Опубликовано: 22/05/22
Схема контроля заряда АКБ/Конденсаторов.
Опубликовано: 22/05/22
Как только напряжение заряда аккумулятора или конденсатора достигнет заданного значения источник питания отключается и формируется сигнал прямоугольной формы для подключения нагрузки. После того как конденсатор или аккумулятор будет разряжен до установленного значения циклически подключается источник питания. Значение заряда до которого будут заряжены устройства должны быть выше границы разряда конденсатора или аккумулятора.
Cхема контроля заряда аккумулятора или конденсатора Вы можете изготовить самостоятельно, следуя инструкциям по сборке, или купить. Эмуляция работы схемы в ltspice и файлы проекта Altium последней версии доступны для загрузки по представленным ссылкам. Так же доступны гербер файлы для размещения заказа.
Минимальная схема контроля заряда аккумулятора и конденсатора.
Напряжение источника питания поступает на вход делителя - это резисторы R5 и VR2. Переменным резистором VR2 выполняется настройка выходного напряжения делителя. Далее сигнал поступает на вход повторителя на операционном усилителе OPA607QDBVRQ1. Ряд моделей усилителей перестают работать при превышении входным сигналом некоторого порогового уровня, поэтому следует контролировать наличие сигнала на выходе операционного усилителя, изменяя уровень сигнала на его входе от минимума к максимуму.
Компаратор TLV3502AID представляет детектор окна верхней и нижней границ срабатывания. Компаратор выдает высокий уровень сигнала, если напряжение на входе выходит из допустимого диапазона напряжений – между верхней и нижней границами. Порог рабатывания компаратора, нижняя и верхняя граница напряжения устанавливается переменными резисторами VR1 и VR3.
Высокая скорость срабатывания компаратора TLV3502AID 4.5 ns создаёт проблему дребезга - последовательность колебаний высокой частоты на выходе компартатора в момент перехода уровня сигннала через напряжение срабатывания. Для гистерезиса использован D-триггер, который формирует положительный уровень по переднему фронту любого из импульсов на входе CLK. Нижняя граница напряжения - задний фронт, формирует сигнал сброса D-триггера.
В зависимости от входного напряжения выход компаратора может находиться в высоком либо низком уровне. Очевидно, что выход D-триггера должен соответствовать уровню на выходе компаратора, но при наличии помех это не всегда справдливо. Данную проблему решают генераторы импульсов на логических элементах. Высокий уровень D-триггера обеспечивает генератор на элементах U2/U3, контроль запуска генератора и его отключение при смене уровня - элемент U1. Низкий уровень D-триггера обеспечивает запуск генератора U5/U6, контроль запуска генератора сброса и его отключение после смены уровня D-триггера выполняет элемент U7.
Чтобы предотвратить сквозные токи при работе силовых транзисторов ответсвенных за заряд и разряд конденсатора на нагрузку в схеме реализована возможность задержки переднего фронта включения соответствующего транзистора U12/U11 и U14/U13. Длительность задержки определяет емкость конденсатора С17 и С20. 10nf даёт возможность задержки от десятков наносекунд до одной микросекунды. Регулируют время задержки переменные резисторы VR4 и VR5.
Выход логических элементов не всегда достаточен для управления силовыми устройствами, например включение электромагнитных реле. Поэтому в схему добавлена возможность подачи сигнала с выхода логических элементов на затвор MOSFET транзисторов и подключения внешнего источника питания, отличного от пять вольт.
Предыдущая версия файла проекта в DipTrace доступны для загрузки по представленной ссылке.
Может сложиться впечатление что схема избыточна и достаточно обойтись одним компаратором. Это не так. Для быстрых компараторов на переднем плане проблема ложных срабатываний. Для зашумленных сигналов в ряд моделей компараторов добавляется вывод Latch - "защёлка" и встроенный гистерезис подавления шумов. В предложенной схеме функции Latch реализованы на логических элементах.
Настройка схемы заключается в настройке делителя входного напряжения и напряжений смещения срабатывания компаратора.
