Diseño de un circuito de cargador de batería personalizado

He diseñado y publicado una variedad de circuitos de carga de batería en este sitio web, sin embargo, los lectores a menudo se confunden al seleccionar el circuito de carga de batería adecuado para sus aplicaciones individuales. Y tengo que explicar explícitamente a cada uno de los lectores cómo personalizar el circuito del cargador de batería dado para sus necesidades específicas.

Esto lleva bastante tiempo, ya que es lo mismo que tengo que explicar a cada uno de los lectores de vez en cuando.

Esto me obligó a publicar este artículo en el que he intentado explicar un cargador de batería estándar diseño y cómo personalizarlo de varias formas para adaptarse a las preferencias individuales en términos de voltaje, corriente, corte automático o operaciones semiautomáticas.

Cargar la batería correctamente es crucial

Los tres parámetros fundamentales que todas las baterías requieren para cargarse de manera óptima y segura son:

1. Voltaje constante.
2. Corriente constante.
3. Auto-corte.

Básicamente, estas son las tres cosas fundamentales que se deben aplicar para cargar con éxito una batería y también asegurarse de que la vida útil de la batería no se vea afectada en el proceso.

Algunas condiciones mejoradas y opcionales son:

Gestión térmica.

y Carga escalonada .

Los dos criterios anteriores se recomiendan especialmente para Baterías de iones de litio , si bien estos pueden no ser tan cruciales para las baterías de plomo-ácido (aunque 'no hay nada de malo en implementarlo para lo mismo)

Averigüemos las condiciones anteriores paso a paso y veamos cómo se pueden personalizar los requisitos según las siguientes instrucciones:

Importancia del voltaje constante:

Se recomienda que todas las baterías se carguen a un voltaje que puede ser aproximadamente de un 17 a un 18% más alto que el voltaje de la batería impreso, y este nivel no debe aumentarse ni fluctuar mucho.

Por lo tanto, para un Batería 12V , el valor ronda los 14,2 V, que no debería aumentarse mucho.

Este requisito se denomina requisito de voltaje constante.

Con la disponibilidad de varios circuitos integrados reguladores de voltaje en la actualidad, hacer un cargador de voltaje constante es cuestión de minutos.

Los más populares entre estos circuitos integrados son el LM317 (1,5 amperios), LM338 (5 amperios), LM396 (10 amperios). Todos estos son circuitos integrados reguladores de voltaje variable y permiten al usuario establecer cualquier voltaje constante deseado en cualquier lugar de 1,25 a 32 V (no para LM396).

Puede usar el IC LM338 que es adecuado para la mayoría de las baterías para lograr un voltaje constante.

Aquí hay un circuito de ejemplo que se puede usar para cargar cualquier batería entre 1,25 y 32 V con un voltaje constante.

Esquema del cargador de batería de voltaje constante

La variación del potenciómetro de 5k permite configurar cualquier voltaje constante deseado en el condensador C2 (Vout) que se puede utilizar para cargar una batería conectada en estos puntos.

Para voltaje fijo, puede reemplazar R2 con una resistencia fija, usando esta fórmula:

VO= VREF(1 + R2 / R1) + (IADJ× R2)

Donde VREFes = 1,25

Desde que yoADJes demasiado pequeño se puede ignorar

Aunque puede ser necesario un voltaje constante, en lugares donde el voltaje de una red de CA de entrada no varía demasiado (un aumento / disminución del 5% es bastante aceptable), se puede eliminar por completo el circuito anterior y olvidarse del factor de voltaje constante.

Esto implica que simplemente podemos usar un transformador clasificado correctamente para cargar una batería sin considerar una condición de voltaje constante, siempre que la entrada de la red sea bastante confiable en términos de sus fluctuaciones.

Hoy en día, con la llegada de los dispositivos SMPS, el problema anterior se vuelve completamente irrelevante ya que las SMPS son todas fuentes de alimentación de voltaje constante y son altamente confiables con sus especificaciones, por lo que si hay una SMPS disponible, el circuito LM338 anterior puede eliminarse definitivamente.

Pero comúnmente, un SMPS viene con un voltaje fijo, por lo que, en ese caso, personalizarlo para una batería en particular podría convertirse en un problema y es posible que deba optar por el circuito LM338 versátil como se explicó anteriormente ... o si aún desea evitar esto , puedes simplemente modificar el SMPS circuito en sí mismo para adquirir el voltaje de carga deseado.

