Projektowanie niestandardowego obwodu ładowarki baterii

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Zaprojektowałem i opublikowałem na tej stronie różne obwody ładowarki, jednak czytelnicy często są zdezorientowani przy wyborze odpowiedniego obwodu ładowarki do ich indywidualnych zastosowań. I muszę wyraźnie wyjaśnić każdemu z czytelników, jak dostosować dany obwód ładowarki do ich konkretnych potrzeb.

Staje się to dość czasochłonne, ponieważ to samo muszę od czasu do czasu każdemu z czytelników wyjaśniać.



To zmusiło mnie do opublikowania tego posta, w którym próbowałem wyjaśnić standardowa ładowarka akumulatorów zaprojektować i dostosować go na kilka sposobów, aby dopasować go do indywidualnych preferencji w zakresie napięcia, prądu, automatycznego odcinania lub pracy półautomatycznej.

Prawidłowe ładowanie baterii ma kluczowe znaczenie

Trzy podstawowe parametry, których wymagają wszystkie akumulatory, aby ładować się optymalnie i bezpiecznie, to:



  1. Stałe napięcie.
  2. Prąd stały.
  3. Automatyczne odcięcie.

Zasadniczo są to trzy podstawowe rzeczy, które należy zastosować, aby pomyślnie naładować baterię, a także upewnić się, że nie ma to wpływu na żywotność baterii.

Kilka warunków rozszerzonych i opcjonalnych to:

Zarządzanie termiczne.

i Ładowanie krokowe .

Powyższe dwa kryteria są szczególnie zalecane w przypadku Akumulatory litowo-jonowe , chociaż mogą one nie być tak istotne dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych (chociaż nie ma nic złego we wdrażaniu ich w tym samym)

Rozważmy powyższe warunki krok po kroku i zobaczmy, jak można dostosować wymagania zgodnie z następującymi instrukcjami:

Znaczenie stałego napięcia:

Zaleca się ładowanie wszystkich akumulatorów przy napięciu, które może być o około 17 do 18% wyższe niż napięcie podane na etykiecie, a poziom ten nie może być znacznie zwiększany ani wahany.

Dlatego dla Akumulator 12 V. , wartość dochodzi do około 14,2 V, czego nie należy zbytnio zwiększać.

To wymaganie jest określane jako wymaganie stałego napięcia.

Przy dzisiejszej dostępności wielu układów scalonych regulatorów napięcia, stworzenie ładowarki stałonapięciowej jest kwestią minut.

Najpopularniejsze spośród tych układów to LM317 (1,5 A), LM338 (5 A), LM396 (10 A). Wszystko to są układami scalonymi regulatora napięcia i pozwalają użytkownikowi ustawić dowolne stałe napięcie w dowolnym miejscu od 1,25 do 32 V (nie dla LM396).

Możesz użyć IC LM338, który jest odpowiedni dla większości akumulatorów w celu uzyskania stałego napięcia.

Oto przykładowy obwód, którego można użyć do ładowania dowolnego akumulatora o napięciu od 1,25 do 32 V stałym napięciem.

Schemat ładowarki do akumulatorów o stałym napięciu

Zmiana potencjometru 5k umożliwia ustawienie dowolnego pożądanego stałego napięcia na kondensatorze C2 (Vout), który może być używany do ładowania podłączonego akumulatora w tych punktach.

W przypadku stałego napięcia można zastąpić R2 stałym rezystorem, używając następującego wzoru:

VLUB= VREF(1 + R2 / R1) + (I.ADJ× R2)

Gdzie V.REFwynosi = 1,25

Odkąd jaADJjest za mały, można go zignorować

Chociaż może być konieczne stałe napięcie, w miejscach, w których napięcie z wejściowej sieci prądu przemiennego nie zmienia się zbytnio (5% w górę / w dół jest całkiem akceptowalne) można całkowicie wyeliminować powyższy obwód i zapomnieć o stałym współczynniku napięcia.

Oznacza to, że możemy po prostu użyć prawidłowo dobranego transformatora do ładowania akumulatora bez uwzględnienia stanu stałego napięcia, pod warunkiem, że napięcie sieciowe jest dość niezawodne pod względem jego fluktuacji.

