مقاله

مدار شارژر باتری قلمی | راهنمای تصویری و گام به گام ساخت

در این آموزش، با روش ساخت مدار شارژر باتری قلمی با استفاده از آردوینو آشنا می‌شویم. همچنین نحوه ساخت یک مدار باتری شارژر قلمی را بیان می‌کنیم که با سلول خورشیدی کار می‌کند.

مدار شارژر باتری قلمی با استفاده از آردوینو

در این پروژه مدار شارژ باتری قلمی NiMH را با استفاده از آردوینو پیاده‌سازی می‌کنیم. در ادامه، روش انجام این کار را بیان خواهیم کرد.

باتری قلمی

باتری‌های قابل شارژ راهی عالی برای تأمین انرژی وسایل الکترونیکی قابل حمل هستند. این باتری‌ها می‌توانند موجب صرفه‌جویی در هزینه‌ها شوند و در صورت بازیافت صحیح، برای محیط زیست ضرر کمتری ندارند. برای اینکه بتوانید از باتری‌های قابل شارژ خود بیشترین بهره را ببرید، باید آن‌ها را به درستی شارژ کنید. این بدین معنی است که شما به یک شارژر خوب نیاز دارید. شما می‌توانید هزینه‌های زیادی را برای تهیه یک شارژر تجاری خرج کنید، اما ساختن آن هم سرگرم‌کننده‌تر است و هم صرفه اقتصادی دارد. بنابراین در اینجا نحوه ساخت شارژر باتری کنترل شده با آردوینو را بیان می‌کنیم.

ابتدا ذکر این نکته مهم است که یک روش شارژ کلی وجود ندارد که برای همه باتری‌های قابل شارژ مناسب باشد. هر نوع باتری از فرایند شیمیایی متفاوتی برای عملکرد خود استفاده می‌کند. در نتیجه، هر نوع باتری باید متفاوت شارژ شود. در این مطلب نمی‌توانیم انواع باتری و روش‌های شارژ را پوشش دهیم. بنابراین برای سادگی، در مورد متداول‌ترین نوع باتری قابل شارژ، یعنی باتری نیکل– هیدرید فلز (Nickel-Metal Hydride) یا NiMH تمرکز خواهیم کرد و مدار شارژر باتری قلمی را برای این نوع باتری بررسی می‌کنیم.

تجهیزات و قطعات مورد نیاز

تجهیزات و قطعات لازم برای مدار شارژر باتری قلمی به شرح زیر است:

  • میکروکنترلر آردوینو
  • نگهدارنده باتری قلمی
  • باتری قلمی NiMH
  • مقاومت 10 اهمی (با توان نامی حداقل 5 وات)
  • مقاومت 1 اهمی
  • خازن 1 میکروفارادی
  • ماسفت IRF510
  • سنسور دمای TMP36
  • منبع تغذیه تنظیم شده 5 ولت
  • برد بورد نمونه اولیه
  • سیم‌های جامپر

تجهیزات و قطعات مورد نیاز

نحوه عملکرد مدار شارژر باتری قلمی NiMH

روش‌های مختلفی وجود دارد که می‌توانید باتری NiMH را شارژ کنید. روشی که استفاده می‌کنید بیشتر به سرعت شارژ باتری بستگی دارد. نرخ شارژ (یا C-rate) نسبت به ظرفیت باتری اندازه‌گیری می شود. اگر ظرفیت باتری شما 2500 میلی‌آمپر-ساعت است و آن را با جریان 2500 میلی‌آمپر شارژ می‌کنید، پس در واقع آن را با سرعت 1C شارژ می‌کنید. اگر آن را با جریان 250 میلی‌آمپر شارژ کنید، یعنی آن را با سرعت C/10 شارژ می‌کنید.

هنگام شارژ سریع باتری (با سرعت بالاتر از C/10)، باید ولتاژ و دمای باتری را به دقت کنترل کنید تا مطمئن شوید که بیش از حد شارژ نمی‌شود. شارژ بیش از حد می‌تواند به باتری آسیب جدی برساند. با این حال، وقتی باتری را به آرامی شارژ می‌کنید (با سرعت C/10 یا کمتر)، اگر به طور تصادفی بیش از حد آن را شارژ‌ کنید، احتمال آسیب دیدن باتری بسیار کم است. به همین دلیل، روش‌های شارژ آهسته به طور کلی ایمن‌تر هستند و به افزایش طول عمر باتری کمک می‌کنند. بنابراین برای شارژر باتری در این پروژه مدار شارژر باتری قلمی از نرخ شارژ C/10 استفاده می‌کنیم.