La siguiente sección explicará el diseño de un circuito de control de corriente personalizado para una unidad de cargador de batería seleccionada y específica.

Agregar una corriente constante

Como el parámetro de 'voltaje constante' , la corriente de carga recomendada para una batería en particular no debe aumentarse ni fluctuar mucho.

Para las baterías de plomo-ácido, la tasa de carga debe ser aproximadamente 1/10 o 2/10 del valor Ah (amperios hora) impreso de la batería. lo que significa que si la batería tiene una capacidad nominal de 100 Ah, entonces se recomienda que su tasa de corriente de carga (amperios) sea de 100/10 = 10 amperios como mínimo o (100 x 2) / 10 = 200/10 = 20 amperios como máximo, esta cifra debe No se aumentará preferiblemente para mantener unas condiciones saludables para la batería.

Sin embargo, para Li-ion o Baterías lipo el criterio es completamente diferente, para estas baterías, la tasa de carga podría ser tan alta como su tasa de Ah, lo que significa que si la especificación AH de una batería de iones de litio es de 2,2 Ah, entonces es posible cargarla al mismo nivel que es de 2,2 amperios rate Aquí no tiene que dividir nada ni realizar ningún tipo de cálculo.

Para implementar un corriente constante característica, nuevamente un LM338 se vuelve útil y se puede configurar para lograr el parámetro con un alto grado de precisión.

Los circuitos dados a continuación muestran cómo se puede configurar el IC para implementar un cargador de batería controlado por corriente.

Asegurate que mira este artículo que proporciona un circuito cargador de batería excelente y altamente personalizable.

Esquema del cargador de batería controlado por CC y CV

Como se discutió en la sección anterior, en caso de que su red de entrada sea bastante constante, puede ignorar la sección LM338 del lado derecho y simplemente usar el circuito limitador de corriente del lado izquierdo con un transformador o un SMPS, como se muestra a continuación:

En el diseño anterior, el voltaje del transformador puede estar clasificado al nivel de voltaje de la batería, pero después de la rectificación puede ceder un poco por encima del voltaje de carga de la batería especificado.

Este problema se puede ignorar porque la función de control de corriente adjunta obligará a que el voltaje baje automáticamente el exceso de voltaje al nivel seguro de voltaje de carga de la batería.

R1 se puede personalizar según las necesidades, siguiendo las instrucciones proporcionadas AQUÍ

Los diodos deben tener la clasificación apropiada dependiendo de la corriente de carga, y preferiblemente deben ser mucho más altos que el nivel de corriente de carga especificado.

Personalizar la corriente para cargar una batería

En los circuitos anteriores, el IC LM338 está clasificado para manejar como máximo 5 amperios, lo que lo hace adecuado solo para baterías de hasta 50 AH, sin embargo, es posible que tenga baterías clasificadas mucho más altas en el orden de 100 AH, 200 AH o incluso 500 AH .

Estos pueden requerir la carga a las respectivas tasas de corriente más altas que un solo LM338 podría no ser suficiente.

Para remediar esto, se puede actualizar o mejorar el IC con más IC en paralelo, como se muestra en el siguiente artículo de ejemplo:

Circuito del cargador de 25 amperios

En el ejemplo anterior, la configuración parece un poco complicada debido a la inclusión de un opamp, sin embargo, un pequeño retoque muestra que en realidad los circuitos integrados se pueden agregar directamente en paralelo para multiplicar la salida de corriente, siempre que todos los circuitos integrados estén montados sobre un disipador de calor común. , vea el diagrama siguiente:

Se puede agregar cualquier número de circuitos integrados en el formato mostrado para lograr cualquier límite de corriente deseado, sin embargo, se deben garantizar dos cosas para obtener una respuesta óptima del diseño:

Todos los circuitos integrados deben montarse sobre un disipador de calor común, y todas las resistencias limitadoras de corriente (R1) deben fijarse con un valor que coincida con precisión, ambos parámetros son necesarios para permitir una distribución uniforme del calor entre los circuitos integrados y, por lo tanto, una distribución de corriente igual a través del salida para la batería conectada.

Hasta ahora hemos aprendido sobre cómo personalizar el voltaje constante y la corriente constante para una aplicación específica de cargador de batería.

Sin embargo, sin un corte automático, un circuito del cargador de batería puede estar incompleto y ser bastante inseguro.

Hasta ahora en nuestra carga de batería tutoriales Aprendimos cómo personalizar el parámetro de voltaje constante mientras construimos un cargador de batería, en las siguientes secciones trataremos de entender cómo implementar un corte automático de carga completa para asegurar una carga segura para la batería conectada.

