USB NiMH ゆっくり充電器 (USB NiMH Slow Charger)
概要
秋月電子のいたわりNiCd充電器 キットを元に、USBを電源とし、ニッケル水素電池を1本単位で2本まで充電できるようにした充電器です。
※単3と単4をそれぞれ2本ずつの計4本充電できるバージョンは別ブランチで準備しています。
使用したソフトウェア
KiCad 7.0
回路図
基板パターン図
部品表
| Reference | 個数 | 値 | 説明 |
|---|---|---|---|
| BT1, BT2 | 2 | 単3電池ボックス | |
| C1, C4, C5, C6 | 4 | 0.1μF | 積層セラミックコンデンサー |
| C2 | 1 | 220μF | 電解コンデンサー φ6.31 (100 ~ 470μF) |
| C3 | 1 | 10μF | 電解コンデンサー |
| D1 | 1 | 11EQS04 | ショットキーバリアダイオード |
| D2, D3 | 2 | 赤色LED | |
| F1 | 1 | 1.1A | ポリヒューズ |
| J1 | 1 | USB Type-C コネクター、同等品でも可 | |
| J2 | 1 | ピンヘッダー 1x2、強制充電用 | |
| J3, J4 | 2 | ピンヘッダー 1x2、単3/単4切り替え用 | |
| Q1 | 1 | 2SA1015 | |
| Q2, Q4 | 2 | 2SC1815 | |
| Q3, Q5 | 2 | 2SB834 | 他の代替候補としては2SA1441やTTA008B、2SB1185 (hFE class E)などがある。（TTA008Bは2SB834などとはピン配置が異なるので裏返して取り付ける。） |
| R1, R2 | 2 | 5.1kΩ | 緑茶赤金、小型 |
| R3 | 1 | 10kΩ | 茶黒橙金、半固定抵抗RV1と同じ値 |
| R4, R5, R9, R11, R15 | 5 | 10kΩ | 茶黒橙金 |
| R6, R12 | 2 | 15Ω | 茶緑黒金、1/2W 小型 |
| R7, R13 | 2 | 10Ω | 茶黒黒金、1/2W 小型 |
| R8, R14 | 2 | 1MΩ | 茶黒緑金 |
| R10, R16 | 2 | 680Ω | 青灰茶金 |
| RV1 | 1 | 10kΩ | 抵抗R3と同じ値、GF063P |
| U1 | 1 | LM393 | 2回路入りコンパレーター |
| U2 | 1 | S-812C33 | 低損失CMOS三端子レギュレーター 3.3V 50mA |
いたわりNiCd充電器からの変更点
- 電源をACアダプターからUSB Type-Cに変更。
- USB PD機器からも確実に電源を得られるようにするため、CC1, CC2には5.1kΩを接続。
- 安全のため、ポリヒューズを使用。(1.1Aを使用したが0.5A程度でも十分かもしれない。)
- 充電を2本単位から1本単位に変更。
- 基準電圧を5.0Vから3.3Vに変更。(U2をS-81350からS-812C33に変更。)
- 温度補償用のダイオード1S2076A 2本をショットキーバリアダイオード1本に変更。
NiMH電池の充電終了時電圧には1本当たり約-3mV/Kの温度係数があります。PN接合には-2mV/Kの温度係数があることから、元の回路ではこれを3直列とし、2本分の-6mV/Kの補正を行っていました。ショットキーバリアダイオードの正確な温度係数は調べられませんでしたが、PN接合の温度係数より小さいよう(-1.0 ~ -1.5mV/K程度?)ですので、これをもって1本分の補正としています。
- 秋月電子のB基板に実装できるよう、充電本数は2本に変更。
- 充電回路は2セットになるため、コンパレーターをLM339からLM393に変更。
- 充電電流を単3と単4用に切り替えられるようにJ3, J4を用意。
- J3を開放すると電流設定抵抗はR6の15Ωとなり、BT1の充電電流は単4用の約70mA (= 1.05V / 15Ω)となります。(単4用変換アダプターなどを使用することを想定。)
- J3を接続すると電流設定抵抗はR6とR7の合成で6Ωとなり、BT1の充電電流は単3用の約175mA (= 1.05V / 6Ω)となります。(2000mAhの場合は0.09C程度になるので充電時間は17時間程度が目安です。)
- BT2については同様にJ4で設定できます。
- 強制充電用にJ2を用意。
- 通常充電モード: 通常、J2は接続して使います。充電終止電圧の監視が行われます。
- 強制充電モード: J2を開放すると、Vrefは3.3Vに設定され、充電終止電圧の監視が行われません。
新品のNiMH電池の内部抵抗は0.1Ω程度のようですが、寿命が近づいてくると徐々に内部抵抗が大きくなります。例えば内部抵抗が10Ωにもなると、70mAの充電電流を流すと端子電圧が0.7Vも上昇するため、正常に充電電圧の監視を行うことはできません。こうなってしまうと通常の充電器では充電することができません。そのような場合でも強制充電モードを使えば充電が可能です。ただし、充電電圧の監視がなくなってしまいますので、10～15時間程度で電池を外すようにしてください。
- 2SB948が入手できなかったので、簡単に入手できた2SB834に変更。
- RV1の回転方向を逆にし、右に回すほどVrefが高くなるように変更。
調整
J2を接続し、RV1を右に回しきって、700mAhの単4なら15時間程度、2000mAhの単3なら17時間程度充電します。この際、J3, J4は電池に合わせて設定しておいてください。電池を外して20分程度置いてから、再度電池を入れます。RV1を回して、LEDが点滅する位置に合わせて終了です。Vrefの電圧は1.40~1.45V程度になっているのが想定です。
完成品
License
CC0
Footnotes
-
このサイズならば、まっすぐ足が奥まで挿せる。 ↩