Dzisiaj, wraz z pojawieniem się urządzeń SMPS, powyższy problem staje się całkowicie nieistotny, ponieważ SMPS są zasilaczami stałonapięciowymi i są wysoce niezawodne w swoich specyfikacjach, więc jeśli SMPS jest dostępny, powyższy obwód LM338 można zdecydowanie wyeliminować.

Ale zwykle zasilacz ma stałe napięcie, więc w takim przypadku dostosowanie go do konkretnej baterii może stać się problemem i może być konieczne wybranie wszechstronnego obwodu LM338, jak wyjaśniono powyżej ... lub jeśli nadal chcesz tego uniknąć , możesz po prostu zmodyfikuj SMPS sam obwód do uzyskiwania pożądanego napięcia ładowania.

W poniższym rozdziale wyjaśniono projektowanie niestandardowego obwodu kontroli prądu dla określonej, wybranej ładowarki akumulatorów.

Dodawanie stałego prądu

Podobnie jak parametr „napięcie stałe” zalecany prąd ładowania dla konkretnego akumulatora nie powinien być zwiększany ani wahany w znacznym stopniu.

W przypadku akumulatorów ołowiowych szybkość ładowania powinna wynosić około 1/10 lub 2/10 wydrukowanej wartości Ah (amperogodzin) akumulatora. co oznacza, że ​​jeśli akumulator jest oceniany na powiedzmy 100 Ah, to zaleca się, aby jego prąd ładowania (amp) wynosił 100/10 = minimum 10 amperów lub (100 x 2) / 10 = 200/10 = maksimum 20 amperów, wartość ta powinna nie zwiększać, najlepiej w celu zachowania zdrowych warunków dla akumulatora.

Jednak w przypadku Li-ion lub Baterie Lipo kryterium jest zupełnie inne, dla tych akumulatorów szybkość ładowania może być tak wysoka, jak ich współczynnik Ah, co oznacza, że ​​jeśli specyfikacja AH akumulatora litowo-jonowego wynosi 2,2 Ah, to można go ładować na tym samym poziomie, który jest 2,2 ampera oceń Tutaj nie musisz niczego dzielić ani oddawać się jakimkolwiek kalkulacjom.

Do implementacji prąd stały funkcja, ponownie LM338 staje się przydatna i może być skonfigurowana do osiągnięcia parametru z wysokim stopniem dokładności.

Poniższe obwody pokazują, jak można skonfigurować układ scalony do implementacji sterowanej prądowo ładowarki akumulatorów.


Upewnij się sprawdź ten artykuł który zapewnia doskonały i wysoce konfigurowalny obwód ładowarki baterii.


Schemat ładowarki sterowanej CC i CV

Jak omówiono w poprzedniej sekcji, w przypadku, gdy sieć wejściowa jest dość stała, możesz zignorować prawą sekcję LM338 i po prostu użyć obwodu ogranicznika prądu po lewej stronie z transformatorem lub zasilaczem sieciowym, jak pokazano poniżej:

W powyższym projekcie napięcie transformatora może być znamionowane na poziomie napięcia akumulatora, ale po wyprostowaniu może dawać nieco powyżej określonego napięcia ładowania akumulatora.

Ten problem można pominąć, ponieważ dołączona funkcja kontroli prądu wymusi automatyczne obniżenie napięcia do bezpiecznego poziomu napięcia ładowania akumulatora.

R1 można dostosować do potrzeb, postępując zgodnie z dostarczonymi instrukcjami TUTAJ

Diody muszą mieć odpowiednie parametry znamionowe w zależności od prądu ładowania, a najlepiej powinny być znacznie wyższe niż określony poziom prądu ładowania.

Dostosowywanie prądu do ładowania baterii

W powyższych obwodach wspomniany układ scalony LM338 jest przystosowany do obsługi maksymalnie 5 amperów, co sprawia, że ​​nadaje się tylko do akumulatorów do 50 AH, jednak możesz mieć znacznie wyższe akumulatory rzędu 100 AH, 200 AH lub nawet 500 AH .