Agregar un corte automático 0ff en el cargador de batería

En esta sección descubriremos cómo se puede agregar un corte automático a una batería cargador que es uno de los aspectos más cruciales en este tipo de circuitos.

Se puede incluir y personalizar una etapa de desconexión automática simple en un circuito de cargador de batería seleccionado mediante la incorporación de un comparador opamp.

Se puede colocar un amplificador operacional para detectar un aumento de voltaje de la batería mientras se está cargando y cortar el voltaje de carga tan pronto como el voltaje alcance el nivel de carga completo de la batería.

Es posible que ya haya visto esta implementación en la mayoría de los circuitos de carga automática de baterías publicados hasta ahora en este blog.

El concepto se puede entender completamente con la ayuda de la siguiente explicación y la simulación GIF del circuito que se muestra:

NOTA: Utilice el contacto N / O del relé para la entrada de carga, en lugar del N / C que se muestra. Esto asegurará que el relé no vibre en ausencia de una batería. Para que esto funcione, también asegúrese de intercambiar los pines de entrada (2 y 3) entre sí .

En el efecto de simulación anterior, podemos ver que se ha configurado un opamp como sensor de voltaje de la batería para detectar el umbral de sobrecarga y cortar el suministro a la batería tan pronto como se detecte.

El ajuste preestablecido en el pin (+) del IC se ajusta de manera que a voltaje de batería completo (14.2V aquí), el pin # 3 adquiere un potencial más alto que el pin (-) del IC que se fija con un voltaje de referencia de 4.7V con diodo Zener.

El suministro de 'voltaje constante' y 'corriente constante' explicado anteriormente se conecta al circuito, y la batería a través del contacto N / C del relé.

Inicialmente, la tensión de alimentación y la batería se desconectan del circuito.

Primero, se permite que la batería descargada se conecte al circuito, tan pronto como se hace esto, el opamp detecta un potencial que es menor (10.5V como se supone aquí) que el nivel de carga completo, y debido a esto, el LED ROJO se enciende , lo que indica que la batería está por debajo del nivel de carga completa.

A continuación, se enciende el suministro de carga de entrada de 14,2 V.

Tan pronto como se hace esto, la entrada desciende instantáneamente hasta el voltaje de la batería y alcanza el nivel de 10,5 V.

Ahora se inicia el procedimiento de carga y la batería comienza a cargarse.

A medida que aumenta el voltaje del terminal de la batería en el transcurso de la carga, el voltaje del pin (+) también aumenta correspondientemente.

Y en el momento en que el voltaje de la batería alcanza el nivel de entrada completo que es el nivel de 14.3V, el pin (+) también alcanza proporcionalmente 4.8V que es un poco más alto que el voltaje del pin (-).

Esto fuerza instantáneamente a que la salida del opamp suba.

El LED ROJO ahora se apaga y el LED verde se ilumina, indicando la acción de cambio y también que la batería está completamente cargada.

Sin embargo, lo que puede suceder después de esto no se muestra en la simulación anterior. Lo aprenderemos a través de la siguiente explicación:

Tan pronto como se dispara el relé, el voltaje del terminal de la batería tenderá a caer rápidamente y restablecerse a un nivel más bajo, ya que una batería de 12 V nunca mantendrá un nivel de 14 V de manera constante y tratará de alcanzar una marca de 12,8 V aproximadamente.

Ahora, debido a esta condición, el voltaje del pin (+) volverá a experimentar una caída por debajo del nivel de referencia establecido por el pin (-), lo que volverá a indicar al relé que se apague y el proceso de carga se iniciará nuevamente.

Esta conmutación de ENCENDIDO / APAGADO del relé seguirá funcionando haciendo un sonido de 'clic' indeseable desde el relé.

Para evitar esto, es imperativo agregar una histéresis al circuito.

Esto se hace introduciendo una resistencia de alto valor a través de la salida y el pin (+) del IC como se muestra a continuación:

Agregar histéresis

La adición de lo indicado anteriormente histéresis El resistor evita que el relé oscile entre ON / OFF en los niveles de umbral y bloquea el relé hasta un cierto período de tiempo (hasta que el voltaje de la batería cae por debajo del límite sostenible de este valor de resistencia).

Las resistencias de valor más alto proporcionan períodos de enclavamiento más bajos, mientras que la resistencia más baja proporciona una histéresis más alta o un período de enclavamiento más alto.

