Komparatory do układów monitorujących stan baterii
| TechnikaPrzy projektowaniu niewielkich przenośnych układów elektronicznych potrzebna jest dokładna znajomość potrzeb ich zasilania. Mózgiem takiego układu, sprawnie kierującym funkcjami systemu, jest zwykle mikrokontroler, który dla oszczędzania energii powinien większość czasu pozostawać w stanie uśpienia. Z tego powodu działanie systemu jest często monitorowane przez obwody bardzo małej mocy, które w razie potrzeby sygnalizują mikrokontrolerowi (zwykle przerwaniem) konieczność interwencji. Jedną z ich ważnych funkcji jest kontrola stanu ogniwa zasilającego. Zbyt niskie napięcie oznacza stan rozładowania i konieczność rozpoczęcia ładowania. Maksymalne napięcie oznacza stan naładowania i konieczność zakończenia ładowania. Ważne jest również monitorowanie temperatury obudowy ogniwa, informuje bowiem o warunkach ładowania, temperaturze otoczenia czy o uszkodzeniu.
Typowym sposobem monitorowania stanu ogniwa jest użycie ADC albo komparatora z okienkiem napięciowym. Istnieją także specjalne monitory baterii i wskaźniki ich pojemności. Przy ich doborze trzeba pamiętać, że różne systemy wymagają przy projektowaniu odmiennie rozłożonych priorytetów pośród tych parametrów. Pierwszym w kolejności jest wybór źródła zasilania.
Akumulatory
Ogniwa ładowalne różnią się strukturą i składem chemicznym, od których zależą: moc właściwa (maksymalne natężenie dostarczanego do obciążenia prądu), czas działania i stabilność termiczna, w różnym stopniu wpływające na działanie urządzenia.
Zwykle im wyższa moc właściwa, tym niższy margines bezpieczeństwa, czas życia i koszt. Z biegiem czasu stopień zużycia ogniwa wzrasta, a cykl ładowanie-rozładowanie się pogarsza. Cechują je oprócz tego specyficzne ograniczenia:
- natężenie prądu dostarczanego w określonym zakresie napięcia wyjściowego przez określony czas
- maksymalne natężenie prądu ładowania
- najwyższe napięcie, do jakiego mogą być ładowane
- najniższe napięcie, do jakiego mogą być rozładowywane
- dopuszczalny zakres temperatury ich działania
Powyższe wielkości wyznaczają rozmiary ogniw, a także czas ich życia. Przekraczanie tych ograniczeń przyspiesza ich zużycie, a nawet może doprowadzić do wybuchu. Podstawowe parametry najpopularniejszych ogniw ładowalnych do przenośnych urządzeń elektronicznych zamieszczono w tabeli 1.
Maksymalne bezpieczne napięcie oznacza napięcie ogniwa całkowicie naładowanego. Dalsze ładowanie jest możliwe, ale z ryzykiem (czasem katastrofalnym) zmniejszenia czasu życia. Z kolei minimalne napięcie rozładowania oznacza napięcie ogniwa całkowicie rozładowanego. Dalsze rozładowywanie skraca czas jego życia. Poszczególne cykle ładowania-rozładowania też dodatkowo skracają czas życia ogniwa.
Tabela informuje, że liczba cykli obniżająca czas życia ogniw litowo-polimerowych jest znacznie niższa niż ogniw innych typów. Ogniwa te korzystnie wyróżniają się za to małymi rozmiarami i masą oraz szerokim zakresem napięcia. Ogniwa niklowo-wodorkowe i litowo-jonowe są powszechnie stosowane w przenośnych układach elektronicznych.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe używane są rzadko z powodu ich znacznego ciężaru. Nie mogą być eksploatowane w pełnym zakresie rozładowywania, zbyt je chemicznie obciążającego. Akumulatory kwasowo-ołowiowe i kadmowo-niklowe są dla środowiska szkodliwe, ale jako jedne z najtańszych nadal są szeroko stosowane we wspomagających zasilaczach stacjonarnych.
