构建AA NiMH和NiCd电池的USB充电器

构建AA NiMH和NiCd电池的USB充电器

我总是在抱怨旅行时需要随身携带的所有的充电器和墙壁疣。而这个项目,可以使用笔记本电脑的USB端口,以一对AA镍氢(NiMH)或镍镉(NiCd)电池为电源充电,这就可以解决了一部分问题。(顺便说一句,如果你想减轻笔记本电脑的负担,请看一下MoGo鼠标。)

任何USB端口都可以提供高达500mA的5V电压。USB标准规定,在协商使用500mA的权利之前,设备可能不会使用超过100mA的电流,但显然没有USB端口强制执行该要求,这使得USB端口成为此电源等设备的便捷充电器。

市面上有USB AA充电解决方案,但它们都有一些缺点:

这个USBCell有一块1300mAh的AA镍氢电池和一个可移动的顶部,允许其直接插入任何USB端口而不需要单独的充电器。不幸的是,电池容量非常低(目前大多数NiMH AA电池都是2500mAh),而且每个电池都需要自己的端口。

有一种双电池USB供电的AA充电器,以各种各样的名称出售,但它以100mA的极低速率充电。经销商将其称为“隔夜充电器”,但在100mA时,2500mA电池充电需要约40小时(由于低电流充电效率低,因此需要40个而不是25个)。

我找到了一个可以通过USB端口,自动适配器或者墙壁疣供电的2/4电池充电器,但它与我试图更换的壁式充电器一样大。这些各种各样的充电器到处都是,但这些都需要10到12个小时才能为2500mAh电池充满电。

2007年12月更新: 三洋为其Eneloop电池推出了USB供电充电器。该充电器没有上面列出的任何缺点,并且将在大约5小时内为一对2000mAh电池充电,或者在一半时间内对单个电池充电。虽然设计用于Eneloops,但它也适用于常规的NiMH细胞。]

这个项目中的充电器设计用于为任何容量的两节AA NiMH或NiCd电池充电(只要它们相同),电流约为470mA。它将在约1.5小时内充满电700mAh NiCds电池,在约3.5小时内充满电1500mAh NiMH电池,在约5.5小时内充满电2500mAh NiMHs电池。充电器包含了一个基于电池温度的自动充电切断电路,电池可以在切断后一直留在充电器中。

产品规格

此充电器具有以下规格:

  • 尺寸:3.8“L×1.2”W×0.7“H(9.7cm×3.0cm×1.5cm)。
  • 电池:两个AA,NiMH或NiCd
  • 充电电流:470mA
  • 充电终止方法:电池温度(33°C)
  • 涓流电流:10mA
  • 电源:台式机,笔记本电脑或集线器USB端口
  • 工作条件:15°C至25°C(59°F至77°F)

电路

这款充电器的核心是Z1a,是LM393双电压比较器的一半。输出(引脚1)可以处于两种状态之一,高或低。充电时,内部晶体管将输出拉低,通过Q1和R5吸收约5.2mA的电流。Q1具有大约90β,因此大约有470mA电流从充电的两个AA电池中流出。这将在短短5个多小时内为一对2500mAh电池充满电。

USB供电AA充电器原理图。

USB供电AA充电器原理图。

在充电期间,R1,R2和R4形成三路分压器,在Z1a的非反相输入端(引脚3,Vref)产生约1.26V的电压

TR1是热敏电阻,与被充电的电池直接接触。它在25°C(77°F)时具有10kΩ的电阻,每1C°(1.8F°)与温度成反比约3.7%。R3和TR1形成分压器,其值应用于反相输入(引脚2,Vtmp)。在20°C(68°F)的温度下,TR1约为12kΩ,这使得Vtmp约为1.76V。

一旦电池完全充满电,充电电流就会以热量的形式浪费掉,电池温度就会升高。随着电池温度升高,TR1的电阻就会下降。在33°C(91°F)时,电阻约为7.4kΩ,这使Vtmp约为1.26V,等于Vref电压。

