Come interrompere l'alimentazione quando viene raggiunta una certa tensione da un sensore?


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Ho costruito un semplice caricabatterie Ni-Cd (sostanzialmente una sorgente di corrente 0.1C) per alcune celle da 1300 mAh, che voglio fermare quando viene raggiunta una certa tensione sulla cella. Ho provato a progettare l'interruttore con un amplificatore operazionale, ma tutto ciò che fa è limitare la tensione che la sorgente di corrente sta applicando sulla cella, alla tensione che avrebbe dovuto innescare l'interruzione. So che potrei usare un relè, che sarebbe pilotato dall'amplificatore operazionale, ma preferirei davvero non usarli.

Quindi, come può interrompere l'alimentazione quando viene raggiunta una certa tensione?

Ecco uno schema di quello che ho fatto, per darti un'idea.

schematico


Vuoi interrompere il potere .... fino a quando?
Phil Frost,

Voglio interrompere l'alimentazione quando la batteria raggiunge 1,4 V.
Chris,

giusto, interrompilo, ma quando ritorna? C'è un pulsante o un interruttore di ripristino? Quando la tensione scende al di sotto di un livello inferiore (isteresi)?
Phil Frost,

Esattamente, come ho detto in un commento qui sotto, funziona in un'isteresi .. interrompe l'alimentazione quando la batteria raggiunge 1,4 V e si riaccende quando la batteria scende a circa 1,35 V. L'amplificatore operazionale è in una configurazione trigger Schmitt.
Chris,

se è quello che sta facendo, credo di non essere sicuro di quale sia il problema o quale sia la domanda.
Phil Frost,

Risposte:


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Non si desidera utilizzare la terminazione di carica a tensione fissa per le batterie NiCd. È necessario disporre di un limite di tensione superiore come sicurezza, ma la terminazione della carica viene eseguita con la pendenza della tensione e / o la temperatura.

I NiCd mostrano un "bump" di tensione quando sono quasi completamente carichi con una corrente ragionevole. La tensione in realtà scende solo di poco. Pertanto, cerca l'attraversamento zero della derivata di tensione, quindi aggiungi un po 'di carica di corrente bassa per un tempo fisso per ricaricare la batteria. Ad esempio, ecco un ciclo completo di scarica e carica di un pacco batteria NiCd a 3 celle:

La batteria si scarica per esaurirsi efficacemente a 3,4 ore. Fino a circa 4,2 ore, viene utilizzata una corrente di carica bassa fino a quando le celle raggiungono una tensione sufficientemente elevata da essere in grado di assumere una corrente di carica "piena". Nota come la tensione sale, mostra un bump e poi scende di nuovo a circa 6.4h. L'algoritmo di carica rileva che dall'attraversamento zero della linea blu e passa alla modalità top-off a bassa corrente per 2 ore fisse.

Stai caricando a una velocità molto bassa (.1C), quindi alcune parti potrebbero non essere applicabili. Sarebbe una buona idea misurare una curva di carica per vedere dove ti trovi. Lascialo funzionare abbastanza a lungo per sapere che hai caricato completamente la cella e vedi come appaiono sia la tensione che la derivata della tensione. A una velocità di carica così lenta, una tensione di terminazione fissa potrebbe essere l'unica scelta, ma sarebbe bene vedere i dati prima di decidere.

Il modo per misurare e rilevare questo è in un microcontrollore. Ogni misurazione avrà del rumore, ma i segnali sono così lenti che puoi applicare un sacco di filtri passa-basso. I segnali sono così lenti che un filtraggio significativo in analogico sarà difficile a causa delle altissime impedenze necessarie per realizzarli e dell'errore di risultato causato dalle correnti di dispersione. I valori digitali non soffrono di degrado nel tempo, quindi puoi fare cose come calcolare la pendenza in volt / ora come ho fatto per la linea blu nel grafico sopra.