طرح مدار شارژر باتری قلمی

طرح مدار شارژر باتری قلمی ما یک منبع تغذیه پایه کنترل شده با آردوینو است. مدار توسط یک منبع ولتاژ تنظیم شده 5 ولتی مانند آداپتور AC یا منبع تغذیه کامپیوتر ATX تأمین می‌شود. بیشتر پورت‌های USB به دلیل محدودیت‌هایی که دارند، برای این پروژه مناسب نیستند. منبع 5 ولت باتری را از طریق یک مقاومت قدرت 10 اهم و یک ماسفت قدرت شارژ می‌کند. ماسفت تعیین می‌کند چه مقدار جریان مجاز است به باتری جریان یابد. استفاده از مقاومت یک روش آسان برای نظارت و کنترل جریان است. این کار با اتصال هر ترمینال به پایه‌های ورودی آنالوگ روی آردوینو و اندازه‌گیری ولتاژ هر طرف انجام می‌شود. ماسفت توسط پین خروجی PWM روی آردوینو کنترل می‌شود. پالس‌های سیگنال مدولاسیون پهنای پالس توسط مقاومت ۱ مگااهم و خازن 1 میکروفاراد به سیگنال ولتاژ ثابت صاف می‌شوند. این مدار به آردوینو امکان می‌دهد تا جریان وارد شده به باتری را کنترل کند.

مدار کنترل باتری

به عنوان یک اقدام احتیاطی اضافه، یک سنسور دمای TMP36 برای نظارت بر دمای باتری در نظر گرفته‌ام. این سنسور ولتاژ سیگنالی را تولید می‌کند که مستقیماً با دما مطابقت دارد. بنابراین نیازی به کالیبراسیون یا متعادل‌سازی مانند ترمیستور ندارد.

سنسور دما

سنسور با ایجاد سوراخ در پشت محفظه باتری و چسباندن نصب می‌شود تا در کنار باتری قرار بگیرد. سپس پایه‌های سنسور به 5V ،GND و یک پایه ورودی آنالوگ روی آردوینو متصل می‌شوند.

مدار شارژر

طرح کلی مدار شارژر باتری قلمی به صورت زیر است.

مدار شارژر باتری قلمی
برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر روی آن + کلیک کنید.

کد برنامه در آردوینو

کد این پروژه کاملاً سرراست و ساده است. در ابتدای کد متغیرهایی وجود دارند که به ما امکان را می‌دهند که شارژر را با وارد کردن مقادیر اندازه ظرفیت باتری و مقدار دقیق مقاومت، شخصی‌سازی کنیم. همچنین متغیرهایی برای آستانه ایمنی شارژر وجود دارد. حداکثر ولتاژ مجاز باتری روی 1٫6 ولت و حداکثر دمای باتری روی 35 درجه سانتی‌گراد تنظیم شده است. حداکثر زمان شارژ 13 ساعت تنظیم شده است. در صورت عبور از هر یک از این آستانه‌های ایمنی، شارژر خاموش است.

در متن کد، مشاهده می‌کنید که سیستم دائماً ولتاژهای ترمینال مقاومت قدرت را اندازه‌گیری می‌کند. این کار برای محاسبه ولتاژ ترمینال باتری و جریان جاری در باتری است. این جریان با جریان هدف که روی C/10 تنظیم شده، مقایسه می‌شود. اگر جریان محاسبه شده بیش از 10 میلی‌آمپر با جریان مورد نظر متفاوت باشد، سیستم به طور خودکار خروجی را برای اصلاح آن تنظیم می‌کند.

آردوینو از ابزار مانیتور سریال برای نمایش تمام داده‌ها استفاده می‌کند. اگر می‌خواهید عملکرد شارژر را کنترل کنید، می‌توانید آردوینو را به پورت USB رایانه متصل کنید. اما این کار ضروری نیست، زیرا آردوینو از منبع تغذیه 5 ولت شارژر تغذیه می‌شود.کد برنامه برای مدار شارژر باتری قلمی به صورت زیر است.