电池电压与时间的关系 当电压达到峰值时,电池充满,此后不久充电器就会关闭。

电池电压与时间的关系 当电压达到峰值时,电池充满,此后不久充电器就会关闭。

当温度升至33°C以上时,Vtmp将小于Vref,Z1a的集电极开路输出将浮动。因为它此时受到R1,R2和R4的限制,因此,流过R5的电流将大大减少。结果就是,流过Q1和电池的电流会降低到10mA的涓流充电速率。

此外,由于R4现在通过R5和Q1连接到+ 5V,而不是通过Z1a保持在0.26V,因此Vref电压变为大约2.37V。这可以保证随着电池温度的下降,充电器不会重新开启。为了使Vtmp达到2.37V,TR1必须达到约20kΩ,相当于约6°C(43°F)的温度,这在室温环境中永远不会担心。

Z1b是LM393芯片上的另一个比较器,仔细观察原理图可以知道它正在执行与Z1a相同的作用。然而,它不是驱动充电晶体管,而是驱动指示充电正在进行中的LED灯。R6将LED的电流限制在10mA左右。通过从它自己的比较器运行LED(无论我们是否使用它,它都在芯片上),LED电流对Vref没有影响。

最后,C1用于确保在插入一对电池时开始充电。没有电池并且充电器关闭,C1的电压约为1.9V(5V – 0.7V – Vref)。一旦插入两个电池中的第二个,C1的正侧突然被迫下降到电池电压(大约2.4V)。这立即迫使负极低于此值1.9V,达到约0.5V。由于它连接到Vref,Z1a的输出变低,然后充电就会开始。几毫秒后,C1调整到一侧R1,R2和R4以及另一侧单元施加的新电压差,不再影响电路。

施工

该电路最好建立在印刷电路板上。请参阅关于此主题的文章,制作优秀的印刷电路板。这是印刷电路布局:

铜方面。 实际尺寸为3.8“x 1.2”(9.7cm x 3.0cm)。 点击放大。

铜方面。实际尺寸为3.8“x 1.2”(9.7cm x 3.0cm)。

首先安装所有电阻器和电容器。电阻器应平放安装。安装LED1,确保定向,使负极端子连接到Z1b的引脚7。

元件放置图。 点击放大。

元件放置图。点击放大。

接下来安装Z1,确保引脚1(由IC的一个角上的小点或标识表示)的方向如放置图所示。如果您愿意,可以使用Z1插座。

晶体管Q1安装在小型散热器上。首先将引线向后弯曲90°,使它们开始变窄。不要太弯曲它们否则它们可能会断裂。将Q1插入其引线孔,然后将散热器滑到下面。在焊接引线的同时用夹子将所有东西固定到位。在夹具仍然就位的情况下,钻出散热器螺栓的孔。

安装所有电子元件的充电器。 请注意,散热器Q1下方有空间。 电池座所在的电路板区域已被磨损,以帮助粘附。

安装所有电子元件的充电器。请注意,散热器Q1下方有空间。电池座所在的电路板区域已被磨损,以帮助粘附。

下一步是安装电池座。我使用了一个2芯电池座,它是通过从一个并排的4芯电池座上切下两个外部电池的位置而制成的。你当然可以买一个2芯电池架,但是当我去零件店时,没有一个可用。我的方法具有额外的优点,即电池更容易插入和移除,因为支架的侧面不会在电池方向上内弯曲。在安装支架之前,拆下中央分隔器的1/4长部分,为热敏电阻腾出空间。还要将一些引线焊接到电池座端子上。将支架粘贴在电路板上的适当位置,与电路板的侧面和末端齐平。胶水干燥后,钻出电路板上的TR1孔,在电池座上形成匹配的孔。如果你认真地去做了所有的事情,这两个孔应该在中心线上,就在你移除了分隔线的地方。

将热敏电阻插入孔中,然后将一对AA电池放入支架中。从铜侧向上推热敏电阻,使其与电池牢固接触,然后将其焊接到位。然后取下电池,将电池座引线连接到放置图上标有B +和B-的孔。

完成充电器,一个电池到位。 通过切割4个电池座的外部位置来制造2个电池座。 注意如何安装热敏电阻,以便与正在充电的电池进行物理接触。 一个小型散热片让Q1保持凉爽。

完成充电器,一个电池到位。通过切割4个电池座的外部位置来制造2个电池座。注意如何安装热敏电阻,以便与正在充电的电池进行物理接触。一个小型散热片可以让Q1保持凉爽。

最后一步是连接USB电源线。要么购买电缆,要么从丢弃的USB设备(例如损坏的鼠标)上切下一根电缆。将电缆切割成所需的长度,并从末端剥去约1英寸的外壳。回到屏蔽上,找到+ 5V和GND线。它们通常分别是红色和黑色。剥去外壳并将它们的末端镀锡,然后将它们焊接到充电器的USB + 5V和USBGND端子上。

测试

在将充电器连接到电源之前,请仔细检查您的工作。确保所有组件都正确定向(特别是Q1,LED1,Z1和电池座)。

对于初始测试,我使用USB集线器供电。 电池和触点之间的一对#11爱好刀片让我连接电压监视器。

对于初始测试,我使用USB集线器供电。电池和触点之间的一对#11爱好刀片让我连接电压监视器。

对于初始测试,我建议您使用有源USB集线器。通过使用集线器,可以确保充电器不会从计算机中获取电量,就不会因为充电器中的缺陷而损坏电源。但请注意,除非集线器连接到计算机,否则大多数有源集线器都不会输出任何电源。或者,您可以使用稳压5V电源,暂时连接到电路板上的+ 5V和GND走线。

接通电源后,检查LED是否熄灭。如果它打开,请使用330Ω电阻瞬间将TR1短路(这使得电路认为电池已经非常热)。如果LED没有熄灭,那就有问题了。

关闭LED,测量GND和Vref(Z1的引脚3)之间的电压。这应该约为2.37V。它可能有点多或少,具体取决于确切的电源电压和电阻值的变化。还要检查Vtmp(引脚2)的电压。在室温下,这应该在1.60V至1.85V的范围内,具体取决于温度。

现在插入一对匹配的AA NiMH电池,最好是部分或完全放电的电池。插入第二个电池后,LED应该亮起。再次测量Vref电压; 它现在应该是大约1.26V。由于电源上的负载引起电源电压下降,Vtmp也可能有一点变化。

充电器现在正在充电,电池端子的电压应该增加。过了一会儿,增长率应该放缓。当电池达到约75%的电荷时,增加的速度将再次加速。最后,当电池达到100%充电时,电压将开始下降,电池将开始变热。15至20分钟后,充电器应关闭。如果电池变得不舒服并且充电器没有关闭,那就有问题了。

它也值得测量充电电流。最简单的方法是在一个电池和电池座触点之间插入两个薄的导电条,例如黄铜垫片,由绝缘体隔开就行了。然后将电流表连接到两个条带,使充电电流流过仪表。仪表读数应介于450和490mA之间。如果它更高,您将超过USB电流供应规格,因为充电器本身使用额外的10mA(主要用于LED)。

如果测得的电流 太高或太低,请根据以下公式用不同的电阻值替换R5:

R5 = 1.6× I

使用最接近的标准值。例如,如果测量510mA的电流,则用820Ω电阻代替R5。如果测得的电流为420mA,请使用680Ω电阻。

附件

在我写这篇文章的时候,我还没有为这个电路构建一个外壳,但是计划在不久的将来这样做,因为裸板不够强,不能在旅途中扔进笔记本电脑包。侧面和底部的外壳将由1/16的塑料或飞机胶合板制成,电路就放在半透明塑料面板上。电池盒将保持打开状态。应变消除将防止USB引线在连接到电路板的位置断开。为了冷却,我计划在散热器区域的侧面和顶部钻孔。

使用充电器

使用充电器很容易。只需将其插入USB端口并插入要充电的两个电池即可。当LED熄灭时,充电完成。大致充电时间如下:

