¿Cómo cortar la energía cuando se alcanza un cierto voltaje de un sensor?

Construí un cargador Ni-Cd simple (básicamente una fuente de corriente de 0.1C) para algunas celdas de 1300 mAh, que quiero detener cuando se alcanza un cierto voltaje en la celda. Traté de diseñar el interruptor con un amplificador operacional, pero todo lo que hace es limitar el voltaje que la fuente de corriente está aplicando en la celda, al voltaje que se suponía que activaría el corte. Sé que podría usar un relé, que sería impulsado por el amplificador operacional, pero realmente preferiría no usarlos.

Entonces, ¿cómo se puede cortar la energía cuando se alcanza un cierto voltaje?

Aquí les dejo un esquema de lo que hice, para que se den una idea.

esquemático

Quiere cortar la energía....hasta cuando?
Quiero cortar la energía CUANDO la batería alcance 1.4V.
bien, córtalo, pero ¿cuándo vuelve a encenderse? ¿Hay un botón o interruptor de reinicio? ¿Cuándo el voltaje cae por debajo de un nivel más bajo (histéresis)?
Exactamente, como mencioné en un comentario a continuación, funciona en una histéresis ... corta la alimentación cuando la batería alcanza los 1,4 V y vuelve a encenderse cuando la batería baja a aproximadamente 1,35 V. El amplificador operacional está en una configuración de disparador Schmitt.
si eso es lo que está haciendo, supongo que no estoy seguro de cuál es el problema o cuál es la pregunta.
Bueno, la pregunta es, ¿cómo puedo cortar la alimentación a un dispositivo (Q1+Q2), cuando ese dispositivo genera cierto voltaje, sin relés? El problema es que el bucle/retroalimentación no permite que el gatillo Schmitt tire de su salida al suelo. Cuando el voltaje de la batería se acerca al voltaje de activación, el OA reduce lentamente su voltaje de salida para que el voltaje en la entrada negativa (voltaje aplicado por la fuente de corriente Q1+Q2) permanezca por debajo del voltaje de activación (establecido por R8+R9+R1)
Leo sus comentarios sobre mis comentarios. Las simulaciones están bien. Suelen ser correctos. Entonces, ahora, inserte un diodo en el circuito real e informe. También. Una vez que sea estable, agregue, digamos, 10 uF + a tierra desde UIA-pin3. Si esto cambia los resultados, es probable que sea oscilante. NB: NO pruebe el interruptor de láminas hasta que haya probado el diodo en el mundo real. Tenga en cuenta que con un interruptor de lengüeta TODAVÍA puede oscilar, pero PUEDE escucharlo :-).
También pregunta relacionada: electronics.stackexchange.com/questions/38416/diy-nicad-charger , que enlaza con angelfire.com/electronic/hayles/charge1.html que contiene mucha información y antecedentes, aunque sin el software necesario para el microcontrolador

Respuestas (4)

No desea utilizar la terminación de carga de voltaje fijo para las baterías de NiCd. Debe tener un límite de voltaje superior como medida de seguridad, pero la terminación de la carga se realiza con pendiente de voltaje y/o temperatura.

Los NiCd exhiben un "golpe" de voltaje cuando están casi completamente cargados con una corriente razonable. El voltaje en realidad baja un poco. Por lo tanto, busque el cruce por cero de la derivada de voltaje, luego agregue un poco de carga de corriente baja durante un tiempo fijo para completar la batería. Por ejemplo, aquí hay un ciclo completo de descarga y carga de un paquete de baterías NiCd de 3 celdas:

La batería se descarga para vaciarse efectivamente a las 3,4 horas. Hasta alrededor de 4,2 horas, se usa una corriente de carga baja hasta que las celdas alcanzan un voltaje suficientemente alto para poder tomar corriente de carga "completa". Observe cómo sube el voltaje, muestra un bache y luego vuelve a bajar aproximadamente a las 6,4 h. El algoritmo de carga detecta eso por el cruce por cero de la línea azul y cambia al modo de recarga de corriente baja durante 2 horas fijas.

