Obwód ładowarki akumulatora wzmacniacza operacyjnego z funkcją automatycznego odcinania

W poście omówiono obwody automatycznego odcinania ładowarki akumulatorów oparte na dwóch opampach IC 741 i LM358, które są nie tylko dokładne pod względem funkcji, ale także umożliwiają bezproblemowe i szybkie ustawienie górnych / niskich progów odcięcia.

Pomysł został zgłoszony przez pana Mamdouh.

Cele i wymagania obwodu

1. Jak tylko automatycznie podłączę zewnętrzne zasilanie, to odłączy akumulator i zasila układ, w międzyczasie ładując akumulator.
2. Ochrona przed przeładowaniem (zawarta w powyższym projekcie).
3. Wskazania niskiego poziomu i pełnego naładowania baterii (które uwzględniono w powyższym projekcie).
4. Nie wiem też, jaki jest wzór, który pomoże określić napięcie wymagane na mojej baterii do jej naładowania (bateria zostanie wyjęta ze starych laptopów. Łącznie będzie to 22 V przy 6 apms bez obciążenia)
5. Ponadto nie znam wzoru, który wskazywałby, jak długo będzie działać moja bateria i jak obliczyć czas, jeśli chcę, aby bateria wystarczała mi na dwie godziny.
6. Również wentylator procesora będzie zasilany przez system. Byłoby też wspaniale dodać opcję ściemniacza, mój pierwotny plan był taki, aby wahać się między 26-30 V, nie potrzebując wiele więcej.

Schemat obwodu

Uwaga: Wymień 10K szeregowo na 1N4148, na 1K

Projektowanie

We wszystkich moich poprzednich obwodach kontrolera ładowarki akumulatorów użyłem pojedynczego wzmacniacza operacyjnego do wykonania automatycznego odcięcia pełnego ładowania i zastosowałem rezystor histerezy, aby włączyć przełącznik ładowania niskiego poziomu dla podłączonego akumulatora.

jednak obliczenie tego rezystora histerezy Prawidłowe osiągnięcie precyzyjnego uzupełnienia niskiego poziomu jest nieco trudne i wymaga pewnych prób i błędów, które mogą być czasochłonne.

W zaproponowanym powyżej obwodzie sterownika ładowarki opamp niskiego wysokiego poziomu naładowania akumulatora zamiast jednego zastosowano dwa komparatory opamp, co upraszcza procedury konfiguracyjne i zwalnia użytkownika z długich procedur.

Odnosząc się do rysunku, widzimy dwa wzmacniacze operacyjne skonfigurowane jako komparatory do wykrywania napięcia akumulatora i wymaganych operacji odcinania.

Zakładając, że bateria jest akumulatorem 12 V, ustawienie wstępne 10 K dolnego wzmacniacza A2 jest ustawione w taki sposób, że jego pin wyjściowy nr 7 staje się wysoką logiką, gdy napięcie akumulatora tylko przekracza znak 11 V (dolny próg rozładowania), podczas gdy ustawienie wstępne wzmacniacza operacyjnego górnego A1 jest tak ustawione że jego moc wyjściowa rośnie, gdy napięcie akumulatora osiąga wyższy próg odcięcia, powiedzmy przy 14,3 V.

Dlatego przy 11 V wyjście A1 staje się dodatnie, ale z powodu obecności diody 1N4148 to dodatnie pozostaje nieskuteczne i zablokowane przed przejściem dalej do bazy tranzystora.

Akumulator kontynuuje ładowanie, aż osiągnie 14,3 V, gdy górny wzmacniacz operacyjny aktywuje przekaźnik i zatrzymuje ładowanie akumulatora.

Sytuacja zostaje natychmiast zablokowana dzięki włączeniu rezystorów sprzężenia zwrotnego na pinie # 1 i pinu # 3 na A1. Przekaźnik zostaje zablokowany w tej pozycji przy całkowitym odcięciu zasilania akumulatora.

Akumulator zaczyna teraz powoli rozładowywać się przez podłączone obciążenie, aż osiągnie dolny próg rozładowania przy 11 V, gdy wyjście A2 jest zmuszone do zmiany wartości ujemnej lub zerowej. Teraz dioda na swoim wyjściu jest spolaryzowana do przodu i szybko przerywa zatrzask, uziemiając zatrzaskowy sygnał zwrotny pomiędzy wskazanymi pinami A1.

