Navrhování přizpůsobeného obvodu nabíječky baterií

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





Na tomto webu jsem navrhl a publikoval řadu obvodů nabíječek baterií, avšak čtenáři se při výběru správného obvodu nabíječky baterií pro jednotlivé aplikace často mýlí. A musím každému z čtenářů výslovně vysvětlit, jak přizpůsobit daný obvod nabíječky baterií jeho konkrétním potřebám.

To se stává docela časově náročné, protože je to stejná věc, kterou musím občas vysvětlit každému z čtenářů.



To mě donutilo zveřejnit tento příspěvek, kde jsem se snažil vysvětlit a standardní nabíječka baterií design a jak ho přizpůsobit několika způsoby, aby vyhovovaly individuálním preferencím, pokud jde o napětí, proud, automatické vypnutí nebo poloautomatické operace.

Správné nabíjení baterie je zásadní

Tři základní parametry, které všechny baterie vyžadují, aby byly nabíjeny optimálně a bezpečně, jsou:



  1. Konstantní napětí.
  2. Konstantní proud.
  3. Automatické vypnutí.

V zásadě tedy jde o tři základní věci, které je třeba aplikovat, aby bylo možné úspěšně nabít baterii, a také zajistit, aby v procesu nebyla ovlivněna životnost baterie.

Několik vylepšených a volitelných podmínek je:

Tepelné hospodářství.

a Krok nabíjení .

Výše uvedená dvě kritéria se zvláště doporučují pro Li-ion baterie , i když u olověných baterií nemusí být tak zásadní (i když při provádění stejného postupu není žádná škoda)

Pojďme přijít na výše uvedené podmínky krok za krokem a uvidíme, jak bude možné přizpůsobit požadavky podle následujících pokynů:

Důležitost konstantního napětí:

Doporučuje se, aby všechny baterie byly nabíjeny napětím, které může být přibližně o 17 až 18% vyšší než vytištěné napětí baterie, a tato úroveň nesmí být příliš zvýšena ani kolísána.

Proto pro a 12V baterie , hodnota se pohybuje kolem 14,2 V, což by se nemělo příliš zvyšovat.

Tento požadavek se označuje jako požadavek na konstantní napětí.

S dostupností integrovaných obvodů regulátoru počtu napětí dnes je výroba nabíječky s konstantním napětím otázkou minut.

Nejoblíbenější mezi těmito integrovanými obvody jsou LM317 (1,5 A), LM338 (5 A), LM396 (10 A). To vše jsou integrované obvody regulátoru proměnného napětí a umožňují uživateli nastavit libovolné konstantní napětí kdekoli od 1,25 do 32 V (neplatí pro LM396).

K dosažení konstantního napětí můžete použít IC LM338, který je vhodný pro většinu baterií.

Zde je příklad obvodu, který lze použít k nabíjení jakékoli baterie mezi 1,25 a 32 V konstantním napětím.

Schéma nabíječky baterií s konstantním napětím

Variabilní 5k hrnec umožňuje nastavení libovolného požadovaného konstantního napětí na kondenzátoru C2 (Vout), které lze použít k nabíjení připojené baterie přes tyto body.

Pro pevné napětí můžete R2 nahradit pevným rezistorem pomocí tohoto vzorce:

PROTINEBO= VREF(1 + R2 / R1) + (I.ADJ× R2)

Kde VREFje = 1,25

Protože jáADJje příliš malý, lze jej ignorovat

I když může být nutné konstantní napětí, na místech, kde se napětí ze vstupní střídavé sítě příliš neliší (5% nahoru / dolů je docela přijatelné), lze výše uvedený obvod zcela vyloučit a zapomenout na faktor konstantního napětí.

To znamená, že můžeme jednoduše použít správně dimenzovaný transformátor pro nabíjení baterie bez ohledu na stav konstantního napětí, za předpokladu, že síťový vstup je docela spolehlivý, pokud jde o jeho kolísání.

Dnes s příchodem zařízení SMPS se výše uvedený problém stává zcela nepodstatným, protože SMPS jsou všechny napájecí zdroje s konstantním napětím a jsou díky svým specifikacím vysoce spolehlivé, takže pokud je k dispozici SMPS, výše uvedený obvod LM338 lze definitivně vyloučit.

Obvykle však SMPS přichází s pevným napětím, takže v takovém případě by se jeho přizpůsobení pro konkrétní baterii mohlo stát problémem a možná budete muset zvolit univerzální obvod LM338, jak je vysvětleno výše .... nebo pokud se tomu stále chcete vyhnout , můžete jednoduše upravit SMPS samotný obvod pro získání požadovaného nabíjecího napětí.

Následující část vysvětlí návrh přizpůsobeného obvodu řízení proudu pro konkrétní vybranou nabíjecí jednotku baterie.