Por lo tanto, a partir de la discusión anterior, podemos comprender cómo un circuito de corte automático de batería configurado correctamente puede ser diseñado y personalizado por cualquier aficionado para sus especificaciones de carga de batería preferidas.

Ahora veamos cómo se ve todo el diseño del cargador de batería, incluida la configuración de voltaje / corriente constante junto con la configuración de corte anterior:

Así que aquí está el circuito de cargador de batería personalizado completo que se puede usar para cargar cualquier batería deseada después de configurarla como se explica en todo nuestro tutorial:

• El opamp puede ser un IC 741
• El preset = preset de 10k
• ambos diodos Zener pueden ser = 4,7 V, 1/2 vatio
• resistencia zener = 10k
• Las resistencias de LED y transistores también pueden ser = 10k
• Transistor = BC547
• diodo de relé = 1N4007
• relé = seleccione coincidir con el voltaje de la batería.

Cómo cargar una batería sin ninguna de las funciones anteriores

Si se pregunta si es posible cargar una batería sin asociar ninguno de los circuitos y partes complejos mencionados anteriormente. La respuesta es sí, puede cargar cualquier batería de forma segura y óptima incluso si no tiene ninguno de los circuitos y piezas mencionados anteriormente.

Antes de continuar, sería importante conocer las pocas cosas cruciales que requiere una batería para cargarse de forma segura y las cosas que hacen que los parámetros de 'corte automático', 'voltaje constante' y 'corriente constante' sean tan importantes.

Estas características se vuelven importantes cuando desea que su batería se cargue con extrema eficiencia y rapidez. En tales casos, es posible que desee que su cargador esté equipado con muchas funciones avanzadas como se sugirió anteriormente.

Sin embargo, si está dispuesto a aceptar el nivel de carga completo de su batería un poco más bajo que el óptimo, y si está dispuesto a proporcionar unas horas más para que finalice la carga, ciertamente no necesitará ninguna de las funciones recomendadas, como constante corriente, voltaje constante o corte automático, puede olvidarse de todos estos.

Básicamente, una batería no debe cargarse con suministros que tengan una clasificación más alta que la clasificación impresa de la batería, es tan simple como eso.

Es decir, suponga que su batería tiene una potencia nominal de 12 V / 7 Ah, idealmente nunca debe exceder la tasa de carga completa por encima de 14,4 V y la corriente por encima de 7/10 = 0,7 amperios. Si estas dos tasas se mantienen correctamente, puede estar seguro de que su batería está en buenas manos y nunca se dañará, independientemente de las circunstancias.

Por lo tanto, para garantizar los criterios mencionados anteriormente y cargar la batería sin involucrar circuitos complejos, solo asegúrese de que la fuente de entrada que está utilizando tenga la clasificación correspondiente.

Por ejemplo, si está cargando una batería de 12V / 7Ah, seleccione un transformador que produzca alrededor de 14V después de la rectificación y filtración, y su corriente es de alrededor de 0,7 amperios. La misma regla puede aplicarse también a otras baterías, proporcionalmente.

La idea básica aquí es mantener los parámetros de carga ligeramente por debajo de la clasificación máxima permitida. Por ejemplo, se puede recomendar que una batería de 12V se cargue hasta un 20% más que su valor impreso, es decir, 12 x 20% = 2.4V más alto que 12V = 12 + 2.4 = 14.4V.

Por lo tanto, nos aseguramos de mantenerlo ligeramente más bajo a 14V, lo que puede no cargar la batería en su punto óptimo, pero será bueno para cualquier cosa, de hecho, mantener el valor un poco más bajo mejorará la vida útil de la batería permitiendo muchos más ciclos de carga / descarga. a la larga.

De manera similar, mantener la corriente de carga a una décima parte del valor Ah impreso asegura que la batería se cargue con el mínimo esfuerzo y disipación, lo que prolonga la vida útil de la batería.

La configuración final

Una configuración simple que se muestra arriba se puede usar universalmente para cargar cualquier batería de manera segura y bastante óptima, siempre que permita un tiempo de carga suficiente o hasta que encuentre que la aguja del amperímetro cae casi a cero.

El condensador de filtro de 1000 uf en realidad no es necesario, como se muestra arriba, y eliminarlo mejoraría la vida útil de la batería.

¿Tienes más dudas? No dudes en expresarlos a través de tus comentarios.

Fuente: Bateria cargando