Koszt samorozładowywania się ogniw
Samorozładowywanie się ogniw jest skutkiem niepożądanych wewnętrznych procesów chemicznych i przyczynia się do obniżania czasu życia ogniw nieużywanych. Pojemność ogniwa 1 C, mierzona w amperogodzinach (C-rate), oznacza, że w ciągu jednej godziny zostanie całkowicie rozładowane prądem o natężeniu 1 A. Ogniwo o pojemności 1Ah tracące w ciągu miesiąca 1% pojemności (zob. tabela 1) będzie się w przybliżeniu rozładowywało prądem:
0,01 Ah/(24×30) h = 13,88 μA.
Gdy natężenie prądu pobieranego przez zasilany układu jest mniejsze, to na czas życia baterii większy wpływ będzie miało samorozładowanie.
Komparator małej mocy monitorujący napięcie baterii
Rysunek 1 przedstawia schemat prostego komparatora do monitorowania akumulatorów, a także przebieg zmian napięcia wyjściowego komparatora w zależności od stanu ogniwa. Zmiana napięcia wyjściowego z wysokiego na niski sygnalizuje stan naładowania ogniwa, a z niskiego na wysoki sygnalizuje jego pełne rozładowanie. Histereza działania i dobór progów umożliwiają właściwą regulację układu.
Komparator charakteryzuje się małymi rozmiarami i małym poborem prądu, tylko 0,9 pA. Użycie rezystorów o dużej rezystancji zapewnia przy napięciu 1,7 V całkowity pobór prądu 2 μA, porównywalny do prądu samorozładowywania ogniwa. Poprawnie wykazuje stan ogniwa, nawet przy jego napięciu minimalnym. W tabeli 2 zebrano wartości rezystorów układu dla napięć progowych monitorowania ogniwa UBAT (UW>N i UN>W).
Wybrane poziomy progowe ustalają węższy zakres histerezy w porównaniu z tabelą 1 dla uwzględnienia tolerancji elementów. Układ na rysunku 1 zapewnia dokładność ±1% napięć przerzutu przy 5% tolerancji rezystorów. Użycie rezystorów o ściślejszej tolerancji zwiększa dokładność progów.
Monitorowanie napięcia ogniw Li-Jon i Ni-Cd
Na rysunku 2 przedstawiono schemat dwuelementowego układu monitorującego napięcie ogniw litowych i Ni-Cd, a także przebieg zmian jego napięcia wyjściowego w zależności od stanu ogniwa. Przy małej liczbie komponentów ustalających poziomy przerzutu i małych rozmiarach układ działa z dokładnością ±1% pod napięciem co najmniej 1,0 V, pobierając mniej niż 1 μA.
Monitorowanie temperatury ogniwa
Wzrost temperatury może zakłócać działanie układu elektronicznego, a nawet go zniszczyć. Oprócz znacznej temperatury otoczenia wzrost ten może być wywołany nadmiernym wydzielaniem się energii w układzie lub zbyt szybkim ładowaniem czy rozładowywaniem. Zbyt wysoka temperatura, niezależnie od przyczyny, powinna powodować wyłączenie układu.
Na rysunku 3 przedstawiono prosty układ monitorujący, wykorzystujący termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC). Termistor ten powinien kontaktować się bezpośrednio z obudową chronionego ogniwa.
Przykładowo termistor taki o nominalnej rezystancji 100 kΩ i tolerancji 0,5% w temperaturze 25°C, w temperaturze 85°C wykazuje rezystancję (RT+NTC) ok. 8,8 kΩ, przy której (przy R1= 1,08 MΩ i R2=120 kΩ) nieodwracające wyjście komparatora przechodzi w stan niski. Wewnętrzna histereza, redukująca wpływ szumów, wynosi 15%. Użyty w układzie na rysunku 3 komparator mieści się w obudowie WLP, pobiera mniej niż 0,5 pA prądu, a cały układ mniej niż 2 μA. (KKP)
