Progettazione di un circuito caricabatteria personalizzato

Ho progettato e pubblicato una varietà di circuiti caricabatterie in questo sito Web, tuttavia i lettori spesso si confondono mentre selezionano il circuito caricabatterie giusto per le loro singole applicazioni. E devo spiegare esplicitamente a ciascuno dei lettori come personalizzare il circuito di carica della batteria dato per le loro esigenze specifiche.

Questo richiede molto tempo, poiché è la stessa cosa che devo spiegare a ciascuno dei lettori di volta in volta.

Questo mi ha costretto a pubblicare questo post in cui ho cercato di spiegare un file caricabatteria standard design e come personalizzarlo in diversi modi per soddisfare le preferenze individuali in termini di tensione, corrente, interruzione automatica o operazioni semiautomatiche.

Ricaricare correttamente la batteria è fondamentale

I tre parametri fondamentali che tutte le batterie richiedono per caricarsi in modo ottimale e sicuro sono:

1. Tensione costante.
2. Corrente continua.
3. Taglio automatico.

Quindi, fondamentalmente, queste sono le tre cose fondamentali che è necessario applicare per caricare correttamente una batteria e assicurarsi anche che la durata della batteria non sia influenzata dal processo.

Alcune condizioni migliorate e opzionali sono:

Gestione termica.

e Ricarica graduale .

I due criteri precedenti sono particolarmente consigliati per Batterie agli ioni di litio , sebbene questi potrebbero non essere così cruciali per le batterie al piombo (anche se non c'è nulla di male nell'implementarlo per lo stesso)

Scopriamo le condizioni di cui sopra passo passo e vediamo come si può essere in grado di personalizzare i requisiti secondo le seguenti istruzioni:

Importanza della tensione costante:

Si consiglia di caricare tutte le batterie a una tensione che può essere dal 17 al 18% circa superiore alla tensione della batteria stampata e questo livello non deve essere aumentato o fluttuato di molto.

Pertanto per a Batteria 12V , il valore arriva a circa 14,2V che non dovrebbe essere aumentato di molto.

Questo requisito è indicato come requisito di tensione costante.

Con la disponibilità di un numero di circuiti integrati per regolatori di tensione, realizzare un caricabatterie a tensione costante è questione di minuti.

I più popolari tra questi circuiti integrati sono LM317 (1,5 amp), LM338 (5 amp), LM396 (10 amp). Tutti questi sono circuiti integrati di regolazione della tensione variabile e consentono all'utente di impostare qualsiasi tensione costante desiderata ovunque da 1,25 a 32 V (non per LM396).

È possibile utilizzare l'IC LM338 che è adatto per la maggior parte delle batterie per ottenere una tensione costante.

Ecco un esempio di circuito che può essere utilizzato per caricare qualsiasi batteria tra 1,25 e 32 V con una tensione costante.

Schema del caricabatteria a tensione costante

La variazione del potenziometro 5k consente l'impostazione di qualsiasi tensione costante desiderata attraverso il condensatore C2 (Vout) che può essere utilizzato per caricare una batteria collegata attraverso questi punti.

Per la tensione fissa è possibile sostituire R2 con una resistenza fissa, utilizzando questa formula:

VO= VRIF(1 + R2 / R1) + (IADJ× R2)

Dove VRIFè = 1,25

Da quando ioADJè troppo piccolo può essere ignorato

Sebbene possa essere necessaria una tensione costante, in luoghi in cui la tensione da una rete CA in ingresso non varia troppo (un aumento / diminuzione del 5% è abbastanza accettabile) si può eliminare completamente il circuito sopra e dimenticare il fattore di tensione costante.

Ciò implica che possiamo semplicemente utilizzare un trasformatore correttamente dimensionato per caricare una batteria senza considerare una condizione di tensione costante, a condizione che l'ingresso di rete sia abbastanza affidabile in termini di fluttuazioni.

Oggi con l'avvento dei dispositivi SMPS, il problema di cui sopra diventa completamente irrilevante poiché gli SMPS sono tutti alimentatori a tensione costante e sono altamente affidabili con le loro specifiche, quindi se è disponibile un SMPS, il circuito LM338 di cui sopra può essere definitivamente eliminato.

Ma comunemente un SMPS viene fornito con una tensione fissa, quindi in quel caso personalizzarlo per una particolare batteria potrebbe diventare un problema e potresti dover optare per il versatile circuito LM338 come spiegato sopra ... o se vuoi comunque evitarlo , potresti semplicemente modificare l'SMPS circuito stesso per acquisire la tensione di carica desiderata.

La sezione seguente spiegherà la progettazione di un circuito di controllo della corrente personalizzato per un'unità caricabatteria specifica e selezionata.