Está cobrando a una tarifa muy baja (.1C), por lo que es posible que algunas partes de esto no se apliquen. Sería una buena idea medir una curva de carga para ver dónde se encuentra. Deje que funcione el tiempo suficiente para saber que cargó completamente la celda y ver cómo se ven tanto el voltaje como la derivada del voltaje. A una tasa de carga tan lenta, un voltaje final fijo puede ser la única opción, pero sería bueno ver los datos antes de decidir eso.

La forma de medir y detectar esto es en un microcontrolador. Cada medición tendrá algo de ruido, pero las señales son tan lentas que puede aplicar muchos filtros de paso bajo. Las señales son tan lentas que el filtrado significativo en analógico será difícil debido a las muy altas impedancias requeridas para realizarlas y al error de resultado causado por las corrientes de fuga. Los valores digitales no sufren degradación con el tiempo, por lo que puede hacer cosas como calcular la pendiente en voltios/hora como hice con la línea azul en el gráfico anterior.

Soy consciente de cómo se debe cargar Ni-Mh/Ni-Cd a altas corrientes, pero solo cargo a 0.1C, y algunos fabricantes especifican que a esta velocidad ni siquiera necesita un gatillo de corte. Pero aún así, me gustaría detener la carga en alrededor de 1,4 V, que por debajo de 0,1 C no se desviará mucho (lo probé).

Parece que su circuito debería hacer exactamente lo que usted quiere
Y usted dice en su respuesta a Chintalagirl que hace lo que pretende con respecto al voltaje de corte y la histéresis
, así que no puedo entender lo que quiere que aún no tenga.

Recientemente implementé un circuito comercial para producción de alto volumen utilizando un circuito similar a este. Usó un diodo para permitir que el voltaje de bajo nivel bajo la retroalimentación de histéresis se configurara sin alterar el voltaje de disparo y usó un TL431 para proporcionar un voltaje de referencia más estable, ambos como se menciona a continuación.

No se puede garantizar de manera confiable que V_USB sea de 5 V y puede ser mayor o menor y puede variar, por lo que se necesita una referencia adecuada. Puede, por ejemplo, dividir R8 en dos partes y establecer el punto medio en, por ejemplo, 4 V utilizando, por ejemplo, un "zener programable" / regulador de derivación TL431. Estos son baratos y efectivos en este papel. El uso de un TLV431 permite una configuración de referencia ascendente de 1,25 V.

Mejor: puede configurar U1A pin3 en el voltaje de disparo deseado con el TL431 PERO entonces la retroalimentación de histéresis no funciona, por lo que puede, por ejemplo. Use un TL* V *431 con dos resistencias para configurarlo en el Vtrip deseado.
Alimente el TLV431 con aproximadamente 1k al cátodo desde V_USB.
Alimente TLV431 a través de, digamos, 10k a la entrada opamp no inversora.
Use 100k o cualquier resistencia de histéresis como antes con diodo en serie. Vea abajo.

El uso de R1 como se muestra hace que sea difícil establecer umbrales altos y bajos como se desee, ya que efectivamente R1 está en paralelo con R8 antes de que la batería alcance el punto de disparo y en paralelo con R9 después de que se alcanza el punto de disparo, por lo que los puntos de ajuste alto y bajo se ven afectados. Además, si el amplificador operacional no gira completamente hacia el riel alto, afectará el cálculo del punto de disparo. Más fácil e igual de efectivo es colocar un diodo en serie con R1 para que conduzca con solo una polaridad opamp, de modo que el umbral alto o bajo sea establecido solo por R8 y R9. Probablemente lo mejor sea conectar el cátodo del diodo a la salida U1A para que el diodo conduzca cuando se haya alcanzado el umbral y luego baje el umbral cuando la salida U1A sea baja. De esa manera, puede establecer con precisión el punto de disparo deseado con R8 y R9 (que es lo que más le importa) y luego R1 lo reducirá un poco en una cantidad que puede calcular. El diodo agrega una pequeña cantidad de complejidad al cálculo del umbral reducido, pero no es muy importante ya que el objetivo principal es terminar la carga.