Необходимо определиться с максимумом входного напряжения. Допустим это регулируемый источник питания, его максимум напряжения составляет 40 вольт. Устанавливаем напряжение в ноуль и медленно увеличивая напряжение на источнике питания контролируем его на делителе R4/R7. Данное напряжение не должно превышать пять вольт - верхняя граница возможностей работы компаратора. Итог подстройки напряжения резистором R7 - напряжению в пять вольт на делителе входного напряжения должно соответствовать максимальное напряжение в 40 вольт источника питания.
На делителе компаратора R9/R5 должно быть выставлено всегда большее напряжение чем на делителе R3/R1, иначе схема будет не работоспособна.
Нижняя граница срабатывания в 19 вольт для демонстрационной схемы на делителе R3/R1 подбирается переменным резистором R2 и составляет 2.154V. Верхняя граница срабатывания компаратора устанавливается подбором переменного резистора R6. На делителе R9/R5 напряжению срабатывания в 24 вольта соответствует напряжение 2.798V.
Точно настраивать границы срабатывания компаратора можно подключив регулируемый источник питания на вход схемы. Изменением положения регулятора резистора R6 и изменением напряжения на входе от ноуля к максимуму, настройте верхний порог срабатывания компаратора. Осциллографом или вольтметром контролируйте состояние одного из выходов схемы LOAD/CHRG. Затем настраивается нижняя граница срабатывания компаратора. На источнике питания выставляется напряжение большее верхней границы, затем напряжение источника питания уменьшается. Нижняя граница срабатывания задаётся переменным резистором R2.
На делителе компаратора R3/R1 должно быть выставлено всегда меньшее значение напряжения чем на делителе R9/R5. На первом этапе установите значение напряжения делителя R3/R1 в один вольт, на делителе R9/R5 в два с половиной вольта, максимум входного сигнала на выходе делителя R4/R8 не должен превышать пять вольт.
Состояние в котором в данное время находится схема управления: заряд или разряд ёмкости, определятся значением на выводах D-Триггера. В качестве схем установки или сброса состояния триггера выступают генераторы сигналов. U6/U5/R12/C9 – генератор установки значения триггера в единицу. U7/U8/R13/C12 – генератор сброса значения триггера.
Сделано это для контроля состояния схемы после её включения. Состояние триггера в этот момент времени не определено и без генераторов сигналов сброса и установки значений триггера, которые запускаются текущим значением с выводов компаратора, возможны ситуации что схема продолжит зарядку до бесконечности либо заряд не начнётся вообще.
Возможность включения генераторов сброса и установки триггера определяется значениями элементов U3 и U4 которые устанавливается обратной связью текущего значением вывода D-триггера. Как только триггер изменит своё значение, соответствующий генератор будет выключен. На низкочастотных осциллографах сигналы сброса и установки триггера длительностью в десятки наносекунд можно не увидеть.
По достижению максимума выключается заряд конденсатора и подключается нагрузка. Если это транзисторы, то между моментом выключения одного транзистора и включением другого, во избежание сквозных токов должна быть задержка - deadtime. Для этих целей в схему введены элементы задержки переднего фронта сигнала, то есть момента включения любого из транзисторов.
Задержка переднего фронта сигнала достигается установкой элементов D1/R10/C10/U10 и D2/R11/C17/U13 В таблице показаны значения задержки при ёмкости конденсаторов 2.2nf Схему предполагается использовать с мощными и соответсвенно медленными транзисторными сборками, поэтому выбранная задержка в районе 1us пока представляется разумной.
Если в подобной задержке необходимости нет, то элементы задержки впаивать не следует, а воспользоваться установкой джамперов DT/OFF
Если нагрузка низкоомная и используемые транзисторы не выдерживают больших токов, то можно воспользоваться подключением внешнего генератора работающего на необходимой частоте и скважности сигнала. В случае подключения внешнего генератора джамперы GEN/OFF следует оставить незамкнутыми, внешние генераторы заряда и разряда подключается к разъемам L/GEN – нагрузка и C/GEN - разряд.
Мищук Андрей.
energy4all@inbox.ru Буду признателен за поддержку!