W ten sposób przekaźnik jest natychmiast wyłączany i przywracany do pierwotnego położenia N / C, a prąd ładowania ponownie zaczyna płynąć w kierunku akumulatora.

Ten obwód ładowarki o niskim poziomie naładowania akumulatora może być używany jako obwód DC UPS również w celu zapewnienia ciągłego zasilania obciążenia niezależnie od obecności lub nieobecności sieci i do uzyskania nieprzerwanego zasilania podczas jego użytkowania.

Zasilacz ładowania wejściowego może być pozyskiwany z zasilacza regulowanego, takiego jak obwód stałego napięcia stałego o stałym prądzie LM338.

Jak ustawić ustawienia wstępne

• Początkowo należy pozostawić sprzężenie zwrotne 1k / 1N4148 odłączone od wzmacniacza operacyjnego A1.
• Przesuń suwak presetu A1 na poziom podłoża i przesuń suwak presetu A2 na poziom dodatni.
• Poprzez zmienne źródło zasilania należy przyłożyć 14,2 V, co jest pełnym poziomem naładowania akumulatora 12 V w punktach „Akumulator”.
• Znajdziesz aktywację przekaźnika.
• Teraz powoli przesuwaj preset A1 w kierunku dodatnim, aż przekaźnik się wyłączy.
• Spowoduje to odcięcie pełnego naładowania.
• Teraz podłącz 1k / 1N4148 z powrotem, tak aby A1 zatrzasnął przekaźnik w tej pozycji.
• Teraz powoli dostosuj zmienne zasilanie w kierunku dolnej granicy rozładowania akumulatora, zobaczysz, że przekaźnik nadal pozostaje wyłączony z powodu wyżej wymienionej odpowiedzi sprzężenia zwrotnego.
• Dostosuj zasilanie do dolnego progu rozładowania akumulatora.
• Następnie zacznij przesuwać nastawę A2 w kierunku masy, aż spowoduje to ustawienie wyjścia A2 na zero, co spowoduje przerwanie zatrzasku A1 i włączenie przekaźnika z powrotem do trybu ładowania.
• To wszystko, obwód jest teraz w pełni ustawiony, zapieczętuj presety w tej pozycji.

Odpowiedzi na inne dodatkowe pytania zawarte we wniosku znajdują się poniżej:

Wzór na obliczenie pełnego limitu odcięcia ładowania to:

Napięcie akumulatora + 20%, na przykład 20% z 12 V to 2,4, więc 12 + 2,4 = 14,4 V to napięcie odcięcia pełnego ładowania dla akumulatora 12 V

Aby poznać czas podtrzymania baterii, można skorzystać z następującego wzoru, który podaje przybliżony czas podtrzymania baterii.

Kopia zapasowa = 0,7 (Ah / prąd obciążenia)

Inny alternatywny projekt wykonania automatycznego obwodu ładowarki akumulatora odcinającego nadmierne / niedostateczne ładowanie przy użyciu dwóch wzmacniaczy operacyjnych można zobaczyć poniżej:

Jak to działa

Zakładając, że nie ma podłączonego akumulatora, styk przekaźnika jest w pozycji N / C. Dlatego po włączeniu zasilania obwód wzmacniacza operacyjnego nie może zostać zasilony i pozostaje nieaktywny.

Teraz załóżmy, że rozładowany akumulator jest podłączony we wskazanym punkcie, obwód wzmacniacza operacyjnego jest zasilany przez akumulator. Ponieważ akumulator jest na poziomie rozładowania, tworzy niski potencjał na wejściu (-) górnego wzmacniacza operacyjnego, który może być mniejszy niż pin (+).

Z tego powodu górna moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego jest wysoka. Tranzystor i przekaźnik aktywują się, a styki przekaźnika przechodzą z N / C do N / O. To teraz łączy akumulator z zasilaniem wejściowym i rozpoczyna ładowanie.

Gdy akumulator jest w pełni naładowany, potencjał na styku (-) górnego wzmacniacza operacyjnego staje się wyższy niż jego wejście (+), powodując niskie napięcie na styku wyjściowym górnego wzmacniacza operacyjnego. Powoduje to natychmiastowe wyłączenie tranzystora i przekaźnika.

