Бесконтактное зарядное устройство

Сегодня появился новый способ зарядки мобильных устройств — бесконтактный. Его суть заключается в том, что заряжаемое устройство не имеет непосредственного электрического контакта с зарядным устройством. Такой способ применяют для зарядки мобильных телефонов, смартфонов и пр. Автор предлагает свой вариант бесконтактного зарядного устройства для зарядки аккумуляторов светодиодного фонаря.

При частом пользовании каким-либо устройством со сменными элементами питания, например, карманным фонарём, возникает потребность в частой замене гальванических элементов питания или периодической зарядке, если применены аккумуляторы. Для зарядки аккумуляторов приходится вынимать их из корпуса фонаря, что не всегда удобно. В тоже время сейчас всё большее распространение получает технология так называемой бесконтактной зарядки. Принцип работы большинства таких зарядных устройств (ЗУ) основан на индуктивной связи между источником и потребителем энергии. По такому же принципу работает и предлагаемое вниманию читателей ЗУ для карманного фонаря.

Основа предлагаемого ЗУ — электронный балласт от компактной люминесцентной лампы (КЛЛ). Как известно, электронный балласт КЛЛ представляет собой импульсный генератор, работающий на частоте несколько десятков килогерц. Благодаря такой частоте все элементы устройства имеют небольшие размеры, в том числе трансформаторы и балластные дроссели. Именно балластный дроссель является элементом, который ограничивает ток через люминесцентную лампу. И в этом смысле он выполняет ту же функцию, что и балластный конденсатор в простейших зарядных устройствах — ограничивает (задаёт) ток зарядки.
 

Рис. 1. Структурная схема ЗУ
 
Структурная схема ЗУ показана на рис. 1. От КЛЛ использован собственно электронный балласт, который содержит выпрямитель со сглаживающим конденсатором, импульсный генератор и балластный дроссель, последовательно с которым включена не люминесцентная лампа, а разделительный трансформатор. Этот трансформатор служит связующим элементом между зарядным устройством и аккумуляторной батареей фонаря. Поскольку он включён последовательно с балластным дросселем, ток через него будет ограничен, и он частично работает как трансформатор тока, поэтому замыкание в цепи его вторичной обмотки не приведёт к катастрофическим последствиям. Первичная обмотка трансформатора размещена в корпусе ЗУ, вторичная — в фонаре. Через первичную обмотку трансформатора протекает ток, который зависит в основном от индуктивности балластного дросселя и напряжения сети, поэтому остаётся относительно стабильным.

В фонаре на вторичной обмотке трансформатора возникает переменное напряжение, которое выпрямляется и через ограничитель напряжения поступает на аккумуляторную батарею фонаря. Поскольку ток в первичной обмотке трансформатора ограничен, то он будет ограничен и во вторичной. Изменяя параметры трансформатора тока, можно задать требуемые напряжение и ток зарядки батареи. Когда напряжение батареи достигнет максимального значения, включится ограничитель. Напряжение на батарее перестанет расти, а "лишний" ток потечёт через ограничитель.
 

Рис. 2. Схема электронного балласта КЛЛ и его доработка
 
Схема электронного балласта КЛЛ и его доработка показаны на рис. 2. Все вновь вводимые элементы и соединения выделены цветом. Была использована КЛЛ мощностью 18...20 Вт. После вскрытия её корпуса с платы снимают проволочные выводы (4 шт.) люминесцентной лампы, которые обычно намотаны на металлические штыри. Затем отсоединяют провода, соединяющие плату с цоколем лампы. Плату размещают в пластмассовом корпусе подходящего размера с крышкой. Корпус должен быть достаточно просторный, чтобы, кроме платы, поместить дополнительные элементы. В авторском варианте была применена цилиндрическая коробка диаметром 65 и высотой 28 мм от канцелярских скрепок (рис. 3). Последовательно со штатным балластным дросселем L2 взамен люминесцентной лампы включают ещё один балластный дроссель L3 от аналогичной КЛЛ и первичную обмотку Т2.1 разделительного трансформатора. Для индикации работы импульсного генератора к его выходу через токоограничиваю-щие резисторы R10 и R11 подключена неоновая индикаторная лампа HL1. Весь монтаж проводят навесным методом, для индикаторной лампы в корпусе сделано отверстие соответствующего диаметра.