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Sono consapevole del modo in cui Ni-Mh / Ni-Cd dovrebbe essere caricato a correnti elevate, ma carico solo a 0,1 ° C e alcuni produttori specificano che a questo ritmo non è nemmeno necessario un grilletto. Tuttavia, vorrei interrompere la ricarica a circa 1,4 V, che sotto 0,1 ° C non devia molto (l'ho testato).
Chris,

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Il tuo circuito sembra che dovrebbe fare esattamente quello che vuoi
E dici nella tua risposta a Chintalagirl che fa quello che intendi per tensione di taglio e isteresi
Quindi non riesco a capire cosa vuoi che non hai già.

Di recente ho implementato un circuito commerciale per la produzione di volumi elevati utilizzando un circuito simile a quello. Ha usato un diodo per consentire di impostare una tensione di basso livello sotto il feedback di isteresi senza alterare la tensione di intervento e ha usato un TL431 per fornire una tensione di riferimento più stabile - entrambi come indicato di seguito.

Non è possibile garantire in modo affidabile che V_USB sia 5V e che possa essere superiore o inferiore e può variare, pertanto è necessario un riferimento adeguato. Ad esempio, è possibile dividere R8 in due parti e impostare il punto medio a dire 4V usando ad es. Un regolatore di shunt TL431 "programmabile". Questi sono economici ed efficaci in questo ruolo. L'uso di un TLV431 consente 1,25 V con impostazione di riferimento superiore.

Meglio: è possibile impostare U1A pin3 AT sulla tensione di intervento desiderata con TL431 MA, quindi il feedback di isteresi non funziona, quindi è possibile ad es. Utilizzare un TL * V * 431 con due resistori per impostarlo sul Vtrip desiderato.
Alimentare TLV431 con circa 1k al catodo da V_USB.
Alimentare TLV431 tramite diciamo 10k per opampare l'ingresso non invertente.
Utilizzare 100k o qualsiasi altra resistenza di isteresi come in precedenza con un diodo in serie. Vedi sotto.

L'uso di R1 come mostrato rende difficile impostare le soglie alta e bassa come desiderato, in quanto R1 è in parallelo con R8 prima che la batteria raggiunga il punto di trigger e in parallelo con R9 dopo che il punto di trigger è stato raggiunto, così i setpoint alti e bassi sono influenzati. Inoltre, se l'amplificatore operazionale non oscilla completamente su binario alto, influirà sul calcolo del punto di scatto. Più semplice e altrettanto efficace è posizionare un diodo in serie con R1 in modo che conduca con una sola polarità opamp in modo che la soglia alta o bassa sia impostata solo da R8 e R9. Probabilmente è meglio collegare il catodo a diodo all'uscita U1A in modo che il diodo conduca quando viene raggiunta la soglia e quindi abbassa la soglia quando l'uscita U1A si abbassa. In questo modo è possibile impostare con precisione il punto di viaggio desiderato con R8 e R9 (che è quello che ti interessa di più) e poi R1 lo abbasserà un po 'di un importo che puoi calcolare. Il diodo aggiunge una piccola quantità di complessità al calcolo della soglia abbassata ma non è molto importante poiché l'obiettivo principale è terminare la carica.

Se R1 è troppo grande, la soglia non verrà abbassata abbastanza e la tensione della batteria potrebbe "abbassarsi" abbastanza dopo che la carica è stata rimossa per causare il riavvio della carica. Se lo osservi con un misuratore e non con un ambito, potresti pensare di vedere una tensione CC stabile ma in realtà il circuito oscilla. (Chiedimi come lo so :-)).

L'ispezione con un oscilloscopio è sempre una buona idea con circuiti come questo poiché l'oscillazione può facilmente verificarsi.

Qui non dovrebbe importare, ma tieni presente che la gamma di modalità comune di ingresso per LM358 è 1,5 V al di sotto di Vdd, quindi qui Vin max ~ = 3.5.