Mogą one wymagać ładowania przy odpowiednich wyższych prędkościach prądu, których pojedynczy LM338 może nie być w stanie wystarczyć.

Aby temu zaradzić, można ulepszyć lub ulepszyć układ scalony równolegle z większą liczbą układów scalonych, jak pokazano w następującym przykładowym artykule:

Obwód ładowarki 25 A.

W powyższym przykładzie konfiguracja wygląda na trochę skomplikowaną ze względu na włączenie opampa, jednak trochę majsterkowania pokazuje, że w rzeczywistości układy scalone można bezpośrednio dodać równolegle w celu zwielokrotnienia prądu wyjściowego, pod warunkiem, że wszystkie układy scalone są zamontowane na wspólnym radiatorze patrz poniższy diagram:

Dowolną liczbę układów scalonych można dodać w pokazanym formacie, aby osiągnąć żądany limit prądu, jednak należy zapewnić dwie rzeczy, aby uzyskać optymalną odpowiedź projektu:

Wszystkie układy scalone muszą być zamontowane na wspólnym radiatorze, a wszystkie rezystory ograniczające prąd (R1) muszą być ustalone z dokładnie dopasowaną wartością, oba parametry są wymagane, aby umożliwić równomierny rozkład ciepła między układami scalonymi, a tym samym równy rozkład prądu w wyjście dla podłączonego akumulatora.

Do tej pory dowiedzieliśmy się, jak dostosować stałe napięcie i stały prąd do konkretnego zastosowania ładowarki akumulatorów.

Jednak bez automatycznego odcinania obwód ładowarki akumulatora może być po prostu niekompletny i dość niebezpieczny.

Jak dotąd w naszym ładowaniu baterii tutoriale dowiedzieliśmy się, jak dostosować parametr stałego napięcia podczas budowy ładowarki, w kolejnych sekcjach postaramy się zrozumieć, jak zaimplementować automatyczne odcięcie pełnego ładowania, aby zapewnić bezpieczne ładowanie podłączonego akumulatora.

Dodanie automatycznego odcięcia 0ff w ładowarce

W tej sekcji odkryjemy jak automatyczne odcięcie może zostać dodane do baterii ładowarka, która jest jednym z najważniejszych aspektów w takich układach.

Prosty stopień automatycznego odcinania można włączyć i dostosować do wybranego obwodu ładowarki akumulatora poprzez włączenie komparatora opamp.

Wzmacniacz operacyjny może być ustawiony tak, aby wykrywał rosnące napięcie akumulatora podczas ładowania i odcinał napięcie ładowania, gdy tylko napięcie osiągnie pełny poziom naładowania akumulatora.

Być może widzieliście już tę implementację w większości obwodów automatycznej ładowarki akumulatorów opublikowanych do tej pory na tym blogu.

Koncepcję można dokładnie zrozumieć za pomocą następującego wyjaśnienia i pokazanej symulacji GIF obwodu:

UWAGA: Do wejścia ładowania użyj przekaźnika N / O zamiast pokazanego N / C. Zapewni to, że przekaźnik nie będzie drgał w przypadku braku baterii. Aby to zadziałało, upewnij się również, że zamień styki wejściowe (2 i 3) ze sobą .

W powyższym efekcie symulacji widzimy, że wzmacniacz operacyjny został skonfigurowany jako czujnik napięcia akumulatora do wykrywania progu nadmiernego naładowania i odcinania zasilania akumulatora, gdy tylko zostanie to wykryte.

Ustawienie wstępne na pinie (+) układu scalonego jest regulowane tak, że przy pełnym napięciu akumulatora (tutaj 14,2 V) pin nr 3 uzyskuje odrobinę wyższy potencjał niż pin (-) układu scalonego, który jest ustalony napięciem odniesienia równym 4,7 V z diodą Zenera.

Wyjaśnione wcześniej zasilanie „stałym napięciem” i „stałym prądem” jest podłączane do obwodu i akumulatora przez styk rozwierny przekaźnika.

Początkowo napięcie zasilania i akumulator są odłączane od obwodu.