Aggiunta di una corrente costante

Proprio come il parametro 'tensione costante' , la corrente di carica consigliata per una particolare batteria non dovrebbe essere aumentata o fluttuata di molto.

Per le batterie al piombo acido, la velocità di ricarica dovrebbe essere circa 1/10 o 2/10 del valore Ah (Ampere Hour) stampato della batteria. il che significa che se la batteria ha una potenza nominale di 100 Ah, allora la sua velocità di corrente di carica (amp) si consiglia di essere a 100/10 = 10 Ampere minimo o (100 x 2) / 10 = 200/10 = 20 amp massimo, questa cifra dovrebbe non essere aumentato preferibilmente per mantenere condizioni salubri per la batteria.

Tuttavia per Li-ion o Batterie Lipo il criterio è completamente diverso, per queste batterie il tasso di ricarica potrebbe essere alto quanto il loro tasso di Ah, il che significa che se la specifica AH di una batteria agli ioni di litio è di 2,2 Ah, allora è possibile caricarla allo stesso livello che è a 2,2 ampere tasso Qui non devi dividere nulla o indulgere in alcun tipo di calcolo.

Per implementare un file corrente continua caratteristica, ancora una volta un LM338 diventa utile e può essere configurato per ottenere il parametro con un alto grado di precisione.

I circuiti indicati di seguito mostrano come l'IC può essere configurato per implementare un caricabatterie controllato in corrente.

Essere sicuri di dai un'occhiata a questo articolo che fornisce un circuito caricabatteria eccellente e altamente personalizzabile.

Schema per caricabatteria controllato da CC e CV

Come discusso nella sezione precedente, nel caso in cui la rete di ingresso sia abbastanza costante, è possibile ignorare la sezione LM338 sul lato destro e utilizzare semplicemente il circuito limitatore di corrente del lato sinistro con un trasformatore o un SMPS, come mostrato di seguito:

Nel progetto sopra, la tensione del trasformatore può essere valutata al livello di tensione della batteria, ma dopo la rettifica potrebbe risultare leggermente superiore alla tensione di carica della batteria specificata.

Questo problema può essere trascurato perché la funzione di controllo della corrente allegata forza la tensione ad abbassare automaticamente la tensione in eccesso al livello di tensione di carica della batteria sicuro.

R1 può essere personalizzato secondo le esigenze, seguendo le istruzioni fornite QUI

I diodi devono essere adeguatamente classificati a seconda della corrente di carica e preferibilmente dovrebbero essere molto più alti del livello di corrente di carica specificato.

Personalizzazione della corrente per caricare una batteria

Nei circuiti di cui sopra, l'IC LM338 indicato è valutato per gestire al massimo 5 ampere, il che lo rende adatto solo per batterie fino a 50 AH, tuttavia potresti avere batterie con classificazione molto superiore nell'ordine di 100 AH, 200 AH o anche 500 AH .

Questi potrebbero richiedere la ricarica alle rispettive velocità di corrente più elevate che un singolo LM338 potrebbe non essere in grado di essere sufficiente.

Per rimediare a ciò, è possibile aggiornare o migliorare l'IC con più IC in parallelo, come mostrato nel seguente articolo di esempio:

Circuito caricatore da 25 amp

Nell'esempio sopra, la configurazione sembra un po 'complicata a causa dell'inclusione di un amplificatore operazionale, tuttavia un po' di armeggiare mostra che in realtà gli IC possono essere aggiunti direttamente in parallelo per moltiplicare l'uscita di corrente, a condizione che tutti gli IC siano montati su un dissipatore di calore comune , vedere il diagramma seguente:

Qualsiasi numero di circuiti integrati può essere aggiunto nel formato mostrato per ottenere qualsiasi limite di corrente desiderato, tuttavia è necessario garantire due cose per ottenere una risposta ottimale dal progetto:

Tutti i circuiti integrati devono essere montati su un comune dissipatore di calore e tutte le resistenze limitatrici di corrente (R1) devono essere fissate con un valore corrispondente esattamente, entrambi i parametri sono necessari per consentire una condivisione uniforme del calore tra i circuiti integrati e quindi una distribuzione uguale della corrente uscita per la batteria collegata.

Finora abbiamo imparato come personalizzare la tensione costante e la corrente costante per un'applicazione specifica del caricabatteria.

Tuttavia, senza uno spegnimento automatico, un circuito del caricabatteria potrebbe essere incompleto e abbastanza pericoloso.

Finora nella nostra ricarica della batteria tutorial abbiamo imparato come personalizzare il parametro di tensione costante durante la costruzione di un caricabatterie, nelle sezioni seguenti cercheremo di capire come implementare un arresto automatico della carica completa per garantire una ricarica sicura per la batteria collegata.

