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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Indicatori del livello di scarica della batteria. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Caricabatterie, batterie, celle galvaniche Il monitoraggio delle condizioni delle batterie è una preoccupazione sia per i proprietari di automobili che per i radioamatori che le utilizzano in apparecchiature portatili o come parte di alimentatori di riserva. Il mancato rispetto delle regole per l'utilizzo delle batterie (sovraccarico, scaricamento completo) riduce la durata e peggiora le prestazioni di questi prodotti. La letteratura radioamatoriale descrive parecchi dispositivi progettati per monitorare la tensione della batteria. Per le batterie di piccola capacità, il requisito principale è il basso consumo di corrente. Questo requisito è soddisfatto, ad esempio, da un dispositivo di allarme a soglia singola [1], che consuma solo 2 µA in modalità standby. Per le batterie per auto, “golose”, ma con capacità più ampie, sono abbastanza adatti indicatori a due soglie, ad esempio quelli proposti in [2, 3]. La segnalazione dello stato della batteria al loro interno avviene in diversi modi: nel primo dispositivo, quando la tensione scende sotto la soglia, un unico LED si accende e si illumina costantemente; nella seconda, un'unica lampada a incandescenza rimane accesa ininterrottamente quando la tensione supera il limite superiore (o inferiore); nel terzo vengono utilizzati due LED e lo stato della batteria è determinato dalla luminosità del loro bagliore (metà o normale). Non c'è dubbio che tali opzioni di allarme non siano del tutto convenienti: un indicatore costantemente acceso attira poca attenzione (soprattutto perché sul cruscotto dell'auto ci sono indicatori luminosi più che sufficienti) ed è anche molto difficile distinguere il grado di luminosità dei LED, soprattutto alla luce del giorno. La differenza fondamentale tra i progetti presentati in questo articolo è che le modalità non standard sono indicate da indicatori lampeggianti, che hanno molte più probabilità di attirare l'attenzione. Ciò è particolarmente importante se non sono costantemente davanti ai tuoi occhi (come il cruscotto di un'auto), ma si trovano in un alimentatore di riserva, che viene monitorato visivamente molto meno spesso - problemi con la tensione della batteria in uscita i range “normali” sono piuttosto rari. Tuttavia, è necessario essere sicuri che la batteria sia carica o in fase di ricarica e conoscere anche il grado di scarica. La Figura 1 mostra un diagramma schematico di un indicatore per il monitoraggio della tensione entro 7-9 V di una batteria di tipo 7D-0,115, spesso utilizzata nelle apparecchiature portatili. La base è il circuito pubblicato in [1], dove la sorgente di tensione di riferimento e il dispositivo di soglia sono realizzati su un chip logico universale K176LP1, e lo svantaggio notato dagli autori di questa pubblicazione è una notevole dipendenza della soglia dalla temperatura ambiente (diminuisce di 0,25 V con un aumento della temperatura di 10 °C) può essere considerato un prezzo del tutto accettabile per un basso consumo energetico. Questo sensore, oltre a modificare i parametri di diversi resistori, è integrato con un generatore di impulsi basato sugli inverter CMOS K176LA7.
La tensione della batteria controllata dal divisore attraverso i resistori R1-R3 viene fornita all'ingresso del comparatore (pin 3 di DD1). Se la tensione su di esso è superiore alla soglia impostata dal resistore R2, la sua uscita (pin 12) è log “0”, che mantiene il generatore di impulsi in uno stato inibito. In questo caso, il pin 3 di DD1 è log "1" e l'inverter DD2.3 garantisce che il LED sia spento. In questo stato, il consumo energetico non supera diversi microampere, il che consente di collegare l'indicatore alla batteria, bypassando l'interruttore di alimentazione, e monitorarne costantemente le condizioni. Se la tensione è inferiore alla soglia, all'uscita del comparatore appare il log 1, che avvia il generatore sugli elementi DD2.1-DD2.2. Il LED VD1, che è il carico dell'inverter DD2.3, inizia a lampeggiare con una frequenza di circa 1 Hz, e il dispositivo consuma anche se meno che nel prototipo [1], ma comunque una corrente significativa (unità di milliampere). È possibile collegare il LED VD1 direttamente all'uscita dell'inverter senza resistore di zavorra, poiché l'elemento logico funge da sorgente di corrente: la corrente di uscita è limitata dai valori delle correnti iniziali delle strutture CMOS ed è coerente con il funzionamento gamma attuale della maggior parte dei LED [4]. La figura 2 mostra il circuito stampato del dispositivo (vista dal lato dei conduttori).