در نهایت، مدار شارژر باتری قلمی به صورت زیر خواهد بود.

مدار شارژر باتری قلمی

مدار شارژر باتری قلمی با انرژی خورشیدی

در ساده‌ترین شکل، مدار شارژر باتری قلمی ولتاژ یا جریان را به ترمینال مثبت باتری اعمال می‌کند. این امر باعث شارژ شدن باتری و افزایش ولتاژ آن می‌شود. اعمال ولتاژ روی باتری ممکن است آن را شارژ کند، اما هیچ سیستمی برای محافظت از باتری ندارد. شیمی هر باتری دارای خصوصیات منحصر به فردی است، اما محدود به آن‌ها نیست. ولتاژ نامی، حداکثر ولتاژ، چگالی انرژی، میزان خودتخلیگی، مقاومت داخلی و چرخه عمر. به دلیل نیازهای منحصر به فرد هر یک از باتری‌های شیمیایی، مهم است که ابتدا مشخص کنیم که از کدام‌یک از باتری‌های شیمیایی استفاده می‌کنیم.

مدار شارژر خورشیدی باتری قلمی

انتخاب باتری

در حال حاضر، سه باتری شیمیایی قابل شارژ رایج برای وسایل مختلف وجود دارد: یون لیتیوم، نیکل-هیدرید فلز (Ni-MH) و کادمیوم نیکل (NiCd) داریم. ولتاژ نامی باتری یون لیتیوم از 3٫2 ولت تا 3٫7 ولت متغیر است، ولتاژ باتری نیکل-هیدرید فلز ۱٫۲ ولت و کادمیوم نیکل ۱٫۲ ولت است. اغلب دستگاه‌ها از باتری‌های AA یا AAA استفاده می‌کنند. به دلیل اینکه ولتاژ‌ نامی باتری یون لیتیوم بیش از دو برابر ولتاژ باتری‌های AA (قلمی) یا AAA (نیم‌قلمی) است، در این پروژه آن را انتخاب نمی‌کنیم. اکنون، چگالی انرژی Ni-MH و NiCd را مقایسه کنیم و در می‌یابیم که Ni-MH دارای چگالی انرژی بیشتری نسبت به NiCd است. به همین دلیل، در این مثال از باتری Ni-MH برای تراکم انرژی بهتر استفاده می‌کنیم.

روش‌های شارژ باتری

در مورد روش‌های شارژ باتری‌های شیمیایی جزئیاتی وجود دارد. اما در حالت کلی، می‌توان چنین گفت که برای شارژ سریع باتری (در کمتر از چند ساعت) به طور معمول از میکروکنترلر برای کنترل ولتاژ و دمای باتری استفاده می‌شود (در بخش قبل این موضوع را بررسی کردیم). اگر ولتاژ شروع به افت کند، باتری به حالت بیش‌شارژ رسیده و شارژر خاموش می‌شود. اگر درجه حرارت به سرعت شروع به افزایش کند، می‌تواند به معنای آسیب دیدن احتمالی باتری باشد یا اینکه یک حالت بیش‌شارژ رخ داده است و شارژر خاموش می‌شود.

اگر زمان برایتان چندان مهم نیست، روش دیگر این است که باتری را به آرامی با تایمر شارژ کنید تا بعد از 12 تا 14 ساعت خاموش شود. برای جلوگیری از بیش‌شارژ، شارژر باتری نیاز به حداقل ظرفیت باتری دارد. اما اگر ظرفیت باتری‌ها بیشتر از حداقل مقداری باشد که شارژر برای آن طراحی شده است، شارژ به طور کامل انجام نمی‌شود. یک راه‌حل ساده داشتن ظرفیت باتری برای مشخص کردن شارژر است.