Aggiunta di un taglio automatico 0ff nel caricabatteria

In questa sezione scopriremo come aggiungere uno spegnimento automatico a una batteria caricatore che è uno degli aspetti più cruciali in tali circuiti.

Un semplice stadio di spegnimento automatico può essere incluso e personalizzato in un circuito caricabatterie selezionato incorporando un comparatore operazionale.

Un amplificatore operazionale può essere posizionato per rilevare un aumento della tensione della batteria mentre è in carica e interrompere la tensione di carica non appena la tensione raggiunge il livello di carica completa della batteria.

Potreste aver già visto questa implementazione nella maggior parte dei circuiti di carica batterie automatici finora pubblicati in questo blog.

Il concetto può essere compreso a fondo con l'aiuto della seguente spiegazione e della simulazione GIF del circuito mostrata:

NOTA: utilizzare il contatto N / O del relè per l'ingresso di carica, invece del contatto N / C mostrato. Ciò garantirà che il relè non vibri in assenza di una batteria. Affinché funzioni, assicurati anche di scambiare i pin di ingresso (2 e 3) tra loro .

Nell'effetto di simulazione sopra possiamo vedere che un opamp è stato configurato come un sensore di tensione della batteria per rilevare la soglia di sovraccarico e interrompere l'alimentazione alla batteria non appena questa viene rilevata.

Il preset al pin (+) dell'IC è regolato in modo tale che a piena tensione della batteria (14,2V qui), il pin # 3 acquisisca un potenziale più alto rispetto al pin (-) dell'IC che è fissato con una tensione di riferimento di 4,7 V con un diodo zener.

L'alimentazione 'tensione costante' e 'corrente costante' precedentemente spiegate è collegata al circuito e la batteria tramite il contatto N / C del relè.

Inizialmente la tensione di alimentazione e la batteria vengono entrambe staccate dal circuito.

Innanzitutto, la batteria scarica può essere collegata al circuito, non appena ciò viene fatto, l'opamp rileva un potenziale inferiore (10,5 V come ipotizzato qui) rispetto al livello di carica completa, e per questo il LED ROSSO si accende , indicando che la batteria è al di sotto del livello di carica completa.

Successivamente, l'alimentazione di carica in ingresso da 14,2 V viene attivata.

Non appena ciò viene fatto, l'ingresso scende immediatamente alla tensione della batteria e raggiunge il livello di 10,5 V.

La procedura di ricarica viene ora avviata e la batteria inizia a caricarsi.

Man mano che la tensione del terminale della batteria aumenta durante la carica, anche la tensione del pin (+) aumenta di conseguenza.

E nel momento in cui la tensione della batteria raggiunge il livello di ingresso completo che è il livello di 14,3 V, anche il pin (+) raggiunge proporzionalmente una tensione di 4,8 V che è appena superiore alla tensione del pin (-).

Questo forza istantaneamente l'uscita dell'amplificatore operazionale ad aumentare.

Il LED ROSSO ora si spegne e il LED verde si accende, indicando l'azione di cambio e anche che la batteria è completamente carica.

Tuttavia ciò che può accadere dopo ciò non è mostrato nella simulazione sopra. Lo impareremo attraverso la seguente spiegazione:

Non appena il relè scatta, la tensione del terminale della batteria tenderà rapidamente a scendere e tornare a un livello inferiore poiché una batteria da 12 V non manterrà mai un livello di 14 V in modo coerente e proverà a raggiungere un segno di 12,8 V.

Ora, a causa di questa condizione, la tensione del pin (+) subirà nuovamente un calo al di sotto del livello di riferimento impostato dal pin (-), che richiederà nuovamente lo spegnimento del relè e il processo di ricarica verrà nuovamente avviato.

Questa commutazione ON / OFF del relè continuerà a ciclare producendo un 'clic' indesiderato dal relè.

Per evitare ciò diventa imperativo aggiungere un'isteresi al circuito.

Questo viene fatto introducendo un resistore di alto valore attraverso l'uscita e il pin (+) dell'IC come mostrato di seguito:

Aggiunta di isteresi

L'aggiunta di quanto sopra indicato isteresi resistenza impedisce al relè di oscillare ON / OFF ai livelli di soglia e blocca il relè fino a un certo periodo di tempo (fino a quando la tensione della batteria scende al di sotto del limite sostenibile di questo valore di resistenza).

I resistori di valore più alto forniscono periodi di latching inferiori mentre i resistori inferiori forniscono un'isteresi maggiore o un periodo di latch più elevato.