Přidání konstantního proudu

Stejně jako parametr „konstantní napětí“ , doporučený nabíjecí proud pro konkrétní baterii by se neměl příliš zvyšovat ani kolísat.

U olověných baterií by měla být rychlost nabíjení přibližně 1/10 nebo 2/10 z vytištěné hodnoty Ah (Ampere Hour) baterie. to znamená, že pokud je baterie dimenzována na řekněme 100 Ah, pak se doporučuje, aby její nabíjecí proud (zesilovač) byl minimálně 100/10 = 10 A nebo (100 x 2) / 10 = 200/10 = 20 A, toto číslo by mělo být pokud možno, nezvyšujte jej, abyste udrželi zdravé podmínky baterie.

Nicméně pro Li-ion nebo Lipo baterie kritérium je zcela odlišné, u těchto baterií může být rychlost nabíjení stejně vysoká jako jejich Ah rychlost, což znamená, že pokud je AH spec Li-ion baterie 2,2 Ah, je možné ji nabíjet na stejné úrovni, která je na 2,2 ampéru rychlost Zde nemusíte nic dělit ani se dopouštět žádného druhu výpočtů.

Pro implementaci a konstantní proud Funkce LM338 se stává opět užitečnou a lze ji nakonfigurovat pro dosažení parametru s vysokou mírou přesnosti.

Níže uvedené obvody ukazují, jak může být IC nakonfigurován pro implementaci proudově řízené nabíječky baterií.


Ujistěte se podívejte se na tento článek který poskytuje vynikající a vysoce přizpůsobitelný obvod nabíječky baterií.


Schéma pro CC a CV řízenou nabíječku baterií

Jak je popsáno v předchozí části, v případě, že je vaše vstupní síť poměrně konstantní, můžete ignorovat sekci LM338 na pravé straně a jednoduše použít obvod omezovače proudu na levé straně buď s transformátorem, nebo SMPS, jak je uvedeno níže:

Ve výše uvedeném provedení může být napětí transformátoru dimenzováno na úroveň napětí baterie, ale po nápravě by mohlo dojít k mírně vyššímu než stanovenému nabíjecímu napětí baterie.

Tento problém lze opomenout, protože připojená funkce řízení proudu vynutí napětí, aby automaticky snížilo nadměrné napětí na bezpečnou úroveň nabíjecího napětí baterie.

R1 lze přizpůsobit podle potřeb podle dodaných pokynů TADY

Diody musí být vhodně dimenzovány v závislosti na nabíjecím proudu a pokud možno by měly být mnohem vyšší než specifikovaná úroveň nabíjecího proudu.

Přizpůsobení proudu pro nabíjení baterie

Ve výše uvedených obvodech je jmenovaný IC LM338 dimenzován na zvládnutí maximálně 5 ampérů, což je vhodné pouze pro baterie do 50 AH, ale můžete mít mnohem vyšší jmenovité baterie řádově 100 AH, 200 AH nebo dokonce 500 AH .

Ty mohou vyžadovat nabíjení příslušnými vyššími aktuálními rychlostmi, které by jediný LM338 nemusel stačit.

Chcete-li tento problém napravit, můžete upgradovat nebo vylepšit integrovaný obvod s více integrovanými obvody paralelně, jak je znázorněno v následujícím ukázkovém článku:

Obvod nabíječky 25 A

Ve výše uvedeném příkladu vypadá konfigurace trochu komplikovaně kvůli začlenění operační zesilovače, avšak malé vrtání ukazuje, že ve skutečnosti mohou být integrované obvody přímo přidávány paralelně pro vynásobení aktuálního výstupu za předpokladu, že všechny integrované obvody jsou připojeny přes společný chladič , viz níže uvedený diagram:

V zobrazeném formátu může být přidán libovolný počet integrovaných obvodů pro dosažení libovolného požadovaného limitu proudu, ale aby bylo možné získat optimální odpověď z návrhu, je třeba zajistit dvě věci:

Všechny integrované obvody musí být namontovány na společném chladiči a všechny rezistory omezující proud (R1) musí být fixovány s přesně shodnou hodnotou, oba parametry jsou vyžadovány, aby bylo umožněno rovnoměrné sdílení tepla mezi integrovanými obvody, a tedy rovnoměrné rozdělení proudu napříč výstup pro připojenou baterii.

Doposud jsme se naučili, jak přizpůsobit konstantní napětí a konstantní proud pro konkrétní aplikaci nabíječky baterií.

Bez automatického vypnutí však může být obvod nabíječky baterií jen neúplný a docela nebezpečný.

Zatím v našem nabíjení baterie výukové programy Naučili jsme se, jak přizpůsobit parametr konstantního napětí při stavbě nabíječky baterií, v následujících částech se pokusíme pochopit, jak implementovat automatické odpojení plného nabití pro zajištění bezpečného nabíjení připojené baterie.