Po pierwsze, rozładowany akumulator można podłączyć do obwodu, gdy tylko to zrobi, wzmacniacz operacyjny wykrywa potencjał, który jest niższy (10,5 V jak tu założono) niż pełny poziom naładowania i dzięki temu zapala się CZERWONA dioda LED , co oznacza, że ​​bateria jest poniżej pełnego poziomu naładowania.

Następnie włączane jest zasilanie wejściowe 14,2V.

Gdy to nastąpi, sygnał wejściowy natychmiast spada do poziomu napięcia akumulatora i osiąga poziom 10,5 V.

Rozpocznie się procedura ładowania i bateria zacznie się ładować.

Wraz ze wzrostem napięcia na zaciskach akumulatora w trakcie ładowania odpowiednio wzrasta również napięcie na pinie (+).

W momencie, gdy napięcie akumulatora osiągnie pełny poziom wejściowy, czyli poziom 14,3 V, pin (+) również proporcjonalnie osiągnie 4,8 V, które jest nieco wyższe niż napięcie na pin (-).

To natychmiast zmusza wyjście wzmacniacza do wysokiego poziomu.

CZERWONA dioda LED gaśnie, a zielona dioda LED zapala się, wskazując czynność przełączenia, a także, że akumulator jest w pełni naładowany.

Jednak to, co może się wydarzyć po tym, nie jest pokazane w powyższej symulacji. Dowiemy się tego poprzez następujące wyjaśnienie:

Gdy tylko przekaźnik zadziała, napięcie na zaciskach akumulatora szybko spadnie i powróci do pewnego niższego poziomu, ponieważ akumulator 12 V nigdy nie będzie stale utrzymywał poziomu 14 V i będzie próbował osiągnąć poziom około 12,8 V.

Teraz, z powodu tego stanu, napięcie na pinie (+) ponownie spadnie poniżej poziomu odniesienia ustawionego przez pin (-), co ponownie spowoduje wyłączenie przekaźnika, a proces ładowania zostanie ponownie zainicjowany.

To przełączanie ON / OFF przekaźnika będzie kontynuowało cykl, wydając niepożądane „kliknięcie” z przekaźnika.

Aby tego uniknąć, konieczne staje się dodanie histerezy do obwodu.

Odbywa się to poprzez wprowadzenie rezystora o wysokiej wartości na wyjściu i styku (+) układu scalonego, jak pokazano poniżej:

Dodawanie histerezy

Dodanie wyżej wskazanego histereza rezystor zapobiega oscylacjom włączania / wyłączania przekaźnika na poziomach progowych i blokuje przekaźnik na określony czas (do momentu, gdy napięcie akumulatora spadnie poniżej trwałej granicy wartości tego rezystora).

Rezystory o wyższej wartości zapewniają krótsze okresy zatrzasku, podczas gdy rezystory o niższych wartościach zapewniają wyższą histerezę lub dłuższy okres blokowania.

Tak więc z powyższej dyskusji możemy zrozumieć, w jaki sposób każdy hobbysta może zaprojektować i dostosować prawidłowo skonfigurowany obwód automatycznego odcinania akumulatora do preferowanych przez siebie specyfikacji ładowania akumulatora.

Teraz zobaczmy, jak może wyglądać cała konstrukcja ładowarki, w tym ustawienie stałego napięcia / prądu wraz z powyższą konfiguracją odcięcia:

Oto kompletny niestandardowy obwód ładowarki, który może być używany do ładowania dowolnej baterii po jej skonfigurowaniu, jak wyjaśniono w całym naszym samouczku:

  • Wzmacniaczem operacyjnym może być IC 741
  • Ustawienie wstępne = ustawienie wstępne 10k
  • obie diody Zenera mogą mieć = 4,7 V, 1/2 wata
  • rezystor Zenera = 10k
  • Rezystory LED i tranzystorowe mogą być również = 10k
  • Tranzystor = BC547
  • dioda przekaźnika = 1N4007
  • przekaźnik = wybierz dopasuj napięcie akumulatora.

Jak naładować baterię bez żadnej z powyższych funkcji

Jeśli zastanawiasz się, czy możliwe jest ładowanie baterii bez kojarzenia któregokolwiek z wyżej wymienionych skomplikowanych obwodów i części? Odpowiedź brzmi: tak, możesz bezpiecznie i optymalnie naładować każdą baterię, nawet jeśli nie masz żadnego z wyżej wymienionych obwodów i części.