Dopo aver aggiunto il diodo suggerito sopra, è possibile testare il punto di scatto misurando sul pin U1A 3. È possibile impostare R8 o R9 per impostare il punto di scatto. È possibile verificare il corretto funzionamento utilizzando un condensatore a bassa perdita al posto della batteria. Questo dovrebbe caricarsi su Vtrip e il circuito dovrebbe quindi spegnersi e Vcap dovrebbe essere uguale alla tensione target. Se il tappo perde, lo vedrai ricaricare di tanto in tanto quando Vcap scende al di sotto della soglia inferiore.

Q1 / R5 è un modo sgradevole per eseguire le impostazioni correnti poiché il riferimento Vbe è molto impreciso, ma è abbastanza buono in questa applicazione. D3 probabilmente non è strettamente necessario qui, ma non dovrebbe nuocere. Senza D3 Q1 e Q2 sono potenzialmente polarizzati al contrario dalla batteria quando il transistor è spento ma non dovrebbe essere un problema qui.

L'isteresi R1 dovrebbe impedire a questo circuito di stabilizzarsi in modalità liner quando viene raggiunto il setpoint, in particolare con il diodo aggiunto, ma verificare l'oscillazione. Di solito l'aggiunta di un condensatore da qualche parte nell'unità o nei circuiti di retroazione aiuterà. ad es. qui il pin 3 U1A potrebbe avere un cappuccio a terra MA un posto migliore sarebbe il pin 2, con l'alimentazione al pin 2 dalla batteria tramite ad esempio un resistore da 10k. Puoi esprimerlo nella teoria dei circuiti formale / nomenclatura zero o vederlo come un ritardo nella velocità con cui la tensione della batteria rilevata può cambiare.

Chiedi come richiesto ...


Grazie per tutte le informazioni. Non sono preoccupato per soglie o correnti imprecise, questo non andrà nella produzione di massa :). Non sono soddisfatto del mio design perché il caricabatterie NON interrompe immediatamente la corrente quando si raggiungono ~ 1,4 V sulla batteria, invece limita la sorgente di corrente ad applicare più di 1,4 V. Quindi quello che succede davvero è che la cella viene caricata a ~ 130mA fino a quando non raggiunge 1,4 V, quindi molto lentamente, la corrente viene lasciata cadere fino a quando la cella non è da sola 1,4 V (con la sorgente di corrente completamente spenta). relè tra opamp e la fonte attuale, avrebbe funzionato
Chris

@ user1410908 - SE lavori su TUTTI i miei commenti vedrai che ho affrontato ciò che stai dicendo. Se provi quello che ho detto e controlli ogni punto, probabilmente funzionerà. Molto probabilmente sono uno o più di - Batteria che si scarica abbastanza per superare l'isteresi. - Funzionamento in modalità lineare - OScillating. | Tutti questi sono parti della stessa cosa. | Se si inserisce il diodo che ho suggerito, l'opamp non può mai compensare con un segnale di correzione positivo: può solo abbassare la soglia o non avere alcun effetto. Solo questo può aiutare. | Hai controllato con un oscilloscopio l'oscillazione.
Russell McMahon,

@ user1410908 - Inoltre, la fornitura USB potrebbe aumentare man mano che la si carica aggiungendo problemi di rimborso. L'uso di un riferimento solido come suggerisco ti dà un livello stabile per il confronto con cui lavorare. | Prova quello che ho detto sistematicamente. Potrebbe funzionare.
Russell McMahon,

Ho analizzato tutti i tuoi commenti, ma non credo che il diodo in serie con R1 farà oscillare OA da un binario all'altro; in effetti ho fatto una simulazione per testarlo. Ecco il risultato con i commenti postimage.org/image/eepazb6i3 . Ho sbagliato?
Chris,

La tensione USB è stabile (4.98); non ho un oscilloscopio per verificare le oscillazioni ma non penso che stia accadendo, oltre alla simulazione mostra esattamente cosa sta succedendo nel circuito reale .. spero di non sembrare irrispettoso, non lo sono, apprezzo il tuo aiuto
Chris

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Una soluzione, sebbene possibilmente non ideale, potrebbe essere quella di utilizzare un comparatore o un amplificatore operazionale configurato come comparatore. Avere l'ingresso negativo come tensione impostata e positivo come PWRBAT +. Quando la tensione della cella attraversa quella soglia, l'uscita del comparatore che era precedentemente flottante verrà tirata a terra. Il collegamento di questa uscita alla giunzione di R2 e R4 dovrebbe spegnere il transistor Q2 e rendere Q1 irrilevante e quindi interrompere la carica.

