Încărcător pentru baterii Lithium-Ion

20 MARTIE 2003

Introducere

Multe aplicaţii realizate azi trebuie să îndeplinească condiţia de “sistem portabil”. Sistemele portabile înseamnă echipamente fără fir, iar acestea înseamnă … baterii. Deoarece înlocuirea bateriilor nu e o soluţie prea economică, foarte mulţi proiectanţi încorporează circuite de încărcare a bateriilor astfel încât când sistemul nu este activ, bateria din echipamentul portabil poate fi încărcată. Exemple de astfel de echipamente sunt o mulţime: telefoane fără fir, PDA-uri, echipamente medicale, echipamente de măsură şi control, etc.
În acest articol se va prezenta dispozitivul de încărcat baterii produs de Future Electronics. Proiectarea lui este destul de simplă, circuitul putând încărca baterii ce au caracteristici diferite, iar pe de altă parte, îi va ajuta pe ingineri să înţeleagă foarte bine felul cum se proiectează un circuit de încărcare a bateriilor. Pentru realizarea acestui circuit, Future Electronics a ales soluţia utilizării microcontrolerelor. Deoarece memoria Flash EEPROM a microcontrolerelor poate fi programată (sau reprogramată in-circuit) uşor, proiectantul poate găsi multă flexibilitate în proiectarea dispozitivului. Programul poate fi modificat în funcţie de tipul şi caracteristicile bateriilor ce urmează să fie reîncărcate.

Programul utilizat ocupă mai puţin de 4KB, astfel că efortul de programare nu este uriaş şi poate fi realizat chiar şi de inginerii începători. Bateriile Lithium-Ion sunt foarte mult folosite în aplicaţiile de reîncărcare deoarece ele au o densitate de energie foarte mare – aceasta înseamnă că pot înmagazina foarte multă energie pentru gabaritul lor. Altă caracteristică importantă a bateriilor este aceea că, tipic, reţin energia un timp mult mai mare decât alte tipuri, sunt foarte stabile şi prezintă o foarte bună siguranţă în funcţionare.

Privire asupra circuitului de încărcare

Figura 1 – Schema bloc a circuitului de încărcare a bateriilor

Diagrama bloc a circuitului este prezentată în figura 1. Aceasta ilustrează prezenţa microcontrolerului MC68HC908QT4 (N.R. placa de test a acestui celebru microcontroler a fost prezentată în numărul trecut al revistei şi poate fi cumpărată de la redacţie). Acesta conţine un timer PWM (Pulse With Modulator – care furnizează timpii de comutare ai circuitului de încărcare [charge circuit]). De asemenea, conţine un convertor A/D ce primeşte semnale de la circuitul detector de încărcare. Circuitul A/D converteşte aceste semnale în semnale digitale ce vor fi “citite” apoi prin program pentru determinarea stării operaţiei de încărcare. Una din intrările digitale I/O este utilizată să determine mărimea bateriei care poate fi “standard” sau “slim type”, iar alt pin I/O va indica printr-un LED funcţionarea circuitului.
Schema electronică este foarte simplă; eleganţa soluţiei vine din partea software care analizează temperatura, nivelul de încărcare al bateriei şi conectarea / deconectarea bateriei.
Programul poate fi uşor modificat atât pentru încărcarea diferitelor tipuri de baterii cât şi să ţină cont de condiţiile de mediu în care are loc operaţia de încărcare.
Un algoritm simplificat privind soluţia software este prezentată în figura 2. Acesta poate fi codat folosind atât limbajul de asamblare pentru MC68HC908QT4 cât şi limbajul C compilat apoi de procesor. Mediul integrat de dezvoltare IDE care include compilatorul pentru MC68HC908QT4 poate fi obţinut gratis de la Metrowerks (adresa web este dată la sfârşirul articolului).
Alternativ, codul sursă poate fi obţinut de la departamentul de soluţii tehnice (Technical Solutions Manager) al companiei Future Electronics a cărei adresă web este de asemenea dată la sfârşitul articolului.

Figura 2 – Algoritmul software de încărcare a bateriilor

Detalii de proiectare
Schema electronică a încărcătorului de baterii este prezentată în figura 3.