گزینه دیگر شارژ کردن باتری‌ها به صورت تدریجی است. با توجه به توصیه‌های برخی شرکت‌ها شارژ کامل باتری خالی باید 60 ساعت طول بکشد. این روش برای شارژ کامل باتری خیلی کاربردی نیست، بلکه اغلب به عنوان یک روش شارژ ثانویه از آن استفاده استفاده می‌شود. پس از پر شدن باتری‌ها، شارژ تدریجی برای پر نگه داشتن باتری‌ها شروع به کار می‌کند.

اما بهترین روش برای مدار شارژر باتری قلمی با انرژی خورشیدی که می‌خواهیم بسازیم، چیست؟ شارژ تدریجی بسیار طولانی خواهد بود، بنابراین از آن می‌گذریم. شارژر مبتنی بر زمان نیز به سرعت با مشکل روبه‌رو می‌شود. اگر شارژر خورشیدی شارژ برق خود را از دست بدهد، تایمر ریست می‌شود و در نتیجه مجدداً شارژ انجام می‌شود. این مشکل را می‌توان با اضافه کردن یک باتری فقط برای تایمر حل کرد. در این صورت، اگر برق قطع شود، تایمر همچنان کار می‌کند، اما باتری‌ها را شارژ نمی‌کند، در نتیجه باتری شارژ نمی‌شود. به دلیل زمان شارژ طولانی در روش تایمر، تقریباً همیشه توان از دست می‌رود. بنابراین، روش تایمر نیز کارآمد نیست.

استفاده از میکروکنترلر انتخاب خوبی به نظر می‌رسد، اما سیستم بسیار پیچیده‌تری دارد. برای هر شیار باتری باید یک ترمیستور و برای اندازه‌گیری دمای محیط یک عدد وجود داشته باشد. همچنین ما باید ولتاژ هر باتری را اندازه‌گیری کنیم و ممکن است به دلیل محدودیت در مصرف انرژی صفحه خورشیدی، نتواند شارژ سریع را انجام دهد.

به نظر می‌رسد که هریک از روش‌های ارائه شده محدودیت‌هایی دارد که باعث نگرانی می‌شود. در اینجا به جای استفاده از یکی از این روش‌ها، روشی را پیشنهاد می‌کنیم که تایمر و میکروکنترلر را در بر می‌گیرد. برای مقایسه ولتاژ و جلوگیری از شارژ بیش از حد از یک مقایسه‌کننده استفاده می‌کنیم، اما برای محافظت از باتری نرخ شارژ پایین تایمر را به کار می‌بریم. این کار محدودیت‌هایی دارد، اما طراحی ساده‌تری را ارائه می‌دهد؛ سیستمی که نیازی به برق مداوم نداشته و ایمن باشد.

طراحی شارژر

از آنجا که این دستگاه در یک محیط با دمای کنترل شده نخواهد بود، توصیه می‌شود همه اجزا حداکثر دمای کار حداقل 70 درجه سانتی‌گراد و حداقل حداقل 25- درجه سانتی‌گراد را داشته باشند. اگرچه 70 درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای هوا است، اگر شارژر در آفتاب قرار داشته باشد، دمای دستگاه را بالاتر می‌برد و می‌تواند به راحتی به بیش از 50 درجه سانتی‌گراد برساند.

ابتدا باید یک صفحه خورشیدی انتخاب کنیم. در اینجا یک پنل 5 واتی را انتخاب می‌کنیم که ولتاژ مدار باز (Voc) آن 22 ولت و جریان اتصال کوتاه (Isc) آن 300 میلی‌آمپر است. ولتاژ بالای این پنل باعث می‌شود بتوان از آن برای شارژ باتری‌های 12 ولت اتومبیل استفاده کرد، چیزی که به نظر مطلوب است و همچنین بسیار مقرون به صرفه خواهد بود. جریان 300 میلی‌آمپر، تعداد باتری‌هایی را که می‌توانیم به طور همزمان شارژ کنیم به دو باتری کوچک یا یک باتری بزرگ محدود می‌کند.