Для доработки был выбран светодиодный фонарь с диаметром корпуса 24 и длиной 82 мм. В нём применены девять светодиодов и батарея из трёх аккумуляторов типоразмера ААА. Кнопочный выключатель питания расположен в отвинчивающейся крышке батарейного отсека. С корпусом фонаря соединены катоды светодиодов. Схема доработки фонаря показана на рис. 4, все новые элементы и связи показаны красным цветом. Переменное напряжение с обмотки Т2.2 разделительного трансформатора выпрямляет диодный мост VD1, пульсации выпрямленного напряжения сглаживает конденсатор С1. Через диоды VD2 и VD3 ток зарядки поступает в аккумуляторную батарею. Диод VD2 предотвращает разрядку батареи в дежурном режиме, а диод VD3, подключённый параллельно-встречно светодиодам, пропускает зарядный ток. На микросхеме DA1 (параллельный стабилизатор напряжения) собран ограничитель напряжения, светодиоды HL1, HL2 индицируют режимы зарядки батареи.
 

Рис. 4. Схема доработки фонаря
 
В начале зарядки, когда напряжение аккумуляторной батареи меньше номинального, напряжение на управляющем входе (вывод 1) микросхемы DA1 меньше порогового. Поэтому ток через микросхему мал, и практически всё выпрямленное напряжение поступает на цепь из токоогра-ничивающего резистора R5 и светодиода HL2 (зелёного цвета свечения), который и сигнализирует о том, что происходит зарядка аккумуляторной батареи.

Когда напряжение батареи достигнет порогового значения, ток через микросхему возрастёт и падение напряжения на ней уменьшится примерно до 2 В. Зарядный ток станет протекать через резистор R3 и микросхему DA1, поэтому зарядка аккумуляторной батареи постепенно прекратится При этом светодиод HL2 погаснет, a HL1 (красного цвета свечения) начнёт светить, сигнализируя об окончании зарядки.

Конструкцию устройства поясняет рис. 5. В крышке 3 батарейного отсека размещён кнопочный выключатель 5 (SA1 на рис. 4). Один вывод 4 выключателя 5 механически соединён с металлическим корпусом крышки 3, второй — с пружинным контактом 6. Выключатель механически зафиксирован в крышке с помощью изоляционной пластмассовой прокладки 7. С другой стороны для защиты от внешних климатических воздействий на выключатель надета резиновая прокладка 8.

Доработка сводится к следующему. К крышке 3 приклеен пластмассовый кожух 1. В центре кожуха сделано отверстие, в котором с помощью клея закреплён каркас 10. На него намотана вторичная обмотка 2 (Т2.2) разделительного трансформатора. Функцию толкателя выключателя выполняет цилиндрический магнитопровод 11. Чтобы он не выпадал из каркаса 10, к нему приклеена пластмассовая шайба 9. В отверстие в центре верхней крышки 12 корпуса электронного балласта вклеен пластмассовый каркас 14, на который намотана обмотка 13 (Т2.1) трансформатора.

Внутренний диаметр каркаса для намотки катушек трансформатора выбирают таким, чтобы в него с небольшим люфтом входил магнитопровод 11. В авторском варианте применён магнитопровод диаметром 6 и длиной 15 мм от дросселя компьютерного блока питания. Высота каркаса 14 — 8...9 мм, каркаса 10 — 6...7 мм, их толщина — 0,5...0,7 мм. Обмотка Т2.1 содержит 350 витков провода ПЭВ-2 0,18, обмотка Т2.2 — 180 витков провода ПЭВ-2 0,1. Диаметр шайбы 9 — 10...12 мм, толщина — 0,5... 1,5 мм, последнюю подбирают так, чтобы магнитопровод 11 "не болтался". Диаметр кожуха (пластмассовый контейнер от лекарства) — 21 мм, его высота — 11 мм. Доработанный фонарь показан на рис. 6.
 