Si R1 es demasiado grande, el umbral no se reducirá lo suficiente y el voltaje de la batería puede "bajarse" lo suficiente después de retirar la carga para que se reinicie la carga. Si observa esto con un medidor y no con un alcance, puede pensar que está viendo un voltaje de CC estable, pero en realidad el circuito está oscilando. (Pregúntame cómo lo sé :-)).

La inspección con un osciloscopio siempre es una muy buena idea con circuitos como este, ya que la oscilación puede ocurrir fácilmente.

No debería importar aquí, pero tenga en cuenta que el rango de modo común de entrada para el LM358 es de 1,5 V por debajo de Vdd, por lo que aquí Vin max ~= 3,5.

Una vez que haya agregado el diodo sugerido anteriormente, puede probar el punto de disparo midiendo en el pin 3 de U1A. Puede ajustar R8 o R9 para establecer el punto de disparo. Puede comprobar el funcionamiento correcto utilizando un condensador de baja fuga en lugar de la batería. Esto debería cargar a Vtrip y luego el circuito debería apagarse y Vcap debería ser igual al voltaje objetivo. Si la tapa tiene fugas, verá que se recarga ocasionalmente a medida que Vcap cae por debajo del umbral inferior.

Q1 / R5 es una forma desagradable de hacer la configuración actual ya que la referencia de Vbe es muy imprecisa, pero es lo suficientemente buena en esta aplicación. D3 probablemente no sea estrictamente necesario aquí, pero no debería hacer daño. Sin D3, Q1 y Q2 están potencialmente polarizados inversamente por la batería cuando el transistor está apagado, pero no debería ser un problema aquí.

La histéresis R1 debería evitar que este circuito se asiente en el modo de línea cuando se alcanza el punto de ajuste, especialmente con el diodo agregado, pero verifique si hay oscilación. Por lo general, será útil agregar un capacitor en algún lugar de la unidad o de los bucles de retroalimentación. por ejemplo, aquí el pin 3 de U1A podría tener un límite a tierra, PERO un mejor lugar sería el pin 2, con la alimentación al pin 2 desde la batería a través de, por ejemplo, una resistencia de 10k. Puede expresar esto en la nomenclatura de polo/cero de la teoría del circuito formal o puede verlo como un retraso en la velocidad a la que puede cambiar el voltaje de la batería detectado.

Pregunta lo que necesites...

Gracias por toda la información. No me preocupan los umbrales o corrientes imprecisos, esto no se producirá en masa :). No estoy contento con mi diseño porque el cargador NO corta la corriente inmediatamente cuando se alcanzan ~1,4 V en la batería, sino que limita la fuente de corriente para que no aplique más de 1,4 V. Entonces, lo que realmente sucede es que la celda se carga a ~ 130 mA hasta que alcanza 1,4 V, y luego, muy lentamente, la corriente se reduce hasta que la celda tiene 1,4 V por sí sola (con la fuente de corriente completamente apagada). Si usé un relé entre opamp y fuente actual, habría funcionado
@ user1410908 - SI revisa TODOS mis comentarios, verá que abordé lo que está diciendo. Si prueba lo que dije y verifica cada punto, probablemente funcionará. Lo más probable es que uno o más de - La batería se esté cayendo lo suficiente como para superar la histéresis. - Operando en modo lineal - Oscilante. | Todos estos son partes de la misma cosa. | SI inserta el diodo que sugerí, el opamp nunca puede compensar con una señal de corrección positiva, solo puede reducir el umbral o no tener ningún efecto. Esto solo PUEDE ayudar. | ¿Ha comprobado con un osciloscopio para la oscilación.
@ user1410908 - Además, el suministro de USB puede aumentar a medida que lo descarga, lo que aumenta los problemas de retroalimentación. El uso de una referencia sólida como sugiero le brinda un nivel estable para que funcione el comparador. | Prueba lo que te dije sistemáticamente. PUEDE funcionar.
Repasé todos sus comentarios, pero no creo que el diodo en serie con R1 haga que OA oscile de riel a riel; de hecho hice una simulación para probarlo. Aquí está el resultado con comentarios postimage.org/image/eepazb6i3 . ¿Me equivoqué?
El voltaje USB es estable (4.98); no tengo un osciloscopio para verificar las oscilaciones, pero no creo que eso esté sucediendo, además, la simulación muestra exactamente lo que está sucediendo en el circuito real ... espero no parecer irrespetuoso, no lo estoy, agradezco su ayuda