Quindi dalla discussione di cui sopra possiamo capire come un circuito di spegnimento automatico della batteria configurato correttamente può essere progettato e personalizzato da qualsiasi hobbista per le sue specifiche di ricarica della batteria preferite.

Ora vediamo come potrebbe apparire l'intero design del caricabatterie, inclusa la configurazione di tensione / corrente costante insieme alla configurazione di interruzione sopra:

Quindi ecco il circuito del caricabatterie personalizzato completato che può essere utilizzato per caricare qualsiasi batteria desiderata dopo averla configurata come spiegato in tutto il nostro tutorial:

• L'opamp può essere un IC 741
• Il preset = 10k preset
• entrambi i diodi zener possono essere = 4,7 V, 1/2 watt
• resistenza zener = 10k
• Anche le resistenze LED e transistor possono essere = 10k
• Transistor = BC547
• diodo relè = 1N4007
• relè = selezionare la corrispondenza con la tensione della batteria.

Come caricare una batteria senza nessuno dei servizi di cui sopra

Se ti stai chiedendo se è possibile caricare una batteria senza associare nessuno dei circuiti e delle parti complesse sopra menzionate? La risposta è sì, puoi caricare qualsiasi batteria in modo sicuro e ottimale anche se non hai nessuno dei circuiti e delle parti sopra menzionate.

Prima di procedere sarebbe importante conoscere le poche cose cruciali che una batteria richiede per caricarsi in sicurezza e le cose che rendono così importanti i parametri di 'spegnimento automatico', 'tensione costante' e 'corrente costante'.

Queste caratteristiche diventano importanti quando si desidera che la batteria venga caricata con estrema efficienza e rapidamente. In questi casi, potresti volere che il tuo caricabatterie sia dotato di molte funzioni avanzate come suggerito sopra.

Tuttavia, se sei disposto ad accettare il livello di carica completo della tua batteria leggermente inferiore a quello ottimale e se desideri fornire qualche ora in più per il completamento della ricarica, sicuramente non richiederai nessuna delle funzionalità consigliate come costante corrente, tensione costante o interruzione automatica, puoi dimenticare tutto questo.

Fondamentalmente una batteria non dovrebbe essere caricata con materiali di consumo con una valutazione superiore a quella stampata della batteria, è così semplice.

Significa che supponiamo che la tua batteria abbia una tensione nominale di 12V / 7Ah, idealmente non devi mai superare la velocità di carica completa superiore a 14,4 V e corrente superiore a 7/10 = 0,7 amp. Se queste due velocità vengono mantenute correttamente, puoi essere certo che la tua batteria è in buone mani e non verrà mai danneggiata indipendentemente dalle circostanze.

Pertanto, al fine di garantire i criteri sopra menzionati e di caricare la batteria senza coinvolgere circuiti complessi, è sufficiente assicurarsi che l'alimentazione in ingresso che si sta utilizzando sia classificata di conseguenza.

Ad esempio, se si carica una batteria da 12 V / 7 Ah, selezionare un trasformatore che produce circa 14 V dopo la rettifica e la filtrazione e la sua corrente è stimata intorno a 0,7 ampere. La stessa regola può essere applicata anche per altre batterie, in proporzione.

L'idea di base qui è di mantenere i parametri di ricarica leggermente inferiori al valore massimo consentito. Ad esempio, si consiglia di caricare una batteria da 12 V fino al 20% in più rispetto al valore stampato, ovvero 12 x 20% = 2,4 V in più rispetto a 12 V = 12 + 2,4 = 14,4 V.

Pertanto ci assicuriamo di mantenerlo leggermente più basso a 14V, che potrebbe non caricare la batteria al suo punto ottimale, ma andrà bene per qualsiasi cosa, infatti mantenere il valore leggermente più basso migliorerà la durata della batteria consentendo molti più cicli di carica / scarica a lungo termine.

Allo stesso modo, mantenendo la corrente di carica a 1/10 del valore Ah stampato, si garantisce che la batteria venga caricata con il minimo stress e dissipazione, aumentando la durata della batteria.

La configurazione finale

Una semplice configurazione mostrata sopra può essere universalmente utilizzata per caricare qualsiasi batteria in modo sicuro e in modo abbastanza ottimale, a condizione che si consenta un tempo di ricarica sufficiente o fino a quando l'ago dell'amperometro non scende quasi a zero.

Il condensatore di filtro da 1000uf non è effettivamente necessario, come mostrato sopra, ed eliminarlo aumenterebbe effettivamente la durata della batteria.

Hai ulteriori dubbi? Non esitate a esprimerli attraverso i vostri commenti.

Fonte: batteria in carica