CARICABATTERIE AUTOMATICO

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Questo progetto nasce essenzialmente per “svecchiare” un kit di Nuova Elettronica, questo è lo schema originario

Il problema nasce per due fattori, il relè che alla lunga si rovina e l’integrato divenuto ormai obsoleto e praticamente introvabile a prezzi ragionevoli.

Presupposti essenziali di questo kit erano la assenza di assorbimento dalla rete in stand by e la completa automazione nel ciclo di ricarica, in pratica decide in modo autonomo se la batteria ha necessità di essere ricaricata o no.

In caso fosse necessaria la ricarica il relè si attiva e alimenta il trasformatore che alimenta il generatore di corrente costante per la ricarica della batteria, una volta raggiunto il livello di carica corretto, il circuito si ferma, stacca nuovamente il relè e rimane in attesa. Esso ripeterà il ciclo non appena rileverà che la batteria ai suoi morsetti sia scarica.

La mia idea

Fermo restando lo spirito di tale circuito ho intenzione di eliminare il relè sia per il controllo della alimentazione del trasformatore sia anche per gestire la carica. Ho voluto aggiungere un piccolo miglioramento, nel Kit non è presente una indicazione dello stato della batteria ai suoi capi, esiste solo la indicazione dello stato si ricarica. Nella pratica, se i contatti della batteria non sono correttamente posizionati, il circuito non parte non rilevando la presenza di una batteria. Tale situazione può dare una erronea informazione che la batteria sia sufficientemente carica da non necessitare la ricarica, la accensione del LED verde READY indica che la batteria è correttamente collegata al circuito e non necessita di ricarica.

Ho voluto comunque mantenere la possibilità di diminuire la corrente di carica semplicemente aprendo o chiudendo un contatto come nel circuito originario.

Descrizione del circuito

Lo schema completo usato è questo

Anche se a prima vista può sembrare più complesso del circuito originario utilizza componenti a basso costo e facilmente reperibili. La sezione a tensione di rete occupa una porzione di stampato distinta e distante dal resto del circuito.

In esso sono rilevabili:

un comparatore con isteresi ed uno senza isteresi,

un circuito di ritardo nel comando,

un generatore di corrente costante con corrente selezionabile

un relè a stato solido per la sezione 230V

uno zener programmabile per creare una tensione di riferimento precisa

la indicazione dello stato del circuito con due led

Il tutto in un circuito con così pochi componenti che sta in una basetta 6cm x 6cm mono faccia con un solo ponticello.

La alimentazione al circuito è presa dai terminali della batteria, anche completamente scarica riuscirà a alimentare il circuito e far partire la carica, in tal modo in assenza di batteria (battery) da caricare il circuito non sarà più alimentato e non assorbirà corrente dalla rete.

La tensione della batteria alimenta il doppio operazionale U1 (LM358) e lo zener programmabile U2 (TL431).

U2 è utilizzato per creare una tensione stabile al valore desiderato, in questo circuito le resistenze R22, R9 fissano il valore di tensione mentre R10 limita la corrente dello stabilizzatore, la formula per sapere il valore di R22 in funzione della tensione è questa R22= (R9/2,5)*(Vout-2.5V) = 880*(9-2,5) = 5720, naturalmente questo valore non è standaed e va ricavato per mezzo del trimmer R22. Per facilitare la taratura è previsto un test point (TP) dove collegare un multimetro per tarare la giusta tensione richiesta.

Alla massima tensione di carica della batteria l’assorbimento sarà 8mA circa,

tale tensione sarà presente anche con batteria completamente scarica, qualora non riuscisse ad arrivare a tale tensione avremmo come riferimento per le fasi iniziali di ricarica, la tensione della batteria. Mano a mano che si carica e la tensione cresce, il riferimento si assesterà stabilmente sul valore impostato. Il valore è scelto per semplificarsi la vita nel comparatore con isteresi.

Le resistenze R14 ed R15 sono rispettivamente Rx ed Ry delle formule seguenti mentre la serie R13 più R19 costituisce Rh

Le resistenze R11 ed R12//R1 formano un partitore per il rilevamento della tensione della batterie, il rapporto di partizione è 3

I valori massimi e minimi di intervento del caricabatterie sono fissati a 12,5V come tensione minima sotto al quale far partire il caricabatterie e 14,5V tensione di massima carica necessaria per terminare la ricarica.

Il partitore porterà queste tensioni a

VL = 12,5V*(R12/(R11+R12//R1)) = 4,16V equivalente a 12,5V/3 = 4,16V

VH = 14,5V*(R12/(R11+R12//R1)) = 4,83V equivalente a 14,5V/3 = 4,83V

ora va considerata questa formula

Ry/Rx = VL/(VR-VH)

affinché le due resistenze risultino uguali la tensione di riferimento deve essere

VR = VH+VL = 4,16V+ 4,83V = 9V semplicemente (12,5+14,5)/3=9 ed ecco trovata la tensione di riferimento.

Tornando alla formula

Ry/Rx = VL/(VR-VH) = 4,16V/(9V-4,83V) = 4,16V/4,16V = 1

In tal modo ora possiamo con tale tensione di riferimento usare resistori uguali.

Ora va calcolata Rh, sapendo che

Rh/Rx = VL/(VH-VL) = 4,16V/(4,83V-4,16V) = 4,83V/ 0,67V = 7,2

non resta che dare i valori ad RX per ricavare tutti gli altri, fisso tale valore a 10K ed ottengo allora R14=R15=10k

Rh = Rx * 7,2 = 10K * 7,2 = 72K

ottengo tale valore sommando R13 ed R19 tarato per ottenere il valore corretto.

La seconda metà dell’operazionale configurato come comparatore invertente, è usata anche per dare un lieve ritardo nella commutazione.

