Integrovaný obvod LTC4010 je uceleným řešením pro nabíjení článků typu NiMH / NiCd u něhož se obejdeme bez mikrokontroléru nebo programování firmware. Zahrnuje spuštění nabíjení, monitorování, ochranu, ukončení nabíjení a také obvody pro řízení v režimu konstantního proudu, to vše s cílem zajistit nejen rychlou, ale též autonomní dodávku energie.
Obr. 1: K nabídce Linear Technology Blogs – Applications, circuits and tips by engineers, for engineers (http://www.linear.com/blog) vede přímá cesta rovnou z domovské stránky výrobce, příp. se k ní proklikáme též přes Design Support – část Technical Documentation, nabídka Design and Application. Od začátku září letošního roku zde přibylo jedenáct nových příspěvků a nás dále zaujala forma některých z nich...
Obvod „zvládne“ jeden až šestnáct článků NiMH nebo NiCd, které bude v rámci širokého rozsahu vstupního napětí od 5,5 V až do 34 V, včetně možnosti síťového adaptéru, nabíjet proudem až 4 A. Vedle nastavitelného bezpečnostního časovače se souběžně aktivně uplatní zakončení nabíjení, sledující jak -ΔV tak též ΔT/Δt. Integrovaný obvod LTC4011 pak nabídne stejné funkce, ke kterým však dále přidá možnosti PowerPath a lišit se bude i zapojením s termistory. V obou případech výrobce odkazuje na použití v přenosných přístrojích, diagnostice a řídicích systémech nebo zmiňuje záložní baterie a jejich správu.
- Článek typu NiMH s kapacitou 2 500 mAh nabíjím proudem 500 mA, ale nabíječka stále hlásí chybu – FAULT. Co dělám špatně?
Problémem bude příliš nízká rychlost nabíjení, resp. velikost nabíjecího proudu (C/5, což v tomto případě odpovídá poměru 500 mA vůči 2 500 mA), který nebude pro baterii dostatečně vysoký a my tak nemůžeme dosáhnout napěťového a teplotního profilu, který naše nabíječka pro náležité zakončení cyklu vyžaduje. Obvykle se budou žádat spíše větší proudy, C/2 až 1 C, ačkoli zde byly též baterie, které svůj nabíjecí cyklus ukončují i v případě nastavení třetiny vybíjecí kapacity, C/3.
- Bude možné nastavit časovač na více než 4,3 hodiny?
Nikoli. Vyžadujeme – li k nabíjení baterie více než 4,3 hodiny, bude rychlost s ohledem na platné zakončení nabíjení nastavena příliš nízko. Maxima v podobě přibližně 4,3 hod. dosáhneme tak, že vývod Timer nezapojíme.
Obr. 2: Typické zapojení 2 A nabíječky článků NiMH s obvodem LTC4010 od Linear Technology
- Po připojení baterie a přivedení vstupního napětí mi na desce svítí LEDky READY a FAULT. Co se děje?
S velkou pravděpodobností bude příčina spočívat v nedostatečném kapacitním blokování vývodu VCC. Doporučuje se proto použít keramický kondenzátor o velikosti 1 μF (X5R) a připojit jej co nejblíže vývodů VCC a GND integrovaného obvodu. Pokud navíc budete mít mezi vstupním napájením a samotnou nabíječkou delší vedení, zkuste osadit další kapacitu také poblíž hrany plošného spoje.
- K zakončení nabíjecího cyklu chci použít časovač. Je to možné?
Ne, není. Timer je bezpečnostním prvkem pro ukončení nabíjecího cyklu a indikaci podmínky FAULT v případě, že se ke konci časového intervalu nevyskytne platné ukončení nabíjení, dle změny -dV/dt nebo dT/dt. Výstupem FAULT obvykle signalizujeme špatnou baterii nebo nějaký další problém spojený s článkem. Taková chyba, spuštěná časovým spínačem, bude znamenat určitý záchytný režim, ve kterém je nutné před započetím nového cyklu nabíjení vypnout / zapnout napájení nebo vyměnit baterii. Stojí však za zmínku, že nadměrná teplota čipu, příp. též baterie – tak jak ji snímá připojený termistor, může rovněž indikovat chybu, nicméně tyto „FAULTy“ již nebudou ze skupiny Latching.
Obr. 3: Doporučené zapojení s obvodem LTC4011 a ukázka průběhu cyklu NiMH baterie nabíjené proudem 2 A (1 C)
- Proč musí mít obvody LTC4010 / LTC4011 na svém vstupu 2 V na článek + 300 mV? Vždyť článkům při nabíjení běžně stačí zhruba 1,5 V...
Ale ano, v závislosti na nabíjecím proudu, typu baterie, jejím stáří apod. se může napětí každého článku při nabíjení obvykle pohybovat od 1,4 V do 1,7 V. Požadavek na 2 V nicméně spočívá v nastavení prahové úrovně přepěťového limitu pro poruchu o velikosti právě 2 V, typicky 1,95 V.
Pokud se pak při nabíjení stane něco s baterií a napětí vzroste nad 2 V na článek, nabíjecí proud ustane a systém přejde do poruchového módu FAULT. Nebude – li vstupní napětí minimálně 2 V na článek (+300 mV jako rezerva, tzv. headroom), nedokáže nabíječka překročit prahovou úroveň 2 V / článek (měřeno na pinu VCELL) a do problémové baterie bude „tlačit“ konstantní proud i nadále. A ještě jedna poznámka. Blok nabíječky generující konstantní proud může pracovat se vstupním napětím několik stovek mV nad napětím baterie, třebaže limitního přepěťového práhu nebude nikdy dosaženo.
- Je skutečně nutné používat při nabíjení baterie termistor?
Ne, nutné to nebude, každopádně takový termistor v kontaktu s jedním nebo i více články bateriové sestavy dává smysl přinejmenším ze dvou důvodů. Zabrání totiž nabíjení pod 5 °C nebo zase nad 45 °C, což jinak může baterii uškodit. Především se však bude jednat o tu lepší ze dvou metod pro ukončení nabíjení s obvodem LTC4011, protože minimalizuje přebíjení a prodlužuje tím baterii život.
Obr. 4: Blokové vyjádření vnitřního zapojení obvodu LTC4011
- Jaké změny pozorujeme u Ni.. baterií, které právě dosahují stavu plného nabití?
Takovou první předzvěstí blížícího se plného nabití článku bude rychlý nárůst jeho vnitřního tlaku, což ovšem, a je to škoda, nedokážeme snadno detekovat. S pokračujícím nabíjecím cyklem pak další změna spočívá v náhlém vzestupu teploty článku, kterou však již umíme vyhodnotit termistorem. Obvod LTC4011 vyžaduje, aby pro platné ukončení nabíjení na základě sledování změny dT/dt teplotní nárůst v případě baterií typu NiMH překročil 1 °C za minutu po dobu dvou minut (pro NiCd články to budou 2 °C).
Nakonec, a z důvodu záporného teplotního koeficientu napětí na článku, vzestup teploty článku způsobí pokles jeho napětí (po dosažení špičky). Pokles 10 mV/článek pro NiMH a 20 mV/článek pro NiCd využije nabíječka pro ukončení nabíjení na základě vyhodnocení změny -dV/dt. Vzhledem k tomu, že zmíněný pokles napětí na baterii bývá poslední vyskytující se („vratnou“) změnou, můžeme již v této fázi vystavovat článek zásadnímu přebíjení, které negativně ovlivní jeho životnost.
Obr. 5: Tabulka parametrů a příklady nastavení časových limitů obvodu LTC4011
- Jaké jsou rozdíly v nastavení mezi NiCd a NiMH?
Jediným rozdílem zde budou metody pro ukončení nabíjení. V případě článků NiCd máme práh -dV/dt, ukončující cyklus, 20 mV, zatímco u baterií NiMH výrobce uvažuje 10 mV. Strmost v nárůstu teploty, završující nabíjení v případě metody dT/dt, činí u NiCd článků 2 °C/minutu po dobu 2 minut. U baterií NiMH musí nárůst teploty nad 1,325 V překročit 1 °C/minutu po dobu 2 minut, a bude – li nabíjení končit na základě sledování změny dT/dt, zařadíme na konec cyklu (v poslední třetině) ještě zakončovací fázi TOP-OFF s omezeným průtokem proudu. Zmíněné završení však aplikujeme pouze v případě článků NiMH, nikoli u NiCd.
- NiMH baterie je zcela vybitá a LTC4011 se ji ani nepokusí nabít. Proč?
Bude – li napětí jednoho článku, tj. napětí na vývodu VCELL obvodu LTC4010 či LTC4011, pod 350 mV, nabíječka „předpokládá“ vadnou baterii a žádné nabíjení se tudíž nekoná. Spousta článků NiMH bude mít bohužel docela vysokou úroveň samovybíjení, což znamená, že na nich můžeme po určité době mimo provoz naměřit už jen velmi malé napětí. Abychom minimalizovali podobné problémy, existuje několik možností úpravy nabíjecího obvodu, které však přesahují rámec těchto otázek a odpovědí. Pro více informací doporučuje autor blogu kontaktovat Aplikační skupinu výrobce.
Obr. 6: 3 A nabíječka článků NiMH s LTC4011, řešící též otázku řízení PowerPath (na HW serveru rovněž čtěte Univerzální nabíječka pojmenována, popsána, navržena)
- Nabíjím – li opakovaně novou baterii, nedokážu ji plně nabít, příp. to někdy končí i chybou. Proč je tomu tak?
Když se vyrobí NiCd nebo NiMH článek, není nabitý. Teprve po přivedení napětí dochází k tzv. formování a baterie se začíná stávat tím, co se od ní také žádá. Výrobci však mnohdy prodávají pouze částečně předpřipravené baterie, což pak na straně uživatele vede při nabíjení k podivným výsledkům.
Obecně vzato, baterie si žádá něco od tří do pěti cyklů plného nabití / plného vybití a teprve pak může vykázat napěťový a teplotní profil, který obvody LTC4010 / LTC4011 vyžadují k náležitému zakončení nabíjení. Ne zcela naformované články pak mohou znamenat nezvyklé napěťové profily, jež ve výsledku vedou k nesprávnému ukončení nabíjecího cyklu. Několik „ozdravných“ cyklů mohou rovněž vyžadovat baterie, které nebyly dlouho nabíjené, příp. u nich došlo k úplnému vybití. Teprve pak budou pracovat správně.
Závěr aneb pokračujeme TEG
Desítkou odpovědí na často kladené otázky jsme v článku krátce představili vybrané možnosti obvodů LTC4010 a LTC4011 (High Efficiency Standalone Nickel Battery Charger) a zároveň demonstrovali přístup výrobce, společnosti Linear Technology, k podpoře vývoje se svými produkty, kterých se rovněž týkaly zmiňované údaje a postupy. Pokud se vám zvolený přístup líbí, klikněte si též na říjnové Frequently Asked Questions: Thermoelectric Energy Harvesting With the LTC3108 & LTC3109 věnované populárnímu sběru energií z okolí s využitím termoelektrických generátorů TEG. Obvod LTC3108 již můžete znát z článku Jak napájet, máme – li k dispozici pouhých 20 mV? publikovaného na HW.cz před čtyřmi lety.
Připraveno s využitím materiálů dostupných na www.linear.com.