È possibile comporre i resistori R1 e R4 da più resistori collegati in serie di resistenza inferiore. Gli ingressi non utilizzati dell'elemento aggiuntivo 2I-NOT del chip DD2 sono messi a terra. Il secondo modello è progettato per funzionare come parte di una fonte di alimentazione di emergenza con una batteria fissa FIAMM-GS da 12 V sigillata con una capacità di 7,2 Ah. A differenza delle batterie per auto, in tale fonte di alimentazione la batteria viene costantemente ricaricata dal caricabatterie di rete, attraverso un limitatore di corrente e tensione. Con una progettazione adeguata, il sovraccarico viene praticamente eliminato e l'indicazione dell'aumento della tensione non è chiaramente necessaria. Ma è estremamente necessario controllare il grado di scarica della batteria dopo la perdita della tensione di rete e commutare i consumatori su una fonte di backup per evitare una scarica profonda e spegnere questo carico in modo tempestivo. È inoltre auspicabile che l'indicatore di scarica mostri diversi livelli, vicini alla carica nominale (quando si ricarica la batteria dalla rete), nonché uno scarico, ad esempio, al livello del 50 e 75%. Un diagramma schematico di un indicatore che soddisfa tali requisiti è mostrato in Fig. 3. Dispone già di un comparatore a due soglie (basato sul circuito per il collegamento di due amplificatori operazionali [2]), che, in combinazione con un generatore di impulsi e due indicatori LED, è in grado di mostrare 3 gradi di scarica della batteria, due dei quali, per una maggiore visibilità, lampeggiare quando i contenitori sono mezzi scarichi.
Le soglie di risposta dei comparatori sono impostate dai resistori del partitore di tensione R1 (regolazione), R2-R4. I valori indicati nel circuito corrispondono a due soglie: U1 = 12,1 V (DA1.1) e U2 = 12,8 V (DA1.2) con una tensione di riferimento Uop = 3,3 V, ottenuta dal diodo zener KS133A del caricatore. Per altre applicazioni è necessario prevedere un posto sul circuito stampato insieme ad una resistenza da 1-1,2 kOhm. Uno dei comparatori (OA DA1.2) controlla il generatore di impulsi e il secondo (OA DA1.1) controlla il colore del LED acceso. La tabella 1 aiuterà a illustrare la logica dell’indicatore. Tabella 1
Nota: M - meandro con duty cycle di 2 e periodo ≥1 s. Se la tensione della batteria supera U2, l'uscita del comparatore DA1.2 (punto di controllo D) sarà log "0", che contiene il generatore di impulsi, assemblato sugli elementi DD1.2, DD1.3, R5, C2, simile a il circuito precedente, in modalità standby. Nel punto di controllo G, dove sono collegati i catodi di entrambi i LED, c'è un registro "0". Il colore del LED attualmente acceso è determinato dalla tensione all'uscita del comparatore DA1.1 (punto di controllo C) - nel log "0" il verde VD4 si spegnerà, ma l'inverter DD1.1 (controllo punto E) si accenderà il VD3 rosso. Quando Ucc è inferiore alla soglia U1, sull'uscita DA1.2 al punto D appare un log "1" che avvia il generatore di impulsi, e al punto G appare un'onda quadra: a "0" i LED sono accesi, a "1" sono spenti. I diodi VD1 e VD2 bloccano la comparsa della tensione di polarità inversa sui LED. Nonostante il fatto che i LED possano essere collegati direttamente alle uscite degli elementi logici DD1, come nel progetto precedente, in questo dispositivo è ancora installata una resistenza di zavorra R6. Questo perché qui la tensione di alimentazione dell'indicatore è più alta e il LED verde è costantemente acceso in modalità standby. Per non surriscaldare inutilmente il case e non superare il limite di potenza raccomandato in [4] per il chip DD1, la corrente è limitata a 10 mA: la luminosità del LED bicolore importato è abbastanza sufficiente per la sua inclusione evidente anche alla luce del giorno. Pertanto, un indicatore verde costantemente acceso indica lo stato normale e la carica sufficiente della batteria; il verde lampeggiante indica che la capacità sta per esaurirsi; rosso lampeggiante indica la necessità di spegnere i dispositivi ridondanti dopo poco tempo. Il consumo di corrente dell'indicatore è di circa 25-30 mA, il che è abbastanza accettabile per una batteria fissa di tale capacità. La Figura 4 mostra il PCB dal lato del conduttore.
In entrambi i dispositivi è possibile utilizzare le seguenti parti: resistori: qualsiasi dimensione adatta; condensatori: C1 - condensatori elettrolitici di piccole dimensioni per una tensione di almeno 16 V (la loro capacità non è critica), C2 - ceramica importata di piccole dimensioni; LED come AL307 o qualsiasi altro che la persona che ripete il disegno ritenga adatto per colore e dimensioni. Nel primo indicatore, il chip DD2 può essere sostituito con un K561LA7, ma DD1 non ha analoghi in altre serie. Nel secondo indicatore, DA1 può essere sostituito (con correzione del circuito stampato) con qualsiasi coppia di amplificatori operazionali singoli o doppi con una tensione di alimentazione di 15 V e diodi VD1, VD2 - con KD521, KD522 con qualsiasi indice o un analogo importato di 1N4148. La configurazione di entrambi i dispositivi si riduce alla selezione dei resistori nei divisori e alla regolazione delle soglie utilizzando i resistori di regolazione. Le strutture descritte funzionano senza problemi da più di 2 anni. letteratura:
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