细胞类型 充电时间
700mAh NiCd 1.5小时
1100mAh NiCd 2.5小时
1600mAh NiMH 3.5小时
2000mAh NiMH 4.5小时
2500mAh NiMH 5.5小时

重要的是带电的两个电池具有相同类型和相同的放电水平。如果电池不匹配,则一个电池将在另一个电池之前充满电。当温度达到33°C时,充电器将关闭。如果第二个电池比第一个电池需要的电流大约多200mAh,那它不就会充满电。

 这款充电器具有合适的外壳,非常适合旅行时使用笔记本电脑为充电器供电。 应插入笔记本电脑以避免电池耗尽。

这款充电器具有合适的外壳,非常适合旅行时使用笔记本电脑为充电器供电。应插入笔记本电脑以避免电池耗尽。

通常,如果在单个设备(数码相机,GPS等)中可以一起使用两个电池,则它们将保持同步,并且可以一起充电。

充电完成后,充电器将切换到10mA涓流充电。这足以克服电池的自然自放电率,而且足够低以至于电池可以一直留在充电器中。但是,除非将充电器插入已通电的USB端口,否则请勿将电池留在充电器中。否则,电池将为电路供电并在此过程中耗尽。

在任何计算机上使用此充电器时,请确保计算机未设置为关闭USB端口电源的省电模式。如果发生这种情况,充电将会停止,正在充电的电池将会放电。当使用笔记本电脑作为电源时,最好插入笔记本电脑的电源,因为充电器使用了大量的电量,并且可能需要更长的时间来完成笔记本电池的使用。

如果用USB集线器为此充电器供电,请务必使用有源集线器。无源集线器将无法向充电器提供足够的电流,因为它必须与集线器中的端口(通常为4个)共享来自计算机的500mA电流。额外的电缆长度也会降低到达充电器的电压。

为AAA电池充电

如果电池座中的弹簧足够长,充电器也可用于为一对AAA电池充电。然而,必须在电池和电池座的侧面之间插入垫片,以确保电池保持与热敏电阻接触。仅为现代AAA电池充电,容量为700mAh或更高。

零件清单

有些部件可以在Radio Shack获得,但像Digi-Key这样的大型电子供应商更有可能存放所需的所有部件。

部分 描述
R1 56kΩ¼W,5%电阻
R2 27kΩ¼W,5%电阻
R3 22kΩ¼W,5%电阻
R4 47kΩ¼W,5%电阻
R5 750Ω¼W,5%电阻
R6 220Ω¼W,电阻器
TR1 10kΩ@ 25°C热敏电阻,约。3.7%/ C°NTC
Radio Shack#271-110(已停产
C1 0.1μF10V电容
Q1 TIP32C PNP晶体管,TO-220外壳
Z1 LM393双电压比较器IC,DIP
LED1 红色,绿色或黄色LED,10mA
其他 2芯AA电池座
USB电缆
小型散热器

   请注意,Radio Shack热敏电阻已停产。虽然我没有尝试过任何一种,但也有其他类似的热敏电阻,如Vishay#2381 640 54103(Digi-Key#BC2298-ND)。温度系数略有不同(约4.6%/ C°),但在我们感兴趣的范围内,足够接近。使用此热敏电阻,截止和开启温度分别约为32°C(89°F)和10°C(50°F)。

或者,您可以使用下面的电阻值和Vishay热敏电阻将截止温度提高到33°C,同时将开启温度降低到3°C(37°F)。

部分 用于
Vishay的替代电阻值#2381 640 54103热敏电阻
R1 82kΩ¼W,5%电阻
R2 33kΩ¼W,5%电阻
R3 27kΩ¼W,5%电阻
R4 39kΩ¼W,5%电阻

我没有测试过这个组合,但是使用我用来计算与Radio Shack热敏电阻一起使用的值的相同程序来计算这些值。请勿从这个表上面列出的那些值混合匹配值。如果将任何值更改为此表中的值,请更改所有值。

如果有人找到Radio Shack热敏电阻的备用资源,请留言告诉我。

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