EDIT1: Veja abaixo mais informações sobre sua implementação e uma viagem atual para colocar dentro ou firmemente fixada à bateria para evitar incêndios ou explosões. Só agora você viu os links.
200W de LED ... você será mais brilhante que as piras. De qualquer forma, tenha cuidado e aproveite. (ah, e, muitas vezes cometemos erros: verifique se há um pouco de fio altamente flexível conectado a cada componente em uma jaqueta, o fio de teste normal de núcleo único se soltará. O fio do fone de ouvido pode ser obtido, eu amo as coisas)
O que você deve fazer é proteger as baterias com um chip ou placa de gerenciamento da Cell. Muitas baterias de última geração, voltadas para um carro / avião / helicóptero específico, já as possuem dentro, porque é muito importante sempre e em qualquer lugar.
Pacotes baratos do eBay / Alibaba não os terão, geralmente mesmo que se diga que eles têm.
Em seguida, adicione qualquer tipo de proteção de comutação rígida a 1,5 vezes o limite da unidade de proteção.
O que esse sistema faz é medir:
- A corrente chegando ao carregar
- A corrente saindo ao descarregar
- A voltagem da célula de cada bateria
E às vezes, ou talvez até com frequência, eles também equilibram as células no final do carregamento.
Você pode fazer sua própria viagem de corrente eletrônica com um mosfet, um resistor de baixo valor e um amplificador operacional trilho a trilho. Ou um amplificador operacional duplo, se os cálculos precisarem ser um pouco mais fáceis. Apenas certifique-se de usar um carregador de balança para poder usá-lo o mais rápido possível. Infelizmente eu tenho que correr agora, senão eu poderia ter adicionado o esquema completo como um bônus.
EDIT1, Conteúdo: Primeiro, alguns comentários sobre baterias e conversores DC-DC (pule para o próximo cabeçalho, se isso o chateia, mas pode ser valioso).
Para colocar algumas coisas em perspectiva, você deve perceber que a bateria tem apenas 4,8Ah e, frequentemente, se não sempre, que o conteúdo de energia é medido com uma corrente de descarga relativamente baixa, talvez neste caso em torno de 2,4A. Se você desenhar dez vezes mais, a capacidade utilizável diminuirá visivelmente.
Mas, vamos ser otimistas e dizer que você terá um empate de 20A e manterá uma capacidade útil de 4,5Ah. Isso significa que isso durará apenas 4,5Ah / 20A = 0,225 horas = 13,5 minutos. Não posso dizer se você ficará feliz com isso, mas eu só queria ter certeza de que você tinha visto os números. E lembre-se, que 4,5Ah provavelmente será bastante otimista.
Sobre o conversor DC-DC, eu era totalmente incapaz de obter dados gráficos reais ou com falha desses dados tabulares sobre os requisitos ou especificações da faixa de entrada para saída, portanto assumirei a "eficiência mínima" declarada, embora não tenha informações se isso é com 0.2V entre entrada e saída, ou no mínimo 2V, neste último caso, o conversor poderá ter um desempenho pior quando a bateria começar a ficar sem carga.
Portanto, a partir da curva de uma bateria média de polímero de lítio, generalizarei muito grosseiramente para uma tensão média de 7,1V durante a vida útil da bateria, para facilitar os cálculos. Para obter informações: uma célula passa de 2,5V a 4,25V durante o ciclo de carga e para trás durante a descarga, as curvas e densidades exatas dependem da corrente total novamente, então isso rapidamente se torna um conjunto complexo de diferenciais, e já que é apenas um "para o seu info ", vou generalizá-lo para" digamos 7,1V em média a corrente constante ".
Considerando tudo, se o DC-DC produz 20A a 5V, é uma potência de saída de 100W. Esses 100W, na menor eficiência especificada, são 82% da potência de entrada. Portanto, a potência de entrada deve ser: 100W * (100/82) = 122W. Esteja ciente, isso significa 22W varas dentro do conversor = hawtness! Mantenha-o do lado de fora da roupa e com ventilação razoável. 122W significa: 122W / 7.1V = 17.2A. Com 4.5Ah (redução de nível, como acima), isso é 4.5Ah / 17,2A = 0,226 horas = 15,72 minutos = 15 minutos e 43,2 segundos.
Observação: você pode melhorar a eficiência em vários pontos, obtendo uma célula 3S de 11,1V, para reduzir o consumo de corrente da bateria e o conversor DC-DC mais espaço para operar com eficiência. (Ou um DC / DC diferente com um pacote de 22,2V, que realmente reduzirá o peso do empate atual no pacote, mas presumivelmente, esses não são tão acessíveis se você não estiver comprando 200 por vez).
Agora, alguns cálculos atuais de Trippy! Yay!
Agora, se você quiser estar seguro, faça uma viagem de corrente de 25A por bateria. Isso já pode aquecê-los, mesmo que eles possam tomar 140A, então prepare-se para resolver algum desconforto leve. De fato, se você fizer isso corretamente, antecipa o pior: falha na proteção e explosão e usa as baterias do lado de fora com duas ou três camadas de tecido resistente entre você e eles, possivelmente uma fina camada de tecido mais macio entre dois camadas para espalhar a pressão. Apenas uma precaução, não pode machucar, certo?
Vou percorrer os cálculos após o diagrama de circuito, usando 25A. Se você deseja 40A ou superior, por seu próprio risco, pode substituir essa corrente por 25A e percorrer os cálculos e pesquisas para encontrar seus novos componentes. (Ou, se você precisar de uma viagem de 4A com uma bateria, também é possível com as mesmas instruções).
simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab
Agora, como se isso não bastasse, há mais!
OP-AMPS:
Primeiro: Encontrar o amplificador operacional certo. É um pouco difícil, porque o fornecedor não inclui um parâmetro interessante, como uma indicação de custo (forçando você a ir e voltar entre um site de fornecedor) ou nenhuma pesquisa ampla, forçando você a mergulhar em pequenos submarinos -cathergories. Escolhi arbitrariamente a Texas Instruments. Com a estratégia "Clique no número maior até conseguir pesquisar por parâmetros". Como eu disse, essas pessoas precisam aprender um pouco sobre a pesquisa ainda.
Então eu vim aqui: Parametric pré-configurado do TI OpAmp
Eu coloquei:
- Tensão total de alimentação min <= 4.5V (bateria muito baixa)
- Tensão total de alimentação máxima> = 10V (picos de carga de pico, permita alguns volts acima da bateria Vmax
- GBW (MHz)> = 0.152 (a largura de banda de ganho é, para simplificar bastante, o ponto em que o amplificador para de ser amplificado, 152kHz ainda permite uma reação bem abaixo de 1ms, 1ms deve estar bem, por isso não precisamos de muitos MHz MHz.
- Iq (perChannel) <= 0.45mA (Esta é a corrente de fornecimento por Amp. 1/10000 da capacidade da bateria provavelmente ficará bem abaixo da autodescarga da bateria, portanto, esse valor máximo deve estar bom.
- Vos <= 3mV (Isso é bastante conservador / restritivo, mas fornece muitos resultados. Quanto mais baixo isso for melhor, mas 3mV já é decente o suficiente. Vos é, para simplificar demais, a tensão abaixo da qual o Amp pode não "perceber" a diferença de tensão de entrada. Eu escolhi um alvo de disparo de 125mV, então 3mV seria 2% ish. Consulte a opção do resistor para obter mais informações.)
Em seguida, classifiquei-o pelo custo unitário (o mais baixo primeiro) e rolei para baixo até encontrar um modelo trilho a trilho de canal duplo. Trilho a trilho significa que as saídas e / ou as entradas podem ir até a tensão de alimentação. Os amplificadores de operação normais nem sempre permitem que você vá até o fornecimento de tensão com resposta de saída confiável. O transporte ferroviário economiza muito em testes, experimentação e leitura, com apenas um custo extra máximo de 1 dólar. Eu digo: Vale a pena para esta aplicação! Especialmente porque você quer empurrar o portão do mosfet o mais forte possível (mais sobre isso adiante).
Então, eu vim para o TLC2262 com offset de 1mV, baixa corrente de polarização de entrada, largura de banda de ganho decente, etc. E a folha de dados (verifique isso sempre!) Diz claramente que a "tensão de entrada em modo comum" inclui o trilho negativo. Isso significa que o opAmp nos permitirá medir as tensões muito baixas no resistor.
RESISTOR R1:
Em seguida é o resistor de medição, R1. Optei por uma tensão de trip superior de 125mV. Quanto mais baixo você vai, menos energia você gasta. Mas, se você for muito baixo, estará obtendo valores insanos de resistores. Eu acho que, possivelmente, 5mOhm já é muito baixo para um design de bricolage, mas provavelmente há alguns com conexões confiáveis. O que você precisará é de um resistor com alguma maneira de conectar o caminho atual a dois pinos principais e conecte sua medição em dois pontos exatamente onde o resistor inicia. Porque os fios do resistor distorcerão rapidamente sua medição. Imagine um resistor de potência como este:
simule este circuito
Se você mede nas extremidades dos fios, mede mais de 9mOhm, onde espera 5mOhm, isso é quase o dobro! Assim, você conecta o opAmp o mais próximo possível do resistor real, com o mínimo de fio transportador atual entre eles.
Agora, escolhemos 5mOhm. No pico de corrente de 25A, podemos calcular a dissipação de energia do resistor, por: P = I ^ 2 * R = 25A * 25A * 0,005Ohm = 3,125W. O esquema mostra 5W para segurança.
Assumirei nos próximos cálculos que você pode obter conexões confiáveis. Caso contrário, você pode testar com um suprimento de laboratório de alta corrente (10A, por exemplo) e um multímetro decente para ver qual seria a tensão por 25A (2,5 vezes o que você mede em 10A).
