Caricabatteria Ni-Cd temporizzato

Apparecchio atto a ricaricare una batteria composta da celle di tipo Ni-Cd, che interrompe automaticamente la carica dopo circa 15 ore di funzionamento. Ciò consente una lunga vita alla batteria grazie ad un ciclo di carica lento e limitato in corrente.
Il caricabatteria è provvisto del led verde (power) che indica la presenza dell’alimentazione da rete, del pulsante (start) per l’avvio della carica della batteria (funzionante solo se questa è collegata) con conseguente accensione del led giallo (charging), indicante che la carica è in corso.
Il collegamento della batteria al caricatore avviene mediante un connettore a 4 poli di tipo MOLEX (per alimentatori ATX per computer).

 

La batteria

La batteria qui sotto rappresentata viene utilizzata per l’alimentazione di una cesoia elettrica.
La ricarica avviene tramite il connettore MOLEX, ai cui terminali estremi sono collegati i poli della batteria (+ giallo; – rosso) mentre i terminali medi sono in cortocircuito, in modo da consentire al caricatore di rilevare il collegamento con la batteria.

La batteria è costituita da 22 celle Ni-Cd collegate in serie, ciascuna avente tensione nominale Vc = 1,2V e capacità C = 4000mAh, per una tensione nominale complessiva pari a:

Vn = 22 · 1,2V = 26,4V

Da notare è la tensione raggiunta dalla batteria a carica completa Vbatt = 32V.

Per la ricarica delle celle, il fabbricante consiglia di effettuarla ad un valore costante di corrente pari a 1/10 della capacità, per un tempo pari a 15h.

Ic = 0,1 · C = 0,1 · 4000mAh = 400mA

 

Schema funzionale

Il circuito è costituito sostanzialmente dall’integrato NE555 configurato come multivibratore monostabile per temporizzare la carica della batteria a circa 15h, i cui parametri per determinare tale durata sono il condensatore C = 1000µF e la resistenza R = 50MΩ.
Il condensatore da 100µF, collegato al piedino 4 dell’integrato, impedisce l’avvio automatico del temporizzatore, che altrimenti si avrebbe nell’istante in cui si alimenta il circuito.
Il transistor pilotato dal timer si occupa di collegare e scollegare la batteria, insieme al led giallo charging.
La corrente di carica della batteria è regolata dall’integrato LM317 ed è fissa al valore Ic = 400mA.
Essendo la tensione in ingresso Vin = 37V troppo elevata per l’alimentazione del timer, questa viene ridotta e stabilizzata a 12V grazie al diodo zener.
L’avvio del ciclo di carica è dato dal collegamento del piedino 2 dell’integrato NE555 con la massa, condizione che si ha alla chiusura del pulsante start, a patto che la batteria risulti essere collegata al caricatore. Questa rilevazione infatti avviene grazie al ponticello situato sul connettore della batteria, il quale si occupa di collegare uno dei contatti del pulsante con la massa.
Il diodo all’ingresso del circuito lo protegge da eventuali inversioni di polarità dell’alimentazione, mentre quello situato all’uscita evita un “ritorno” di corrente dalla batteria carica nel caso il circuito non fosse alimentato.

 

Parametri del circuito

Per il calcolo della tensione di alimentazione necessaria al circuito, si considera quella ai capi della batteria a carica completa Vbatt = 32V, quella di drop-out minima del regolatore di corrente Vreg = 2V, quella ai capi dei 2 diodi (all’ingresso e uscita del circuito) Vd = 0,6V e del transistor di uscita Vce = 0,4V.

Vin = 32V + 2V + 2 · 0,6V + 0,4V = 35,6V

Pertanto si è utilizzata Vin  = 37V, ottenuta dal collegamento in serie di due alimentatori da 32V e 5V aventi portata minima in corrente di 600mA ciascuno.

A riguardo del regolatore di corrente LM317 il parametro resistivo è calcolato in funzione della corrente in uscita Io = 400mA.

R = 1,25V / Io = 1,25V / 0,4A = 3,13Ω

Tale valore è raggiunto grazie al collegamento in parallelo di 3 resistenze da 10Ω e una da 47Ω.

A riguardo del temporizzatore NE555 il parametro resistivo è calcolato in funzione della capacità scelta C = 1000µF e della durata del ciclo di carica t = 15h = 54000s.

R = t / (ln 3 · C) = 54000s / (1,1 · 1000·10^-6F) = 49MΩ

Si è scelto quindi il valore di 50MΩ dato dalla serie di 5 resistenze da 10MΩ ciascuna.

NOTA: è necessario tenere conto delle tolleranze dei componenti utilizzati, in quanto la durata reale potrebbe non essere sufficientemente precisa a quella teorica (nel caso in esame il valore è stato di circa 13h contro 15h teoriche).

 

Interno del caricabatteria

All’interno del contenitore plastico (190x120x60) si notano i circuiti dei 2 alimentatori switching collegati in serie e la scheda per la gestione della carica, al cui regolatore LM317 è fissata l’apposita aletta di raffreddamento.
La ventilazione è consentita grazie ai fori posti sul retro e sopra il contenitore.

Un breve schema della disposizione dei componenti sulla scheda:

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