Komparatory napięcia w systemach zarządzania pracą akumulatorów
| TechnikaAkumulatory są dzisiaj podstawowym źródłem zasilania wielu urządzeń elektronicznych. Do prawidłowej kontroli ich pracy niezbędne są układy sterowania, nadzorujące stopień naładowania, a także proces ładowania ze źródła zasilania. Do konstrukcji prostego oraz niskobudżetowego obwodu tego typu świetnie nadają się komparatory napięcia, tworząc rozwiązanie charakteryzujące się energooszczędnością oraz wysoką niezawodnością.
Duża grupa urządzeń elektronicznych zasilana jest współcześnie za pomocą różnego typu akumulatorów, w tym również charakteryzujących się niewielkimi rozmiarami akumulatorów guzikowych. Ze względu na ich małą pojemność, monitorowanie stanu naładowania tego typu źródeł zasilania musi odbywać się w sposób możliwie energooszczędny, aby nie przyczynić się do szybszego rozładowania elementu. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest wykorzystanie układu komparatora napięcia, charakteryzującego się w dodatku niewielkimi rozmiarami oraz niedużym kosztem.
Zarządzanie pracą akumulatorów w systemach mobilnych
Konstruktor każdego układu zasilanego bateryjnie musi szczegółowo przeanalizować zapotrzebowanie energetyczne systemu oraz możliwości jego zaspokojenia. W większości projektów najbardziej energochłonnym elementem obwodu jest zazwyczaj mikroprocesor sterujący pracą całego urządzenia. Bardzo ważny jest zatem dobór odpowiedniego układu tego typu, a także wykorzystanie ofertowanych przez ten układ możliwości ograniczenia poboru energii, głównie poprzez umiejętne przełączanie pomiędzy stanami wysokiego oraz niskiego poboru mocy. Z tego powodu mikrokontroler w typowym systemie zasilanym bateryjnie przez większą część swojej pracy pozostaje w stanie uśpienia, wybudzając się na skutek zaistnienia określonych bodźców zewnętrznych w celu wykonania określonych zadań.
Do typowych wymuszeń powodujących wybudzenie procesora zaliczyć można zmianę stanu na pinach wejściowych lub działanie liczników/timerów. Jeśli jest to tylko możliwe, projektanci starają się wykorzystać do monitorowania parametrów otoczenia możliwie najbardziej energooszczędne układy, których zadaniem jest zazwyczaj wybudzić mikroprocesor w celu przeprowadzenia reakcji na zdarzenie.
Jednym z aspektów wymagających takiego ciągłego monitorowania jest stan źródła zasilania systemu. Jeśli napięcie na wyjściu baterii lub akumulatora jest niższe od wymaganej wartości, oznacza to stan bliskiego rozładowania i wymaga zasygnalizowania użytkownikowi podjęcia określonych działań, takich jak naładowanie akumulatora lub wymiana baterii. W analogiczny sposób, jeśli poziom napięcia jest wyższy od określonej wartości, oznacza to, że akumulator jest w pełni naładowany, zatem nie należy kontynuować procesu ładowania. Ważnym zadaniem jest także monitorowanie temperatury źródła zasilania, ponieważ pozwala to m.in. na zdobycie informacji na temat potencjalnego uszkodzenia układu.
Typowy prosty układ monitorowania stanu naładowania akumulatorów może zostać skonstruowany w oparciu o przetwornik analogowo-cyfrowy lub komparator napięć. Na rynku znaleźć można również bardziej złożone komponenty, przeznaczone typowo do tej roli i mające zazwyczaj cały zestaw dodatkowych funkcji. W przypadku bardzo wielu urządzeń jednym z najważniejszych czynników jest niski koszt systemu oraz jego niewielkie rozmiary, co często eliminuje możliwość korzystania z bardziej zaawansowanych układów sterowania pracą akumulatorów. Nierzadko również prosty układ oparty na komparatorze napięcia okazuje się wystarczający i w pełni zaspokaja potrzeby i wymagania systemu.
Akumulatory
Układy akumulatorów różnią się pod względem składu chemicznego oraz wewnętrznej struktury. Te różnice przekładają się na oferowane przez nie możliwości, takie jak maksymalna moc, napięcie nominalne czy też obciążenie prądowe, a także na parametry związane z ich żywotnością – dopuszczalną liczbę cykli ładowania/rozładowania czy stabilnością temperaturową. Z reguły większa moc oferowana przez źródło zasilania wiąże się z niższym poziomem bezpieczeństwa, krótszym czasem życia oraz większym kosztem. Jak każdy element elektroniczny, akumulatory podlegają procesowi zużycia, powodującemu pogorszenie ich charakterystyk.
Do innych ważnych parametrów zaliczyć można maksymalny prąd ładowania, dopuszczalny zakres napięcia oraz zakres temperatur pracy. Przekroczenie któregokolwiek z wymienionych parametrów skutkować może przyspieszonym zużyciem elementu, jego całkowitym uszkodzeniem lub nawet powstaniem pożaru.
W tabeli 1 przedstawiono podstawowe charakterystyki najpopularniejszych rodzajów akumulatorów wykorzystywanych w urządzeniach mobilnych.