Akumulator jest teraz odłączony od źródła ładowania.

Dioda 1N4148 na (+) i wyjściu górnego wzmacniacza operacyjnego zatrzaskuje się, więc nawet jeśli bateria zacznie spadać, nie ma wpływu na stan przekaźnika.

Załóżmy jednak, że akumulator nie jest wyjęty z zacisków ładowarki, a obciążenie jest do niego podłączone, tak że zaczyna się rozładowywać.

Kiedy akumulator rozładowuje się poniżej pożądanego niższego poziomu, potencjał na styku (-) dolnego wzmacniacza operacyjnego spada niż jego styk wejściowy (+). To natychmiast powoduje, że wyjście dolnego wzmacniacza operacyjnego staje się wysokie, co uderza w pin3 górnego wzmacniacza operacyjnego. Natychmiast przerywa zatrzask i włącza tranzystor i przekaźnik, aby ponownie zainicjować proces ładowania.

Projektowanie PCB

Dodawanie bieżącego etapu kontroli

Powyższe dwa projekty można rozbudować o sterowanie prądowe, dodając moduł kontroli prądu oparty na MOSFET, jak pokazano poniżej:

R2 = 0,6 / prąd ładowania

Dodanie ochrony przed odwrotną polaryzacją

W powyższych konstrukcjach można zastosować zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją, dodając diodę szeregowo z dodatnim biegunem akumulatora. Katoda przejdzie do dodatniego bieguna akumulatora, a anoda do dodatniej linii wzmacniacza operacyjnego.

Upewnij się, że podłączasz rezystor 100 Ohm do tej diody, w przeciwnym razie obwód nie zainicjuje procesu ładowania.

Demontaż przekaźnika

W pierwszej konstrukcji ładowarki opartej na wzmacniaczu operacyjnym możliwe jest wyeliminowanie przekaźnika i obsługa procesu ładowania przez tranzystory półprzewodnikowe, jak pokazano na poniższym schemacie:

Jak działa obwód

• Załóżmy, że preset A2 jest ustawiony na progu 10 V, a preset A1 jest ustawiony na progu 14 V.
• Załóżmy, że podłączamy akumulator, który jest rozładowywany na pośrednim etapie 11 V.
• Przy tym napięciu pin2 A1 będzie poniżej swojego potencjału odniesienia pin3, zgodnie z ustawieniem presetu pin5.
• Spowoduje to, że styk wyjściowy 1 A1 będzie wysoki, włączając tranzystor BC547 i TIP32.
• Akumulator zacznie się teraz ładować przez TIP32, aż napięcie na zaciskach osiągnie 14 V.
• Przy 14 V, zgodnie z ustawieniem górnego ustawienia wstępnego, pin2 A1 przejdzie wyżej niż jego pin3, powodując niskie napięcie wyjściowe.
• Spowoduje to natychmiastowe wyłączenie tranzystorów i zatrzymanie procesu ładowania.
• Powyższe działanie spowoduje również zablokowanie wzmacniacza operacyjnego A1 przez 1k / 1N4148, tak że nawet jeśli napięcie akumulatora spadnie do poziomu SoC 13 V, A1 będzie nadal utrzymywać niskie napięcie wyjściowe pin1.
• Następnie, gdy akumulator zaczyna się rozładowywać przez obciążenie wyjściowe, jego napięcie na zaciskach zaczyna spadać, aż spadnie do 9,9 V.
• Na tym poziomie, zgodnie z ustawieniem niższego ustawienia wstępnego, styk 5 A2 spadnie poniżej styku 6, powodując niskie styk wyjściowy 7.
• To niskie na pinie 7 A2 pociągnie pin2 A1 do prawie 0 V, tak że teraz pin3 A1 stanie się wyżej niż jego pin2.
• Spowoduje to natychmiastowe przerwanie zatrzasku A1, a wyjście A1 ponownie zmieni stan na wysoki, umożliwiając włączenie tranzystora i zainicjowanie procesu ładowania.
• Gdy bateria osiągnie 14 V, proces powtórzy cykl jeszcze raz