Przed przystąpieniem do dalszych czynności ważne byłoby poznanie kilku kluczowych rzeczy, których akumulator wymaga do bezpiecznego ładowania, oraz tego, co sprawia, że ​​parametry „automatycznego odcinania”, „stałego napięcia” i „stałego prądu” są tak ważne.

Funkcje te stają się ważne, gdy chcesz, aby bateria była ładowana z ekstremalną wydajnością i szybko. W takich przypadkach możesz chcieć, aby Twoja ładowarka była wyposażona w wiele zaawansowanych funkcji, jak sugerowano powyżej.

Jeśli jednak chcesz zaakceptować pełny poziom naładowania baterii nieco niższy od optymalnego i jeśli chcesz zapewnić kilka godzin więcej na zakończenie ładowania, z pewnością nie potrzebujesz żadnej z zalecanych funkcji, takich jak stała prąd, stałe napięcie lub automatyczne odcięcie, możesz o tym wszystkim zapomnieć.

Zasadniczo baterii nie należy ładować za pomocą materiałów o wyższej wartości znamionowej niż wydrukowana na baterii, jest to takie proste.

Oznacza to, że przypuśćmy, że akumulator ma napięcie 12 V / 7 Ah, idealnie nigdy nie przekraczać pełnego naładowania powyżej 14,4 V, a prąd powyżej 7/10 = 0,7 ampera. Jeśli te dwa wskaźniki są prawidłowo utrzymywane, możesz mieć pewność, że bateria jest w dobrych rękach i nigdy nie zostanie uszkodzona, niezależnie od okoliczności.

Dlatego, aby spełnić powyższe kryteria i ładować akumulator bez angażowania skomplikowanych obwodów, po prostu upewnij się, że napięcie wejściowe, którego używasz, ma odpowiednie parametry.

Na przykład, jeśli ładujesz akumulator 12V / 7Ah, wybierz transformator, który po wyprostowaniu i filtracji wytwarza około 14 V, a jego prąd znamionowy wynosi około 0,7 ampera. Tę samą zasadę można zastosować proporcjonalnie do innych baterii.

Podstawową ideą jest tutaj utrzymanie parametrów ładowania nieco poniżej maksymalnej dopuszczalnej wartości. Na przykład można zalecić ładowanie akumulatora 12 V do 20% wyższego niż wydrukowana wartość, czyli 12 x 20% = 2,4 V więcej niż 12 V = 12 + 2,4 = 14,4 V.

Dlatego upewniamy się, że utrzymujemy to nieco niższe przy 14 V, co może nie ładować akumulatora do optymalnego punktu, ale będzie po prostu dobre do wszystkiego, w rzeczywistości utrzymanie nieco niższej wartości wydłuży żywotność akumulatora, umożliwiając o wiele więcej cykli ładowania / rozładowania w końcu.

Podobnie, utrzymywanie prądu ładowania na poziomie 1/10 wydrukowanej wartości Ah zapewnia, że ​​akumulator jest ładowany z minimalnym naprężeniem i rozpraszaniem, co zapewnia dłuższą żywotność akumulatora.

Ostateczna konfiguracja

podstawowy obwód ładowarki akumulatorów wykorzystujący transformator i prostownik

Prosta konfiguracja pokazana powyżej może być powszechnie używana do bezpiecznego i całkiem optymalnego ładowania dowolnego akumulatora, pod warunkiem, że zapewni się wystarczający czas ładowania lub do momentu, gdy wskazówka amperomierza opada prawie do zera.

Kondensator filtra 1000uf w rzeczywistości nie jest potrzebny, jak pokazano powyżej, a wyeliminowanie go faktycznie zwiększyłoby żywotność baterii.

Masz dalsze wątpliwości? Nie wahaj się wyrazić ich w swoich komentarzach.

Źródło: ładowanie baterii




Poprzedni: Dodanie wielowiskowej PWM do obwodu zapłonu samochodu Dalej: Obwód wskaźnika poziomu muzyki subwoofera