Figura 3 – Schema electronică

Există trei părţi principale ale circuitului.
În partea dreaptă sus, se află sursa de alimentare realizată cu regulatorul de tensiune 78L05. Sursa este alimentată cu 12V (la intrare) şi produce 5V la ieşire. Tot acolo se află circuitul de încărcare. Acesta este format din 2 tranzistoare (Q1 – pnp şi Q2 – npn) folosite să controleze curentul de încărcare al bateriei în două moduri de operare: “Mod curent constant” şi “Mod tensiune constantă”.

Modul curent constant este folosit pentru încărcarea bateriei când tensiunea bateriei este mai mică de 3.9V. Când bateria are un nivel de tensiune mai mare de această limită, încărcătorul comută pe modul tensiune constantă până ce bateria este complet încărcată.
Acest tip de comutare între moduri protejează bateria în procesul de încărcare. Diferitele moduri de încărcare sunt realizate prin simpla modificare a modulaţiei ieşirii de ceas PWM care se realizează software foarte simplu.
Partea de jos a schemei electronice ilustrează circuitul microcontrolerului. Toţi pinii lui sunt utilizaţi. Nu este nevoie de un cristal de cuarţ extern deoarece acest microcontroler include un oscilator extern pentru generarea semnalului de ceas. Pinul 1 este conectat la sursa de alimentare de 5V. Pinii 2 şi 3 sunt intrările convertorului A/D.
Aceştia măsoară căderea de tensiune de-alungul reţelei rezistive şi respectiv, tensiunea bateriei.

Pinul 4 este un pin I/O folosit pentru comanda LED-urilor indicatoare: LED-ul roşu stins şi LED-ul verde aprins: ÎNCĂRCARE COMPLETĂ; LED-ul roşu aprins şi LED-ul verde stins: BATERIA SE AFLĂ ÎN PROCESUL DE ÎNCĂRCARE; amândouă LED-urile aprinse: BATERIA NU ESTE CONECTATĂ; amândouă LED-urile clipesc alternativ: EROARE LA ÎNCĂRCARE). Pinul 5 este conectat la intrarea de baterie SIZE pentru determinarea tipului bateriei LI-ON (“standard” sau “slim”). Pinul 6 este o altă intrare a convertorului A/D care măsoară temperatura bateriei. Pinul 7 este ieşirea de semnal PWM care, prin comanda tranzistorului Q2, realizează procesul de încărcare. Circuitul de încărcare este alimentat la tensiunea de 12V, în timp ce partea cu microcontrolerul este alimentată la 5V de la regulator. Pinul 8 este conectat la masă.

Software-ul microcontrolerului gestionează conversia analog / digitală şi verifică starea bateriei. De asemenea, comandă ieşirea de semnal PWM în procesul de încărcare şi transmite prin LED-urile indicatoare starea bateriei şi a procesului de încărcare.

Familia microcontrolerului M68HC908Q
Una dintre cele mai importante caracteristici tehnice ale microcontrolerului MC68HC908QT4 este unitatea centrală CPU08. Aceasta este compatibilă – cod obiect -cu standardul industrial HC05. Unitatea CPU08 a fost dezvoltată în strânsă cooperare cu dezvoltatorii de software pentru a se asigura că va suporta eficient limbajele de nivel înalt. Caracteristici precum indicator de stivă de 16 biţi şi modul de adresare relativă a stivei sunt induse din motivele enumerate mai sus.
Pe lângă celelalte caracteristici hardware integrate – timer şi convertor analog / digital, MC68HC908QT4 conţine memorie Flash. Aceasta poate fi programată rapid in-circuit şi reprogramată de nenumărate ori. Mulţi utilizatori de microcontrolere îşi up-date-ază software-ul în timpul procesului de producţie datorită acestei caracteristici. În plus, aceasta se poate face de la distanţă reducând astfel costurile de producţie, de rework şi de instalare a soclurilor.

Concluzii

Figura 4 – Lista de materiale

Această schemă de încărcător de baterii este foarte generală. E destul de flexibilă pentru a putea fi introdusă în diferite scheme de proiectare cu mici modificări harware şi software. Este o practică normală să defineşti componente pentru aplicaţii specifice sau, în cazul nostru concret să gestionezi scheme de aplicaţii de putere.
Scopul acestui articol este să ilustreze uşurinţa cu care un microcontroler poate fi încorporat într-o schemă hardware precum un încărcător de baterii şi de asemenea, să prezinte felul cum proiectarea poate fi mai flexibilă prin introducerea unui microcontroler.

de Ross Bannatyne, Motorola
www.Motorola.com
www.metrowerks.com
www.FutureElectronics.com
rbannatyne@austin.rr.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre