Mikroprocesorowa ładowarka do akumulatorków AA oraz AAA

W moim mieszkaniu ciągle przybywa urządzeń zasilanych bateryjnie. Wiele argumentów przemawia za tym, aby wyposażyć je w akumulatorki. W zestawie z akumulatorkami często jest też dołączana ładowarka. Niestety, zwykle jest to ładowarka, która bazuje na najprostszym rozwiązaniu – ładowanie odbywa się niewielkim prądem bez żadnej kontroli napięcia czy czasu ładowania. W takiej konfiguracji nie da się osiągnąć optymalnych parametrów i akumulatorki zostają przeładowane lub niedoładowane.

Zaprezentowane urządzenie pozwala ustawić optymalne warunki ładowania i stale kontroluje wszystkie parametry każdego z czterech akumulatorków oraz mierzy ich pojemność w trakcie rozładowywania. Ma także diody sygnalizacyjne informujące użytkownika o zakończeniu procesu ładowana lub rozładowania akumulatorka. Po zakończeniu procesu ładowania ustawiany jest prąd konserwujący o wartości 25 mA, który utrzymuje akumulator w stanie gotowości.

Budowa i działanie

Schemat części elektronicznej jest dosyć obszerny. Na rysunku 1 został pokazany schemat bloku zasilania oraz jeden z czterech torów ładowania, rozładownia i kontroli ogniw. Pozostałe 3 tory mają analogiczną konstrukcję, więc nie będą zamieszczone w artykule, ale kompletny schemat jest dostępny w materiałach dodatkowych do projektu. Natomiast na rysunku 2 znajduje się schemat bloku sterującego z mikrokontrolerem i wyświetlaczem.

Rysunek 1. Schemat ideowy bloku zasilania oraz jednego z czterech torów ładowania i kontroli ogniw

Ładowarka jest zasilana z zewnętrznego zasilacza 12 V, 1,5 A. Napięcie zasilające należy doprowadzić do złącza SUPPLY. Bezpośrednio za złączem umieszczone są rezystory R1...R4 dodatkowo zabezpieczające układ oraz tworzące filtr dolnoprzepustowy wraz z kondensatorami C1 i C2. Dioda transil TR1 zabezpiecza wejście przetwornicy przed przepięciami. Rezystory R155 oraz R154 wraz z tranzystorem Q23 oraz diodą D10 tworzą układ zabezpieczający przed zwarciem. W momencie zbyt dużego poboru prądu z przetwornicy układ ten podaje stan wysoki na wyprowadzenie INH przetwornicy, tym samym powodując jej wyłączenie. Tranzystor Q1 zabezpiecza układ przed podaniem napięcia o odwróconej polaryzacji.

Kondensatory C3 oraz C4 filtrują napięcie zasilające do przetwornicy. Przetwornica U1 wraz z dławikiem L2, diodą Schottky’ego D1, kondensatorami C7, C8 oraz dzielnikiem rezystancyjnym R7, R8 tworzą typowy układ obniżający napięcie.

Wartość napięcia wyjściowego przetwornicy została ustalona za pomocą rezystorów R7, R8. Wartości wspomnianych rezystorów zostały tak dobrane, aby na wyjściu przetwornicy otrzymać napięcie 3,3 V. Tranzystory Q2 i Q25 w normalnym stanie pozostają otwarte (bramki tranzystorów zwarte do masy przez rezystor R9). W momencie zadziałania zabezpieczenia temperaturowego (które będzie opisane w dalszej części) następuje wyłączenie tranzystorów Q2, Q25 poprzez podanie na ich bramki napięcia. Zamiast dwóch wspomnianych tranzystorów typu Si2319 można zastosować jeden tranzystor AO3401, który zapewni odpowiednio małą rezystancję kanału w stanie jego otwarcia.

Za tranzystorami umieszczono filtry RC składające się z rezystorów R10...R13 oraz kondensatorów C12...C15. Jako że wspomniane rezystory mają małą wartość, ich główne zadanie polega na obniżeniu napięcia, którym będą ładowane akumulatorki w stosunku do napięcia zasilania wzmacniaczy operacyjnych. Zastosowane wzmacniacze operacyjne to układy CMOS typu rail-to-rail (TS912). Ponieważ cały tor służący do ładowania/rozładowania akumulatorka jest taki sam dla wszystkich czterech akumulatorków, omówiony zostanie tylko jeden kanał. Kondensatory C21...C24 filtrują zasilanie wzmacniaczy operacyjnych OACM, CS1, MO oraz zasilanie klucza analogowego IC3.

Z wyjścia mikrokontrolera generowany jest sygnał PWM, który następnie za pomocą rezystora R24 oraz kondensatora C18 jest przetwarzany na sygnał stały (oznaczony jako DAC na schemacie) o wartości proporcjonalnej do wypełnienia sygnału PWM. Z kolei parametry sygnału PWM zależą od wybranej przez użytkownika wartości prądu, którym chcemy ładować lub rozładowywać akumulatorek. Wartość prądu może być regulowana w zakresie od 0 do maksymalnie 400 mA.

Przetworzony sygnał PWM jest podawany na wtórnik napięciowy MOB. Następnie sygnał dociera na regulowane źródło prądowe odpowiedzialne za rozładowywanie akumulatorka lub regulowane źródło prądowe odpowiedzialne za jego ładowanie.

Dla źródła prądowego typu High-side, które jest zbudowane ze wzmacniacza CS1 A oraz tranzystora Q4 i rezystorów R14, R26, napięcie sterujące pracą tego źródła musi mieć wartość odpowiednio mniejszą względem napięcia zasilania, którym akumulatorki są ładowane. Dlatego sygnał sterujący jest odejmowany od tego napięcia za pomocą wzmacniacza różnicowego MOA. Rezystory R20...R23 zostały tak dobrane, aby napięcie wyjściowe ze wzmacniacza różnicowego wynosiło VMOA=VBAT1–0,18·VDAC. Sygnał sterujący może mieć wartość maksymalnie 3 V, więc 0,18·VDAC=0,54 V. Jest to maksymalny spadek napięcia, jaki może się odłożyć na rezystorach R14 i R26, które ustalają maksymalną wartość prądu ładowania.

W przypadku rozładowywania akumulatorka sygnał sterujący jest dzielony na rezystorach R18, R19, przez co maksymalne napięcie odniesienia, jakie może się pojawić na wejściu nieodwracającym źródła prądowego CS1 B (źródło prądowe Low-side), także wynosi 0,54 V. Źródło prądowe wraz ze wzmacniaczem operacyjnym jest tworzone przez tranzystor Q3 oraz rezystory R15 i R25 – za ich pomocą jest ustalany maksymalny prąd rozładowywania.

Wyborem źródła prądowego steruje mikrokontroler poprzez sterowanie tranzystorami Q5 i Q6. W momencie kiedy jeden z nich przewodzi, drugi jest zatkany. Tranzystor, który jest otwarty, powoduje zwarcie bramki ze źródłem tranzystora danego źródła prądowego, a tym samym wyłączenie tego źródła. Rezystory R16 oraz R17 zapewniają, że wyjścia wzmacniaczy CS1 A oraz CS1 B nie zostaną zwarte bezpośrednio do masy lub zasilania przez tranzystory Q5, Q6.

Pomiar prądu odbywa się za pomocą wzmacniacza różnicowego OACMA o odpowiednim wzmocnieniu, który mierzy spadek napięcia na rezystorze R27 lub R28. Wzmocnienie wzmacniacza różnicowego jest ustalone za pomocą rezystorów R33, R34, R40, R35, R36, R39. Aby mierzyć prąd, wejście odwracające wzmacniacza jest przełączane pomiędzy rezystorem R27 lub R28, w zależności od tego, czy akumulatorek jest ładowany, czy rozładowywany. Przełączanie odbywa się za pomocą klucza analogowego IC3, który jest sterowany za pomocą mikrokontrolera. Wejście nieodwracające jest podłączone na stałe pomiędzy rezystorami R27, R28. Na wyjściu wzmacniacza różnicowego znajduje się filtr utworzony przez rezystor R38 oraz kondensator C20. Napięcie z filtra jest mierzone za pomocą przetwornika analogowo cyfrowego mikrokontrolera. Diody Schottky’ego D2 zabezpieczają układ przed możliwymi przepięciami. 

Elementy R31 oraz C19 tworzą filtr wejściowy przetwornika ADC mikrokontrolera, za pomocą którego jest realizowany pomiar napięcia na akumulatorku. Do padu VTOADC1 należy przylutować przewód, którego drugi koniec będzie przylutowany jak najbliżej dodatniego bieguna akumulatorka. Dzięki takiemu rozwiązaniu pomiar napięcia przestaje być zależny od spadku napięcia na przewodach, którymi akumulatorek jest ładowany lub rozładowywany. Do padu BAT1+ należy przylutować przewód, którym będzie ładowany akumulatorek.

Diody LED1 i LED2 sygnalizują zakończenie ładowania lub trwanie tego procesu. Diodami sterują tranzystory T1 oraz T2, które działają w negacji w zależności od sygnału sterującego z mikrokontrolera. Tranzystor Q19 tworzy z tranzystorem T2 iloczyn logiczny zapobiegający świeceniu się czerwonej diody LED2, w momencie gdy w koszyku nie jest włożony żaden akumulatorek. Tranzystor Q19 jest sterowany za pomocą wzmacniacza w układzie nieodwracającym, wzmacniającym sygnał napięciowy zależny od wartości płynącego prądu. Rezystory R111, R112 ustalają wzmocnienie wspomnianego wzmacniacza. Wszystkie pozostałe kanały, którymi ładujemy lub rozładowujemy akumulatorki, mają taką samą budowę.

Jak wcześniej wspomniano, układ ma zabezpieczenie temperaturowe, które chroni ładowarkę przed przegrzaniem. Obwód ten bazuje na układzie IC4, który jest przetwornikiem temperatury na napięcie. Dokonuje pomiaru temperatury w zakresie od 2°C do 150°C. Przyrost napięcia wynosi 10 mV/1°C. Otrzymany w układzie przyrost napięcia jest wzmacniany za pomocą tranzystora T10. Tranzystor T9 przesuwa masę zasilania układu IC4 o spadek napięcia występujący pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T10, dzięki temu prąd płynący przez rezystor R158 zależy wyłącznie od przyrostu napięcia (ΔU/R158). Prąd płynący przez emiter tranzystora T10 wynosi (ΔT·0,01)/R158, gdzie ΔT jest przyrostem temperatury względem 0°C. Spadek na rezystorze R160 wyniesie natomiast ((ΔT·0,01)·R168)/R158. Jako że R168 i R158 oraz 0,01 V są wartościami stałymi, przyrost temperatury o jeden stopień Celsjusza powoduje spadek napięcia 0,15 V na rezystorze R160. W momencie gdy spadek napięcia jest odpowiednio duży, komparator IC1 przestaje zwierać wyjście do masy (wyjście typu otwarty kolektor) a tym samym na bramce tranzystorów Q2 i Q25 pojawia się napięcie powodujące ich zatkanie.

Tranzystor Q24 wraz z rezystorem R164 wprowadza dodatkową histerezę do układu. Dzielnik utworzony przez rezystory R162 oraz R163 ustala próg zadziałania komparatora. Obudowę czujnika temperatury należy przymocować do płytki PCB za pomocą pasty termoprzewodzącej.

Mikrokontroler sterujący pracą urządzenia to STM32F105RCT6, który jest taktowany zewnętrznym rezonatorem kwarcowym 8 MHz. Układ REF stanowi napięcie referencyjne 3 V o dokładności 0,1%, z którego jest zasilana część analogowa mikrokontrolera. Układ REF jest zasilany przez rezystor R168, który wraz z kondensatorem C62 stanowi dodatkowy filtr dla układu. Kondensatory C57, C58, C56, C55 filtrują zasilanie mikrokontrolera.

Rezystor *CALIB, w przypadku wlutowania na płytce, powoduje uruchomienie procedury kalibracyjnej panelu dotykowego, po podłączeniu zasilania do ładowarki. Rezystor R166 zapewnia prawidłowe bootowanie procesora po podłączeniu zasilania. Układ RC tworzony przez R167 oraz C61 zapewnia sprzętowy reset po podłączeniu zasilania. Złącze PRG służy do programowania oraz debugowania za pomocą interfejsu SWD. Złącze DISPLAY-CON służy do podłączenia 4-calowego wyświetlacza TFT z kontrolerem ST7796S. Wyświetlacz ma także wbudowany kontroler dotyku XPT2046. Oba kontrolery komunikują się z mikrokontrolerem za pomocą interfejsu SPI.