پیش‌تر در مورد شیمی باتری صحبت کردیم، اما در مورد ظرفیت یا فرم فاکتور صحبت نکردیم. احتمالاً فرم فاکتور (AA ،AAA و غیره) را در ذهن دارید، زیرا احتمالاً دستگاه خاصی دارید که مایل هستید باتری آن را دوباره شارژ کنید. در اینجا برای باتری نیم‌قلمی 1100 میلی‌آمپر ساعت Ni-MH طراحی را انجام می‌دهیم (برای باتری قلمی روند مشابه است)، اما شیمی و ظرفیت در واقع خصوصیات الکتریکی را تعریف می‌کند. به عنوان یک قانون کلی، هرچه باتری بزرگ‌تر باشد، ظرفیت آن نیز بیشتر است. با این حال، تفاوت‌های ظریف در بسته‌بندی و فناوری به این معنی است که ممکن است یک باتری AAA ظرفیت متفاوتی نسبت به یک باتری AAA دیگر داشته باشد.

منبع تغذیه و باتری‌ها را برای شارژ داریم، بنابراین سایر کارهای طراحی را شروع می‌کنیم. قبلاً اشاره کردیم که از یک مقایسه‌کننده استفاده می‌کنیم که به معنی داشتن ولتاژ مرجع است. اغلب، این کار را می‌توان با یک مقسم ولتاژ انجام داد، اما چون منبع تغذیه ما بسیار متغیر است، از یک تنظیم‌کننده ولتاژ استفاده می‌کنیم. تراشه LM317 یک رگولاتور (تنظیم‌کننده) ولتاژ رایج است و استفاده آسان، ارزان بودن و دمای کار بالا از مزایای آن است. ولتاژ خروجی توسط دو مقاومت کنترل می‌شود. از LM317  برای ایجاد یک خط 12 ولت استفاده خواهم کرد که بقیه مدار از آن به عنوان Vcc استفاده خواهد کرد.

مدار شارژر

برای ترانزیستور LED، از یک 2N3904 استفاده کرده‌ایم که امیتر به یک مقاومت محدودکننده جریان و LED به صورت سری متصل شده است. این LED نشان می‌دهد که چه زمانی باتری شارژ می‌شود و چه زمانی باتری پر است.

برای ترانزیستوری که جریان باتری را کنترل می‌کند، از ترانزیستور قدرت IRF840 استفاده می‌کنیم. این قطعه مشخصاتی بیش از آنچه نیاز داریم، ارائه می‌دهد و ارزان نیز هست، اما می‌توانید آن را با یک ترانزیستور قدرت دیگر به انتخاب خودتان جایگزین کنید. ترانزیستور به صورت سری با یک مقاومت محدودکننده جریان و باتری متصل می‌شود.

اکنون این مدار باتری را شارژ می‌کند، اما کمی جلوتر می‌رویم و سیستم دیگری را برای محدود کردن جریان اضافه می‌کنیم. بدین منظور، یک ترانزیستور قدرت دیگر اضافه می‌کنیم و گیت را به یک تایمر 555 متصل می‌کنیم. تایمر 555 به گونه‌ای پیکربندی شده که دارای چرخه کار 80٪ با فرکانس 1KHz باشد.این مقادیر جریان متوسط را محدود می‌کند، همچنین تضمین می‌کند که LED نشانگر مدتی جریان کافی داشته باشد تا در زیر نور آفتاب دیده شود.

تایمر 555

نمونه اولیه مدار را روی یک برد بورد با فضای خالی برای شارژ یک باتری AAA ساخته‌ایم. جریان متوسط باتری در یک روز آفتابی زمستان 90 میلی‌آمپر اندازه‌گیری شده است. چهار باتری را با شارژر خورشیدی تخلیه و شارژ کرده‌ایم و سپس چهار بار را با یک شارژر تجاری ساخت Duracell شارژ کرده‌ایم. ولتاژ روی هر باتری اندازه‌گیری شده و برای مقایسه در جدول زیر ارائه شده است.

شارژر خورشیدی

باتری‌های شارژر خورشیدی ولتاژ متوسط 1274 میلی‌ولت و باتری‌های شارژر دوراسل ولتاژ متوسط 1295 میلی ولت داشته‌اند. ولتاژ کمی پایین تعجب‌آور نیست، زیرا شارژر خورشیدی برای پایان سیکل شارژ 30 میلی‌ولت تحت حداکثر ولتاژ طراحی شده است. طراحی کامل مدار در شکل زیر نشان داده شده است.

مدار شارژر خورشیدی

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

دکمه بازگشت به بالا