Přidání funkce Auto-Cut 0ff do nabíječky baterií

V této části zjistíme jak lze k baterii přidat automatické vypnutí nabíječka, která je jedním z nejdůležitějších aspektů v těchto obvodech.

Jednoduchý stupeň automatického vypnutí lze zahrnout a přizpůsobit vybranému obvodu nabíječky baterií zabudováním komparátoru operační zesilovače.

Může být umístěn operační zesilovač, který detekuje rostoucí napětí baterie během nabíjení a odpojí nabíjecí napětí, jakmile napětí dosáhne úplné úrovně nabití baterie.

Možná jste již tuto implementaci viděli ve většině obvodů automatických nabíječek baterií, které jsou dosud publikovány v tomto blogu.

Koncept lze důkladně pochopit pomocí následujícího vysvětlení a zobrazené simulace obvodu GIF:

POZNÁMKA: Použijte prosím spínací reléový kontakt pro nabíjecí vstup namísto zobrazeného rozpojovacího kontaktu. Tím bude zajištěno, že relé při nepřítomnosti baterie neklepe. Aby to fungovalo, nezapomeňte také navzájem zaměnit vstupní piny (2 a 3) .

Ve výše uvedeném simulačním efektu vidíme, že operační zesilovač je nakonfigurován jako senzor napětí baterie pro detekci prahu přebití a přerušení dodávky energie do baterie, jakmile je detekována.

Předvolba na kolíku (+) IC je upravena tak, aby při plném napětí baterie (14,2 V zde) získal kolík # 3 o stín větší potenciál než kolík (-) IC, který je fixován referenčním napětím 4,7 V se zenerovou diodou.

Dříve vysvětlené napájení „konstantním napětím“ a „konstantním proudem“ je připojeno k obvodu a baterii přes rozpínací kontakt relé.

Nejprve je z obvodu vypnuto napájecí napětí i baterie.

Nejprve je možné připojit vybitou baterii k obvodu, jakmile to bude provedeno, operační zesilovač detekuje potenciál, který je nižší (zde 10,5 V, jak se zde předpokládá) než plná úroveň nabití, a kvůli tomu se rozsvítí ČERVENÁ LED , což znamená, že baterie je pod úrovní úplného nabití.

Dále je zapnuto napájení nabíjením vstupu 14,2 V.

Jakmile to uděláte, vstup okamžitě klesne na napětí baterie a dosáhne úrovně 10,5V.

Nyní se zahájí proces nabíjení a baterie se začne nabíjet.

Se zvyšujícím se napětím baterie v průběhu nabíjení se odpovídajícím způsobem zvyšuje i napětí pinů (+).

A v okamžiku, kdy napětí baterie dosáhne plné vstupní úrovně, která je na úrovni 14,3 V, pin (+) také proporcionálně dosáhne 4,8 V, což je jen vyšší napětí než pin (-).

To okamžitě vynutí výstup operačního zesilovače na vysokou úroveň.

ČERVENÁ LED dioda nyní zhasne a zelená LED dioda se rozsvítí, což indikuje přepnutí a také to, že baterie je plně nabitá.

Co se však poté může stát, se ve výše uvedené simulaci neukazuje. Dozvíme se to prostřednictvím následujícího vysvětlení:

Jakmile relé sepne, napětí na svorce baterie bude mít rychle sklon klesat a obnovovat se na nižší úroveň, protože baterie 12V nikdy nebude trvale udržovat úroveň 14V a pokusí se dosáhnout přibližně hodnoty 12,8V.

Kvůli této podmínce nyní napětí kolíku (+) opět poklesne pod referenční úroveň nastavenou kolíkem (-), což znovu vyzve relé k vypnutí a proces nabíjení bude znovu zahájen.

Toto přepínání relé ZAPNUTÍ / VYPNUTÍ bude pokračovat v cyklování vydávání nežádoucího „klikání“ zvuku z relé.

Aby se tomu zabránilo, je bezpodmínečně nutné přidat do obvodu hysterezi.

To se provádí zavedením vysoce hodnotného rezistoru přes výstup a (+) pin IC, jak je uvedeno níže:

Přidání hystereze

Přidání výše uvedeného je uvedeno hystereze rezistor brání relé oscilovat ZAPNUTO / VYPNUTO na prahových úrovních a blokuje relé po určitou dobu (dokud napětí baterie neklesne pod udržitelnou mez této hodnoty odporu).

Rezistory s vyšší hodnotou poskytují nižší doby blokování, zatímco nižší rezistor poskytují vyšší hysterezi nebo vyšší dobu blokování.

Z výše uvedené diskuse tedy můžeme pochopit, jak může správně nakonfigurovaný obvod automatického vypnutí baterie navrhnout a přizpůsobit jakýkoli fanda pro jeho preferované specifikace nabíjení baterie.

