C** — 2 А для елемента 2000 мАг — з обмеженням напруги 1,8 В, щоб погане з'єднання не могло спричинити несподіваного результату. Прикріпіть термопару скотчем до корпусу. Фіксуйте напругу на клемах з точністю до **чотирьох цифр** і температуру корпусу щохвилини. Чотири цифри — це не педантичність: весь сигнал, який ви шукаєте, становить близько 10 мВ, тож трицифровий вимірювач, що показує 1,48 В, його взагалі не побачить. Очікуйте протягом приблизно години: - швидке зростання в перші хвилини, поки елемент поляризується; - довгу, повільно зростаючу середню частину; - **пік**, а потім падіння порядку 5–15 мВ для одного елемента; - **різке зростання температури** приблизно з того самого моменту. Зупиніться на піку або при 45 °C, залежно від того, що настане раніше. Позначте у журналі, де був пік і на скільки мілівольт сталося падіння. Це число, яке ваша схема має розрізняти, а в батареї з дванадцяти елементів воно у дванадцять разів більше, тому припинення за −ΔV працює набагато краще для батареї, ніж для одного елемента.

Тепер побудуйте детектор Пацholока на макетній платі. Він складається з чотирьох частин. 1. **RC-ланка.** Резистор від клеми батареї до конденсатора, другий висновок конденсатора на землю. Підберіть R і C так, щоб добуток R×C дорівнював сталій часу, яку ви обрали на кроці 4 — 470 кОм з 470 мкФ дають близько 220 секунд, майже чотири хвилини. Використовуйте плівковий або електролітичний конденсатор з малим струмом витоку; конденсатор з витоком — це другий резистор, якого ви не планували, і він назавжди утримуватиме копію на низькому рівні. 2. **Компаратор.** LM393, напруга батареї на одному вході та конденсатор на іншому. Його вихід перемикається в момент, коли конденсатор переважає. 3. **Трохи гістерезису.** Резистор великого опору від виходу назад на неінвертуючий вхід, близько мегаома, щоб вихід перемикався різко, а не дрижав у точці перетину. Без нього ви будете спрацьовувати постійно від шуму в мілівольтах. 4. **Перемикач.** Вихід компаратора керує затвором логічно-рівневого MOSFET, який пропускає струм заряду. Логічний рівень важливий: звичайний MOSFET не відкриється повністю від затвора 5 В і розсіюватиме різницю у вигляді тепла. Спочатку перевірте без батареї. Подайте на вхід генератор функцій з дуже повільним трикутним сигналом — кілька хвилин на цикл, від одного до двох вольт від піку до піку — і перевірте, що вихід перемикається трохи після кожного піку, а не раніше. Генератор сигналів, який можна крутити як завгодно, є набагато кращим тестом, ніж елемент, що перевертається раз на годину. Потім подайте на нього вашу записану криву елемента вже по-справжньому. Спостерігайте напругу конденсатора на одному каналі осцилографа, а елемент на другому; перетин видно, і саме в цьому суть схеми.

Детектор −ΔV сам по собі є схемою, яка може непомітно відмовити, і режимом відмови є заряд, який ніколи не закінчується. Додайте ще два. **Термостат.** Використовуйте власний термистор батареї, якщо у вас є вивід TH з рівня 3, або термістор 10 кОм NTC, приклеєний скотчем до елемента. Поставте його в дільник напруги з фіксованим резистором і подайте вихід дільника на другу половину LM393; встановіть опорну напругу потенціометром так, щоб компаратор спрацьовував приблизно при **45 °C**. Калібруйте, а не припускайте: нагрійте термістор феном на найнижчому налаштуванні, стежачи за інфрачервоним термометром, і регулюйте, доки спрацювання не відбудеться там, де вам потрібно. Підключіть вихід цього компаратора так, щоб він міг відключити затвор MOSFET **незалежно** від того, що показує half −ΔV. **Таймер.** Таймер 555 у режимі одновібратора з довгим RC дає вам вісімнадцять хвилин Пачолока. Розрахуйте R і C для власної швидкості заряду, а не копіюйте його: вісімнадцять хвилин правильні для швидкості, якою заряджав його зарядний пристрій, а таймер, налаштований на неправильну швидкість, гірший за відсутність таймера, бо щоразу перериватиме добрий заряд. Тепер перевірте кожен **окремо**. Відключіть половину −ΔV і доведіть, що термостат зупиняє заряд. Відключіть термостат і доведіть, що таймер це робить. Резервування, яке ви ніколи не перевіряли окремо, не є резервуванням, це три схеми та надія. Нарешті, додайте шлях повільного заряду: резистор, що пропускає струм підзарядки після завершення, приблизно C/40. Виміряйте його мультиметром і порівняйте зі швидкістю саморозряду елемента.

**Авторство.** US 5,196,780, David R. Pacholok, подано 10 вересня 1991, видано 23 березня 1993, термін дії закінчився. Креслення на цій сторінці належить самому патенту. **Чому 1991, а не 1961.** Ефект −ΔV був зрозумілий задовго до цього патенту; виробники елементів описували його в прикладних приміDupă роками. Чого не вистачало, так це способу виявити падіння на кілька милівольт у сигналі, що накладався на понад вольт, і зробити це достатньо дешево, щоб вбудувати в споживче зарядне пристрій, без мікроконтролера. Трюк із RC-затримкою є відповіддю на частину «достатньо дешево», і він справді елегантний: він замінює диференціатор, який підсилює шум, затримкою, яка його пригнічує. **Що це змінило для виробників.** До надійного завершення безпечною швидкістю заряджання була C/10 протягом ночі, оскільки цикл рекомбінації міг поглинати цей струм необмежено. Після цього швидке заряджання стало звичайним, а швидкий зарядний пристрій робить можливим робочий процес із двома акумуляторними блоками: один в інструменті, другий на зарядному пристрої, і без очікування. Блок ранга 3 і зарядний пристрій цього ранга мають сенс лише разом. **Чесні обмеження.** −ΔV є сигналом нікель-хімії, і його немає в літій-іонних елементах, напруга яких лише зростає; літієві елементи завершують заряджання за схемою постійного струму до постійної напруги, а потім за спадаючим струмом, що є зовсім іншим методом. Також −ΔV стає важчим для виявлення зі старінням блоку, оскільки пік згладжується, і він майже непридатний для одного елемента з причини, яку наводить крок 2. Крім того, уся схема побудована на припущенні, що елементи в блоці досягають повного заряду разом, — чого, як показує ранг 7, вони не роблять.