При пользовании фонарём магнито-провод выполняет функцию толкателя выключателя. Но если фонарь выключить, электронный балласт включить в сеть и вставить магнитопровод в каркас 14 (см. рис. 5), между обмотками Т2.1 и Т2.2 возникнет индуктивная связь, на обмотке Т2.2 появится напряжение и начнётся зарядка аккумуляторной батареи (рис. 7).

В устройстве применены малогабаритные постоянные выводные резисторы Р1-4 или импортные, светодиоды — любые с диаметром корпуса 3 мм красного и зелёного цветов свечения. Конденсатор С1 — К10-17в, он установлен на выводах диодного моста VD1.

Налаживание начинают с подборки числа витков обмотки Т2.2. Для этого наматывают указанное число витков этой обмотки и подключают к ней диодный мост с конденсатором фильтра. Вставляют маг-нитопровод в каркас обмотки Т2.1 и надевают на него обмотку Т2.2. К выходу диодного моста (см. рис. 4) подключают переменный резистор сопротивлением 470 Ом. Изменяя его сопротивление, контролируют ток через него и напряжение на нём. Необходимо, чтобы при требуемом зарядном токе напряжение было 4,8...5 В (напряжение заряженной аккумуляторной батареи — 4,3...4,4 В плюс падение напряжения на диодах VD2 и VD3). При большем напряжении увеличится ток зарядки. Поскольку в фонаре планировалось применить три аккумулятора ёмкостью 300...600 мАч, был выбран ток зарядки около 40 мА. По результатам измерений принимают решение о необходимости добавить или удалить витки обмотки Т2.2. После подборки числа витков обмотку надо защитить, покрыв слоем лака или клея. Следует отметить, что их число может заметно отличаться от указанного выше, поскольку это зависит от размеров и свойств магнитопровода. Для увеличения тока зарядки необходимо либо увеличить число витков первичной обмотки трансформатора тока, либо увеличить ток через неё, уменьшив индуктивность дросселей L2 и L3 в электронном балласте.

Затем на макетной плате монтируют все остальные элементы устройства, в батарейный отсек устанавливают свежезаряженные аккумуляторы, выводы 1 и 2 микросхемы DA1 временно замыкают. Вставляют магнитопровод в каркас обмотки Т2.1, надевают на него обмотку Т2.2 и измеряют напряжение (иВыпР) на выходе выпрямителя (см. рис. 4). Затем взамен батареи подключают переменный резистор сопротивлением 470 Ом и, изменяя его сопротивление, устанавливают на выходе выпрямителя такое же напряжение (ивыПр)- Резистор R1 (см. рис. 4) подбирают так, чтобы при увеличении этого напряжения (его изменяют переменным резистором) на несколько десятков милливольт светодиод HL2 выключался, a HL1 — включался. В случае необходимости подбирают резистор R3. Его сопротивление должно быть таким, чтобы при отключении переменного резистора напряжение на выходе выпрямителя не превысило ивыпР и светился светодиод HL1. Следует учесть, что максимально допустимый ток микросхемы TL431CLP — 100 мА, поэтому ток зарядки не должен превышать 60...70 мА.

Доработку фонаря начинают с установки диода VD3. Для этого надо вынуть батарейный отсек, аккуратно удалить защитное стекло и изнутри выдавить плату со светодиодами. На плату между выводами светодиодов устанавливают диод VD3. После проверки правильности монтажа сборку проводят в обратном порядке и проверяют работоспособность фонаря. Все остальные элементы будут размещены в кожухе на крышке батарейного отсека.

В резиновой прокладке 8 (см. рис. 5) прокалывают два отверстия, в которые вставляют провода в надёжной изоляции, например МГТФ, и припаивают их к выводам выключателя. При этом, возможно, потребуется извлечь выключатель из крышки 3 (см. рис. 5). Затем размещают элементы и закрепляют их термоклеем в кожухе 1 и соединяют проводами. Для установки светодиодов в кожухе делают два отверстия диаметром 3 мм.

Предложенное зарядное устройство можно применить для зарядки встроенных в самые различные устройства аккумуляторов или аккумуляторных батарей. В зависимости от конструкции такого устройства магнитопровод можно установить в каркасе обмотки Т2.1, а на него надевать катушку Т2.2, а также более кардинально изменить конструкцию трансформатора.