Nyní se podívejme, jak může vypadat celá konstrukce nabíječky baterií, včetně nastavení konstantního napětí / proudu spolu s výše uvedenou konfigurací cut-off:

Tady je dokončený přizpůsobený obvod nabíječky baterií, který lze použít k nabíjení jakékoli požadované baterie po nastavení, jak je vysvětleno v celém našem výukovém programu:

  • Operační zesilovač může být IC 741
  • Předvolba = 10k předvolba
  • obě zenerovy diody mohou být = 4,7 V, 1/2 watt
  • zenerův odpor = 10k
  • LED a tranzistorové rezistory mohou být také = 10k
  • Tranzistor = BC547
  • reléová dioda = 1N4007
  • relé = vyberte odpovídající napětí baterie.

Jak nabít baterii bez výše uvedených zařízení

Pokud vás zajímá, zda je možné nabít baterii, aniž byste museli přidružit některý z výše zmíněných složitých obvodů a součástí? Odpověď zní ano, libovolnou baterii můžete bezpečně a optimálně nabít, i když nemáte žádný z výše uvedených obvodů a dílů.

Než budete pokračovat, bylo by důležité znát několik zásadních věcí, které baterie vyžaduje pro bezpečné nabíjení, a věci, díky nimž jsou parametry „automatického odpojení“, „konstantního napětí“ a „konstantního proudu“ tak důležité.

Tyto funkce se stávají důležitými, pokud chcete, aby byla vaše baterie nabíjena extrémně efektivně a rychle. V takových případech můžete chtít, aby byla vaše nabíječka vybavena mnoha pokročilými funkcemi, jak je navrženo výše.

Pokud jste však ochotni přijmout úplnou úroveň nabití baterie o něco nižší, než je optimální, a pokud jste ochotni poskytnout o několik hodin více na dokončení nabíjení, pak byste určitě nevyžadovali žádnou z doporučených funkcí, jako je konstantní proud, konstantní napětí nebo automatické vypnutí, můžete na vše zapomenout.

Baterie by v zásadě neměla být nabíjena spotřebním materiálem, který má vyšší hodnocení, než je kapacita baterie, je to tak jednoduché.

To znamená, že vaše baterie je dimenzována na 12V / 7Ah, v ideálním případě nesmíte nikdy překročit rychlost plného nabití nad 14,4V a proud přes 7/10 = 0,7 A. Pokud jsou tyto dvě sazby správně udržovány, můžete si být jisti, že je vaše baterie v bezpečných rukou a bez ohledu na okolnosti se nikdy nezraní.

Proto, abyste zajistili výše uvedená kritéria a nabili baterii bez zapojení složitých obvodů, ujistěte se, že vstupní zdroj, který používáte, je odpovídajícím způsobem dimenzován.

Například pokud nabíjíte baterii 12V / 7Ah, vyberte transformátor, který po usměrnění a filtraci produkuje přibližně 14 V a jeho proud je dimenzován na přibližně 0,7 ampér. Stejné pravidlo lze přiměřeně použít i pro ostatní baterie.

Základní myšlenkou je udržovat parametry nabíjení o něco nižší, než je maximální povolené hodnocení. Například lze doporučit nabíjení 12V baterie až o 20% vyšší, než je její tištěná hodnota, tj. O 12 x 20% = 2,4 V vyšší než 12V = 12 + 2,4 = 14,4 V.

Proto se ujistěte, že toto udržujeme mírně nižší na 14 V, což nemusí baterii nabíjet do optimálního bodu, ale bude dobré pro cokoli, ve skutečnosti udržení hodnoty mírně nižší zvýší životnost baterie a umožní mnohem více cyklů nabíjení / vybíjení z dlouhodobého hlediska.

Podobně udržování nabíjecího proudu na 1/10 vytištěné hodnoty Ah zajišťuje, že je baterie nabitá s minimálním napětím a ztrátou, což prodlužuje životnost baterie.

Konečné nastavení

základní obvod nabíječky baterií pomocí transformátoru a usměrňovače

Jednoduché nastavení zobrazené výše lze univerzálně použít k bezpečnému a zcela optimálnímu nabíjení libovolné baterie, pokud dovolíte dostatečnou dobu nabíjení nebo dokud nenajdete jehlu ampérmetru klesající téměř na nulu.

Filtrační kondenzátor 1000uf není ve skutečnosti potřeba, jak je uvedeno výše, a jeho vyloučení by ve skutečnosti prodloužilo životnost baterie.

Máte další pochybnosti? Neváhejte je vyjádřit prostřednictvím svých komentářů.

Zdroj: Baterie se nabíjí




Předchozí: Přidání PWM multi-spark do automobilového zapalovacího obvodu Další: Obvod indikátoru úrovně hudby subwooferu