La tensione impostata può essere generata utilizzando un semplice divisore di resistenza, poiché gli ingressi del comparatore sono ad alta impedenza.

Il comparatore dovrebbe essere in grado di sprofondare tutta la corrente necessaria per la caduta dell'opamp di uscita su 0 tramite il resistore di uscita, il che probabilmente va bene per i comparatori più tipici.

Questo metodo avrà il vantaggio di poter lavorare con il circuito che hai già senza troppe modifiche.


Se inserisco l'ingresso negativo sulla tensione impostata e l'ingresso positivo sulla batteria, quando la batteria è al di sotto della tensione impostata, l'uscita sarà bassa, quindi non si caricherà. Ho usato invece impostare la tensione su positiva e la batteria su negativa, ma quando la batteria si avvicina alla tensione impostata, l'uscita viene rilasciata lentamente in modo che la tensione applicata alla batteria (anche la tensione sull'ingresso negativo) dalla sorgente corrente sia impostata sotto tensione. Quindi la corrente viene rilasciata molto lentamente fino a quando non arriva a 0. Voglio che si arresti improvvisamente quando vengono raggiunti 1,4 V.
Chris,

Penso che sia già quello che fa questo circuito. Il problema è che non appena la tensione scende al di sotto del set point, si riaccende. Naturalmente, una volta che la sorgente di corrente viene spenta, la tensione sulla batteria diminuisce leggermente. Quindi davvero, non si spegne mai; raggiunge un equilibrio in cui la tensione della batteria più l'aumento della corrente di carica è uguale alla tensione di riferimento. L'OP deve definire in quali condizioni è possibile ripristinare la fonte corrente.
Phil Frost,

L'amplificatore operazionale è in una configurazione trigger Schmitt (ecco a cosa serve la resistenza da 100K). Se forzo la tensione applicata alla batteria dalla fonte di corrente al di sopra della tensione impostata, l'uscita AO viene immediatamente tirata a terra e non si riavvierà fino a quando la tensione della batteria non scende sotto ~ 1,35 V. Funziona in un'isteresi.
Chris,

Vedo il problema. Mie scuse. Forse portare il livello di isteresi al di sotto della caduta della tensione quando l'alimentazione viene interrotta?
Chintalagiri Shashank,

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Finalmente l'ho fatto funzionare. Russell, ho provato ad aggiungere quel diodo, ma non ha funzionato. Non capisco perché dici che l'aggiunta di quel diodo farebbe oscillare l'OA da Vcc a GND. Il TL431, tuttavia, è stato un ottimo suggerimento. Dopo aver aggiunto quel relè (che consuma 150 mA), avevo bisogno di un riferimento di tensione più affidabile di un divisore di tensione di alimentazione. Saluti per quello! Ad ogni modo, ho trovato nel negozio di elettronica locale un relè 12V sigillato molto piccolo, che dovevo aprirlo e regolare la bobina per farlo funzionare a 5V. Era un inferno ... Ho finito per riavvolgere manualmente la bobina del foro. Ma ne è valsa la pena, ora fa esattamente quello che volevo che facesse:

   - initial battery level is somewhere bellow 1.3V
   - USB is plugged in
   - battery is charged at ~150mA until the voltage applied by the current source is 1.49V
   - 1.49V is reached, the relay goes off, and the battery voltage drops to ~1.44V
   - charger won't start again until cell goes bellow 1.38V

Ecco gli schemi finali: inserisci qui la descrizione dell'immagine

Grazie a tutti per l'aiuto!

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