Sappiamo che la uscita di U1.1 si posiziona stabilmente o a livello logico zero ( prossimo a 0V) o a livello logico 1 (prossimo alla alimentazione) senza livelli intermedi.

La resistenza R8 insieme a la condensatore C5 costituiscono la linea di ritardo nelle commutazioni, in condizioni stabili C5 sarà allo stesso potenziale dell’uscita dell’operazionale, ammettiamo per ipotesi a 0,1V che è il livello tipico dell’uscita del LM358 alimentato a tensione singola. U1.2 avrà il suo ingresso non invertente a tale tensione mentre quello non invertente ad una tensione che è almeno di 4V proveniente dal partitore di ingresso dipendente dal livello di carica della batteria, la sua uscita verrà forzata a zero.

Al cambio di stato dell’uscita di U1.1 il condensatore C5 comincerà a caricarsi attraverso R8, dopo un certo tempo la tensione ai suoi capi avrà superato la tensione proveniente dal partitore di ingresso ed a quel punto l’uscita dell’operazionale U1.2 passerà a livello logico uno.

Tale uscita ha tre funzioni, la prima è indicare lo stato della batteria e la seconda alimentare il trasformatore di rete che fornirà la corrente necessaria alla ricarica.

La sua uscita sarà alta quando la batteria sarà carica, e in tali condizioni alimenterà il led verde READY.

Quando la sua uscita sarà a zero alimenterà sia il led CARGE che VO1, questo è un fototriac che commuta per lo zero, attivandosi trasferirà la tensione di rete al primario del trasformatore che con la sua uscita alimenterà il circuito di ricarica. VO1 commutando solamente al passaggio per lo zero non introduce disturbi ma, per sicurezza visto il carico induttivo dato dal primario del trasformatore è stato previsto un circuito di snubber costituito da R5 e C1.

L’ultima funzione dell’uscita dell’operazionale è l’attivazione del circuito di ricarica vero e proprio.

Quando l’uscita è a uno il mosfet Q1 a canale P è isolato tramite D4 e non si ha trasferimento di energia dal trasformatore alla batteria, il caricabatterie non carica.

Quando invece l’uscita va a zero il mosfet trasferisce la tensione proveniente dal secondario del trasformatore, raddrizzata da D3 e livellata da C2 attraverso R4 e al mosfet alla batteria.

R4 insieme a R6 e il transistor Q2 vengono usati per limitare la corrente di carica. Quando la tensione ai capi di R4 supera la tensione di conduzione Vbe di Q2 questo inizia a condurre riportando la tensione di uscita al gate di Q1 tramite il diodo D1.

La caduta di tensione in R4 arriverà a 0,7V con una corrente di circa1,5A, superata questa corrente il circuito si autoregola diventando un generatore di corrente costante. Questa soglia però è troppo bassa in caso si debba caricare una batteria automobilistica, a questo punto cortocircuitando J3 con un normale interruttore a bassa corrente si innalza la corrente di intervento.

Ad interruttore chiuso R6 ed R7 formano un partitore della tensione rilevata in R4, senza utilizzare formule specifiche ricavo ora la nuova corrente. Col partitore l’intervento del transistor si avrà quando in R7 si avranno 0,7V la corrente sarà allora

I = 0,7V/R7 = 0,7/270 = 2,59mA,

questa stessa corrente attraverserà R6 provocando una caduta di tensione VR6 = R6*I = 330*2,59mA = 0,85V,

sommando le due tensioni avremo la tensione totale che cade in R4 perciò VR4 = 0,7V+VR6 = 0,7V+0,85V = 1,55V,

la nuova corrente di intervento ora sarà

I = VR4/R4 = 1,55V/0,47 = 3,3A.

Per la replicabilità allego le immagini dello stampato con le misure e della disposizione dei componenti con le quote della basetta. Chiaramente nello stampato in basso a sinistra si nota la sezione a tensione di rete adeguatamente distanziata dal resto dei componenti.

La disposizione dei componenti è ordinata, un lato dedicato ai collegamenti, sul lato opposto troviamo i trimmer di taratura ed il Test-Point, lato è stato dedicato alla aletta di raffreddamento. Per il fissaggio sono previste tre viti, due delle quali utilizzabili anche rendere solidale la aletta di raffreddamento con lo stampato.

Il transistor Q1 e il ponte sono gli unici elementi che potenzialmente scaldano ed appunto per tale motivo sono posizionati sul bordo per essere fissati ad una piccola aletta di raffreddamento, il triac non ne ha bisogno in quanto la potenza gestita è tale da non generare eccessivo surriscaldamento.

Saluti Amilcare

VOTO
6 commenti
  1. Avatar
    Ivo dice:

    Visto DipTrace, bel prodotto ma mi sembra molto complesso. Io utilizzo Eagle o Multisim ma tra tutti non saprei quale preferire. Se non si utilizzano frequente ci si dimentica tutto…

    Approvazioni
    • Amilcare
      Amilcare dice:

      Dip trace https://diptrace.com/it/
      Non ha grosse limitazioni la versione gratuita.
      In caso di stampati complessi o ricchi di componenti è possibile raggiungerli ma in quel caso divido lo stampato in due basette distinte.
      L’uso è intuitivo e si può salvare nei formati più usuali anche per ordinare il pcb a servizi di realizzazione specializzati.

      Approvazioni
  2. Amilcare
    Amilcare dice:

    Non chiaramente specificato nell’articolo è la facilità nell’impostazione i limiti minimi e massimi tarando i due trimmer R1 (R22) ed R19.
    Il primo fissa il punto medio tra i due limiti mentre il secondo la distanza tra tali limiti. In tal modo qualunque valore può essere scelto entro i limiti di regolazione dei componenti usati

    Approvazioni

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