On peut utiliser ce chargeur avec des batteries Ni/Cd (Nickel-Cadmium) ou des Ni/MH (hydrate de Nickel). Avec de simples cavaliers, on peut sélectionner la valeur du courant avec lequel on souhaite recharger la batterie.
De plus, l’appareil est équipé d’un système pouvant vérifier l’état de charge de la batterie et éventuellement, si elle n’est pas complètement déchargée, il entreprend de la décharger avant de commencer à la recharger. Il dispose, en outre, de deux modes de charge (voir dernier paragraphe). Enfin, il réclame une alimentation continue de 15 V sous 800 mA, provenant d’un bloc secteur 230 V adéquat.
Le schéma synoptique
Le schéma synoptique de la figure 1 montre que l’étage d’alimentation fournit la tension correcte à tous les éléments du circuit et que le générateur de courant de charge donne sa puissance à l’alimentation afin de produire le courant nécessaire à la charge de la batterie.
Le processus de charge/décharge est réglé par un contrôleur activant les mécanismes de charge ou de décharge selon que la tension de la batterie examinée est inférieure ou supérieure à une tension de référence (Vref). La comparaison entre Vref et la tension de la batterie est faite par un comparateur de tension communiquant son résultat au contrôleur. En fonction de ce résultat, le contrôleur active le mécanisme de décharge ou commence la charge. La durée de la charge est gérée par le bloc Temps de charge : ce bloc commande le générateur de courant, lequel continue à fournir du courant à la batterie jusqu’à ce que le temps imparti soit écoulé.
Alors le courant est interrompu et le processus est terminé. De l’extérieur, on peut spécifier à ce bloc lequel des deux modes de charge on a choisi. Enfin, une touche, reliée au contrôleur, commande le début du processus.
Figure 1 : Schéma synoptique du circuit.Le schéma électrique
Le schéma électrique de la figure 2 montre que le bloc d’alimentation fournit deux niveaux de tension : V1 à 15 V et +V à 12 V (R36, ZD2 et C4/C5 protègent le circuit). On distingue le bloc (R1, R2, …, R13) à travers lequel il est possible de sélectionner la valeur du courant de charge. L’envoi ou non de ce courant vers la batterie est commandé par T3. Le bloc Temps de charge se compose de IC1 CD4536, un compteur d’événements qui, connaissant la fréquence d’un événement, est capable de “mesurer” l’écoulement du temps.
Ici l’événement à compter est réalisé avec un oscillateur RC (constitué de C1, R14, RV1 et R25). La sortie OUT (broche13) du compteur commande T3 et habilite ou non l’envoi du courant dans la batterie. La sélection du mode de charge se fait par le cavalier J2. Le contrôle du bloc Décharge se fait quant à lui à travers T1 et T2 (la résistance de décharge étant R38).
La tension de référence Vref est fournie par D1 (0,7 V). Le comparateur de tension est constitué par l’amplificateur opérationnel A1, lequel compare Vref avec la tension de la batterie : cette dernière est acheminée vers le comparateur à travers le pont résistif diviseur de tension R17, R18, …, R24. Si on ferme un cavalier, il est possible de sélectionner la valeur de tension de charge. La logique de contrôle correspond aux amplificateurs opérationnels A2 et A3. La sortie de A2 commande la broche SET du compteur, ce qui habilite le début du comptage. La sortie de A3 commande T1 (et indirectement T2) et donc règle la décharge des batteries sur R38. Enfin, on a SW1 qui commence le processus et les deux LED LD1 et LD2 qui indiquent respectivement si les processus de décharge et de charge sont effectués.