Una solución, aunque posiblemente no sea la ideal, podría ser usar un comparador o un amplificador operacional configurado como comparador. Tenga la entrada negativa como su voltaje establecido y la positiva como PWRBAT+. Cuando el voltaje de la celda cruza ese umbral, la salida del comparador que antes estaba flotando será puesta a tierra. Conectar esta salida a la unión de R2 y R4 debería apagar el transistor Q2 y hacer que Q1 sea irrelevante y, por lo tanto, detener la carga.

El voltaje establecido se puede generar utilizando un divisor de resistencia simple, ya que las entradas del comparador son de alta impedancia.

El comparador debería poder absorber tanta corriente como sea necesario para la caída del amplificador operacional de salida a 0 a través de la resistencia de salida, lo que probablemente esté bien para la mayoría de los comparadores típicos.

Este método tendrá la ventaja de poder trabajar con el circuito que ya tiene sin demasiadas modificaciones.

Si coloco la entrada negativa en mi voltaje establecido y la entrada positiva en la batería, cuando la batería esté por debajo del voltaje establecido, la salida será baja, por lo que no se cargará. Usé en su lugar establecer el voltaje en positivo y la batería en negativo, pero cuando la batería se acerca al voltaje establecido, la salida se reduce lentamente para que el voltaje aplicado a la batería (también el voltaje en la entrada negativa) por la fuente de corriente se establezca por debajo voltaje. Entonces, la corriente cae muy lentamente hasta que finalmente llega a 0. Quiero que se detenga repentinamente cuando se alcancen los 1.4V.
Creo que eso es lo que este circuito ya hace. El problema es que, tan pronto como el voltaje está por debajo del punto establecido, vuelve a encenderse. Naturalmente, una vez que se apaga la fuente de corriente, el voltaje en la batería cae un poco. Entonces, en realidad, nunca se apaga; alcanza un equilibrio donde el voltaje de la batería más el aumento de la corriente de carga es igual al voltaje de referencia. El OP debe definir bajo qué condiciones se permite volver a encender la fuente actual.
El amplificador operacional está en una configuración de disparador Schmitt (para eso está la resistencia de 100K). Si fuerzo el voltaje aplicado a la batería por la fuente de corriente por encima del voltaje establecido, la salida AO se tira inmediatamente a tierra y no volverá a comenzar hasta que el voltaje de la batería caiga por debajo de ~ 1.35V. Funciona en una histéresis.
Veo el problema. Mis disculpas. ¿Quizás llevar el nivel de histéresis por debajo de la caída del voltaje cuando se corta el suministro?

Finalmente lo hice funcionar. Russell, intenté agregar ese diodo, pero eso no funcionó. No entiendo por qué dice que agregar ese diodo haría que el OA cambiara de Vcc a GND. Sin embargo, el TL431 fue una muy buena sugerencia. Después de agregar ese relé (que consume 150 mA), necesitaba una referencia de voltaje más confiable que un divisor de voltaje de suministro. ¡Salud por eso! De todos modos, encontré en la tienda de electrónica local un relé de 12V sellado muy pequeño, que tuve que frenar para abrirlo y ajustar la bobina para que funcionara con 5V. Fue un infierno.. Terminé rebobinando la bobina del agujero a mano. Pero valió la pena, ahora hace exactamente lo que yo quería que hiciera:

   - 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

Aquí está el esquema final:ingrese la descripción de la imagen aquí

¡Gracias a todos por la ayuda!

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