Samoistne rozładowywanie źródła zasilania
Samoistna utrata energii zgromadzonej w akumulatorze, zachodząca przy braku obciążenia źródła zasilania wskutek oddziaływania niepożądanych wewnętrznych reakcji chemicznych, określana jest jako proces samowyładowania (self discharge). Jest on jednym z głównych czynników określających żywotność baterii, szczególnie w systemach charakteryzujących się ultraniskim zużyciem energii.
Tempo samowyładowania określić można za pomocą wartości procentowej – informuje, o ile procent zmieni się ilość energii zmagazynowana w akumulatorze pozbawionym obciążenia w jednostce czasu. Można wyrazić je również za pomocą wartości prądu upływu, czyli obciążenia prądowego bezstratnego akumulatora skutkującego utratą tej samej ilości energii w danej jednostce czasu. Przykładowo, jeśli akumulator o pojemności 1000 mAh charakteryzuje się tempem samowyładowania o wartości 1% na miesiąc, jest to równoważne prądowi upływu o natężeniu ok. 14 μA. Oznacza to, że nawet nieużywany układ traci energię w taki sposób, jak gdyby przez cały czas obciążony był sygnałem o natężeniu prądu o takiej wartości.
Szacunki te mają szczególne znaczenie w przypadku systemów typu ultralow power. Jeśli średni prąd zasilania wymagany przez urządzenie będzie znacząco niższy od wartości prądu upływu, czas pracy akumulatora/ baterii ograniczany będzie głównie przez proces jego samowyładowania.
Komparator w obwodzie monitorowania pracy akumulatorów
Na rysunku 1 przedstawiono prosty układ komparatora napięcia wykorzystanego w celu monitorowania napięcia wyjściowego na źródle zasilania. Wyjście komparatora zmienia stan z wysokiego na niski w przypadku pełnego naładowania źródła zasilania oraz z niskiego na wysoki w przypadku stanu pełnego rozładowania. W obwodzie skonstruowano zewnętrzną pętlę histerezy z wartościami progowymi dobranymi w taki sposób, aby odpowiadały charakterystykom napięciowym danego typu akumulatora. Dolny próg powinien być maksymalnie zbliżony do napięcia rozładowania źródła zasilania, zaś próg górny do napięcia pełnego naładowania.
Tego typu niewielkie układy komparatora z wewnętrznym źródłem napięcia odniesienia, o liczbie i rodzaju wyprowadzeń jak w przypadku pokazanym na rysunku, charakteryzują się niewielkimi rozmiarami oraz nieznacznym natężeniem prądu spoczynkowego, zazwyczaj poniżej 1 μA. Rezystory o dużej wartości rezystancji umieszczone na wejściu obwodu zapewniają niski pobór prądu podczas pracy układu, porównywalny z wartością prądu upływu źródła zasilania.
W tabeli 2 przedstawiono przykładowe wartości elementów pasywnych umieszczonych w obwodzie dla różnych typów akumulatorów, wymagających odmiennych wartości napięć progowych. Zastosowanie rezystorów o lepszej wartości tolerancji rezystancji pozwala otrzymać większą dokładność pracy układu.
Monitorowanie temperatury
Wysoka temperatura źródła zasilania to bardzo często symptom dysfunkcji systemu, co może prowadzić do trwałego uszkodzenia całego układu lub jednego z jego elementów. Przyczyn takiego zdarzenia może być wiele – wysoka temperatura otoczenia, nadmierne rozpraszanie mocy na którymś z komponentów, zbyt wysokie obciążenie lub błędnie prowadzony proces ładowania akumulatorów. Bez względu na przyczynę, w przypadku nadmiernego wzrostu temperatury układ powinien być chroniony przez mechanizm zabezpieczający powodujący całkowite wyłączenie urządzenia.
Na rysunku 3 przedstawiono prosty układ monitorowania temperatury skonstruowany w oparciu o termistor typu NTC (o ujemnym współczynniku temperaturowym) oraz komparatorze napięcia. Obwód taki umieszczany jest zazwyczaj w bezpośredniej bliskości pakietu akumulatorów, aby zapewnić swobody transfer energii cieplnej.
Rezystancja termistora NTC jest odwrotnie proporcjonalna do jego temperatury. Tempo spadku rezystancji określa temperaturowy współczynnik rezystancji. W przedstawionym układzie termistor z rezystorami R1 oraz R2 tworzy prosty dzielnik napięcia. Wraz ze wzrostem temperatury napięcie na wejściu komparatora maleje, po osiągnięciu określonego punktu powodując przełączenie stanu jego wyjścia.
Podsumowanie
Komparatory napięcia pozwalają na konstruowanie prostych, niedrogich, niewielkich oraz bardzo energooszczędnych układów monitorowania stanu źródeł zasilania – akumulatorów oraz baterii. Świetnie sprawdzają się w nieskomplikowanych urządzeniach mobilnych oraz przenośnych, zapewniając podstawowy poziom kontroli oraz bezpieczeństwa pracy układu zasilania.
Damian Tomaszewski