Avant d’analyser l’évolution temporelle de l’appareil, occupons-nous d’un aspect par ticulier : le fonctionnementdes broches SET, RST, OUT et du compteur IC1. RST indique au compteur de remettre à zéro le comptage, SET indique de le commencer (tous deux sont actifs sur le front de descente). La sor tie OUT indique si le comptage est terminé ou non : OUT reste bas jusqu’à ce que le comptage soit terminé, une fois le comptage terminé, OUT passe à l’état logique haut. Le circuit se caractérise par deux états : un de charge et un de décharge. Quand il est en état de charge, la sortie de A3 est haute, LD1 est en polarité inverse et reste éteinte (pour indiquer que la décharge n’est pas effectuée). La sortie haute de A3 envoie T1 en interdiction, ce qui le transforme en circuit ouvert. La base de T2 est donc à la masse, ce qui fait aussi de lui un circuit ouvert. Dans la résistance de décharge R38 aucun courant ne peut passer. Parallèlement, toujours en état de charge, la sor tie OUT de IC1 est basse (le comptage n’est pas encore terminé) : LD2 est polarisée directement, elle est donc allumée.
En outre, l’état logique bas de la sortie OUT est reporté aussi sur la base de T3 lequel est donc saturé, ce qui permet au courant de charge d’arriver à la batterie (ce courant ne peut circuler dans R35 qui a une impédance d’un mégohm, ni dans T2 qui est en interdiction : le courant ne peut circuler non plus dans le pont R17… R24 car l’impédance de la borne V+ de A1 est théoriquement infinie).
Quand en revanche le circuit est en état de décharge, la sortie de A3 présente un niveau logique bas et LD1 est allumée. Sous l’effet du potentiel de la base de T1, ce dernier comme T2 se comportent en circuits ouverts et par conséquent R38 est reliée à la masse. La batterie se décharge alors sur elle. En outre, toujours en état de décharge, la sortie OUT de IC1 est haute (le comptage n’a pas encore commencé) : LD2 est éteinte et T3 est interdit, le courant de charge ne peut atteindre la batterie.
Voyons maintenant comme est produite la sortie de A3 : cette sortie règle T1 et T2 et donc le processus de charge ou décharge de la batterie.
Considérons d’abord que la fonction de R27 et R28 est de constituer un pont diviseur de tension : elles servent simplement à maintenir les entrées V– et V+, respectivement de A2 et A3, à un potentiel d’environ 9 V.
Supposons maintenant que l’on ait relié au circuit une batterie pas complètement déchargée. Sa tension est reportée, à travers le pont, à l’entrée non inverseuse du comparateur A1. Cette tension est comparée à Vref.
La sortie de A1 est donc haute, puisque la tension V+ est supérieure à V– : cette tension est reportée aussi sur l’entrée non inverseuse de A2. Dans R26 aucun courant ne passe (D2 est polarisée inverse) et donc cette tension est reportée aussi sur la broche SET. Tant que la tension de la batterie ne descend pas en dessous de Vref, la broche SET reste haute (donc le comptage ne commence pas). A3, comme A1, fait fonction de comparateur.
Dans ce cas, la tension présente sur la borne V– est supérieure à celle de 9 V venant du pont R27/R28.
La sortie de A3 est donc basse, ce qui caractérise l’état de décharge. On note enfin que, tant que SET reste haut, la sortie OUT de IC1 aussi reste haute. Situation caractérisant correctement l’état de décharge.
À cause du processus de décharge, à un certain point la tension de la batterie tombe en dessous de la tension Vref. Par suite, la sortie du comparateur A1 passe au niveau logique bas.
Cette valeur est reportée sur la broche SET, ce qui fait commencer le comptage.
En outre, A3 est à une tension V+ supérieure à V– en passant du niveau logique bas au niveau logique haut et quand SET descend, OUT descend aussi. L’état de charge est donc correctement caractérisé.
À cause de la charge de la batterie, à un certain point la tension reportée sur l’entrée non inverseuse de A1 sera de nouveau supérieure à Vref.
Le processus de charge n’est cependant pas encore terminé, il ne le sera que le comptage une fois achevé.
À cause des entrées, la sortie de A1 est au niveau logique haut. Sans D2, cette sor tie serait reportée sur la broche SET, ce qui bloquerait de manière erronée le comptage et le processus de charge. D2 a donc été insérée afin de maintenir bas le potentiel de l’entrée non inverseuse de A2 (et donc la broche SET) en dépit du fait que la sor tie de A1 soit au niveau logique haut, ce qui permet le processus de charge continu jusqu’à la fin du comptage.
Quand ce comptage est achevé, la sortie OUT de IC1 est au niveau logique haut, LD2 est éteinte et T3 est un circuit ouvert. Par conséquent l’introduction du courant de charge dans la batterie est bloquée. Toutes les tensions de la partie contrôle du circuit ne subissent aucune variation. En particulier T2 reste interdit, ce qui empêche que la batterie qu’on vient de charger ne se décharge sur R38.
Analysons enfin le fonctionnement de la touche START : une pression sur SW1 doit mettre la broche SET au niveau logique haut (l’abaissement de SET et donc le départ du comptage sont en revanche réglés par la comparaison entre Vref et la tension de la batterie) et remet à zéro le comptage (RST doit donc être mis au niveau logique haut). Le premier résultat est atteint grâce à R34 et R26, lesquelles reportent la tension +V sur la broche SET, le second est atteint grâce à l’amplificateur opérationnel A3 et aux mécanismes de charge/décharge de C2. C3, en parallèle avec la touche, a pour fonction l’anti rebond de SW1.
Deux dernières précisions : la première concerne le cavalier J2, à travers lequel il est possible de sélectionner le temps de charge. En reliant la borne C de IC1 à la masse ou au +12 V, on modifie l’état final du comptage et donc la durée du processus de charge. Le second intéresse le cavalier J1, à travers lequel on active la procédure de réglage de la fréquence d’oscillation. En reliant la borne 6 de IC1 (broche 8-BYPASS) au +12 V, on sélectionne un test rapide du circuit intégré, bien utile pour régler la fréquence du réseau RC.
Figure 2 : Schéma électrique du chargeur de batteries.
Figure 3a : Schéma d’implantation des composants du chargeur de batteries.
Figure 3b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du chargeur de batterie.
Figure 4 : Photo d’un des prototypes du chargeur de batteries.Liste des composants
R1 ............. 82 Ω
R2 ............. 47 Ω
R3 ............. 22 Ω
R4 ............. 18 Ω
R5 ............. 12 Ω
R6 ............. 10 Ω
R7 ............. 8,2 Ω
R8 ............. 6,8 Ω
R9 ............. 4,7 Ω
R10 ............ 3,3 Ω
R11 ............ 2,2 Ω
R12 ............ 3,3 Ω
R13 ............ 3,3 Ω
R14 ............ 100 kΩ
R15 ............ 470 Ω
R16 ............ 2,2 kΩ
R17 ............ 120 kΩ
R18 ............ 15 kΩ
R19 ............ 22 kΩ
R20 ............ 33 kΩ
R21 ............ 47 kΩ
R22 ............ 82 kΩ
R23 ............ 150 kΩ
R24 ............ 470 kΩ
R25 ............ 10 kΩ
R26 ............ 10 kΩ
R27 ............ 3,3 kΩ
R28 ............ 10 kΩ
R29 ............ 10 kΩ
R30 ............ 10 kΩ
R31 ............ 10 kΩ
R32 ............ 10 kΩ
R33 ............ 1 kΩ
R34 ............ 33 Ω
R35 ............ 1 MΩ
R36 ............ 82 Ω
R37 ............ 270 Ω (1 W)
R38 ............ 10 Ω (10 W)
RV1 ............ 250 kΩ
C1 ............. 47 nF 63 V polyester
C2 ............. 47 nF 63 V polyester
C3 ............. 1 μF 50 V électrolytique
C4 ............. 10 μF 35 V électrolytique
C5 ............. 1000 μF 25 V électrolytique
D1 ............. 1N4148
D2 ............. 1N4148
D3 ............. 1N4148
D4 ............. 1N4007
D5 ............. 1N4007
LD1 ............ 3 mm rouge
LD2 ............ 3 mm verte
ZD1 ............ 6,2 V
ZD2 ............ 12 V (1,3 W)
T1 ............. BC557
T2 ............. BD237
T3 ............. BD676
IC1 ............ CD4536
IC2 ............ LM324
VR1 ............ LM385
SW1 ............ poussoir NO
J1 ............. cavalier deux pôles
J2 ............. cavalier trois pôles
J3 ............. cavalier huit pôles
J4 ............. cavalier huit pôles
J5 ............. cavalier douze pôles
J6 ............. cavalier douze pôles
Divers :
1 .............. support 2 x 7
1 .............. support 2 x 8
1 .............. prise d’alimentation
1 .............. dissipateur
1 .............. prise pour pile type 6F22
1 .............. boîtier de couplage de piles
Sauf spécification contraire, les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
La réalisation pratique
Une fois qu’on a réalisé le circuit imprimé simple face (la figure 3b en donne le dessin à l’échelle 1), on monte tous les composants dans un certain ordre en regardant fréquemment les figures 3a et 4, ainsi que la liste des composants.
N’oubliez pas les “straps” filaires J (traits noirs). R38 est à monter maintenue à quelques millimètres de la surface du circuit imprimé, pour sa bonne ventilation.
Quand la platine est réalisée, protégez-la avec un boîtier plastique ou métallique adapté.
Les réglages
Il suffit de régler le trimmer RV1 (figure 5). Au moyen du cavalier J2, sélectionnez le mode de charge (normal ou rapide) et, à l’aide des autres cavaliers, sélectionnez les tension et courant de charge adéquats.
Figure 5 : Réglage de la fréquence d’oscillation du circuit RC.Le circuit mesure l’écoulement du temps en comptant un certain nombre d’oscillations du circuit RC dont il connaît la fréquence.
Par référence au circuit, la fréquence d’oscillation peut être calculée analytiquement comme :
Chaque résistance, cependant, n’est pas toujours égale à sa valeur nominale (une certaine tolérance est à prévoir). La valeur de fc, en réalité, est différente de la valeur théorique.
C’est pourquoi on a inséré le trimmer RV1, de façon à permettre un ajustage de la résistance totale et donc de la fréquence fc. Le circuit prévoit la routine de réglage de la fréquence d’oscillation suivante :
- monter un cavalier sur CAL
- monter un cavalier sur J2 en position 52’ (sélectionner charge rapide)
- monter un cavalier pour la tension à 1,2 V
- relier l’alimentation
- mettre RV1 en position centrale
- presser la touche SW1 : la LED verte s’allume
- attendre que la LED verte s’éteigne et chronométrer ce temps
- si le temps est de 12 secondes, la fréquence d’oscillation est correcte
- si le temps est inférieur à 12 secondes, tourner RV1 vers la droite et répéter l’opération
- si le temps est supérieur à 12 secondes, tourner RV1 vers la gauche et répéter l’opération
- quand la juste valeur de résistance est trouvée, ôter le cavalier CAL.
Charge normale et charge rapide
L’appareil offre deux modes de charge : une charge normale d’une durée de l’ordre de 14 heures et une charge rapide de 52 minutes, sélectionnables par le cavalier J2.
La première méthode consiste à faire passer dans la batterie un courant de valeur plus faible, mais plus longtemps.
La seconde à y faire passer un courant dix fois plus fort pendant un temps plus court. Il est cependant conseillé de n’utiliser la charge rapide qu’en cas d’urgence car elle implique une réduction de la durée de vie de la batterie.
Charge normale :
- sélectionner 14 heures avec le cavalier J2
- sélectionner la tension de la batterie
- sélectionner le courant de charge.
Cette valeur est calculée, de manière approchée parmi celles disponibles, à un dixième de la capacité de la batterie (par exemple, une batterie de 500 mA/h de capacité doit être chargée avec un courant de 50 mA :
la valeur la plus proche étant 55 mA)
- presser la touche SW1 pour commencer la charge. Le processus se termine automatiquement après 14 heures.
Charge rapide :
- sélectionner 52 minutes avec le cavalier J2
- sélectionner la tension de la batterie
- sélectionner le courant de charge.
Cette valeur est calculée, de manière approchée parmi celles disponibles, à la capacité de la batterie (pas besoin de diviser par dix)
- presser la touche SW1 pour commencer la charge. Le processus se termine automatiquement après 52 minutes.