Portanto, com R = 0,005 Ohm (5mOhm), podemos calcular a queda de tensão da seguinte forma: V = I * R = 25A * 0,005Ohm = 0,125V = 125mV. Nós chamaremos isso de V (r1) mais tarde.
DIODO
Então precisamos olhar para D1. Se estimarmos que a tensão em D1 é de cerca de 0,5V, podemos calcular a corrente através dela usando a tensão média estimada da bateria de 7,1V e o resistor R4, de 120kOhm .: V (r4) = Vbat - Vdiode = 7,1 - 0,5 = 6.6V. Idiodo = I (r4) = 6,6V / 120kOhm = 55uA. (é bom e baixo). Agora, para concluir corretamente os cálculos, precisamos examinar a folha de dados 1N4148. O 1N4148 da Vishay é barato, fácil de obter e muito bom para essa finalidade, por isso analisamos: 1N4148
Na página 2, na Figura 2, podemos ver qual é a tensão direta (Vdiode) para uma corrente direta. Infelizmente, o gráfico vai apenas para 100uA, mas como o diodo responde de forma agradável e suave na região inferior, aproximando-se de uma certa assíntota em 0,00001uA, podemos extrapolar sobre Vf (diodo) = 0,45V a 55uA. Parece que estávamos desligados em cerca de 50mV. Podemos manter a iteração, mas o resistor é bastante grande e a tensão ao seu redor; portanto, no balanço, estaremos "suficientemente próximos" para uma janela de disparo de 24A a 27A, por assim dizer. Na figura 1, podemos ver que o Vf (diodo) diminui com a temperatura mais alta; portanto, se as baterias aquecerem, o monitor atual será desligado mais cedo, o que soa como um bom recurso.
Função OP-AMP e matemática
Agora, o Op-Amp OA1-B (segunda parte do TLC duplo Op-Amp) é usado como um comperador. Não há feedback da saída para as entradas. Isso significa que, se a entrada negativa (-) ficar acima da entrada positiva (+), o amplificador diminuirá sua saída. Quando + é maior, o amplificador oscila alto. Portanto, se a tensão proveniente do OA1-A for marginalmente mais alta (conectada à entrada -) do que a tensão do diodo de 0,45V (conectada à entrada +), o Op-Amp desligará o MOSFET.
Por enquanto, ignore R8, R9, LED1 e Q1, no momento, eles não têm efeito suficientemente significativo.
Aí vem um pouco de matemática mágica do OpAmp para OA1-A. Um OpAmp, em sua definição mais simples (que podemos razoavelmente assumir neste caso específico de OA1-A), tenta obter sua entrada negativa (-) para obter a mesma tensão que sua entrada positiva (+), ajustando a saída.
Portanto, se o disparo de corrente for ativado, a tensão do resistor, V (r1) é 125mV, conforme calculamos antes de usar o valor do resistor e a corrente de disparo. Assumindo esse ponto, a entrada OpAmp + será 125mV maior que o terminal negativo da bateria. Agora o OpAmp tenta obter V- na mesma voltagem. Supondo que isso seja alcançado, a tensão no R2 também é de 125mV. Agora, um OpAmp não pode colocar nenhuma corrente significativa dentro ou fora de suas entradas; portanto, a corrente deve sair da saída do OpAmp através do resistor de realimentação R3. Portanto, a corrente através de R2 e R3 é (aproximadamente) a mesma.
R2 e R3 (Como uma continuação do OP-Amp Math)
Corrente através de R2 e R3:
I (r3) = I (r2) = V (r2) / R2 = V (r1) / R2 = 125mV / 7,5kOhm = 16,7uA. (V (r2) pode ser substituído por V (r1) devido ao desejo do Op-Amp de obter sua entrada - e + na mesma tensão).
Agora queremos que a saída fique igual à tensão do diodo no ponto exato de disparo, para que um pouquinho mais desligue o MOSFET. Portanto, a tensão no R3 deve ser:
V (r3) = Vf (diodo) - V (r2) = Vf (diodo) - V (r1) = 0,45V - 0,125V = 0,325V (novamente a substituição por causa do comportamento de feedback do Op-Amp).
O que fornece: R3 = V (r3) / I (r3) = 0,325V / 16,7uA = 19,5kOhm.
Portanto, a relação entre R3 e R2 é R3 / R2 = 2,6
portanto, no esquema acima, podemos substituir os valores fornecidos por quaisquer valores padrão / localizáveis que sejam um fator 2,6 à parte, porque isso manterá o mesmo equilíbrio. Mas tente manter o R2 entre 1kOhm e 10kOhm, para ficar dentro da área de baixo vazamento, mas com um sinal razoável (10uA a 150uA). 1.5kOhm e 3.9kOhm seria uma opção, ou 2.0kOhm e 5.2kOhm, ou, possivelmente, 10kOhm e 26kOhm.
POR QUE R5?
O 220Ohm R5 é apenas uma precaução. Evita que o OpAmp tente rapidamente obter uma grande corrente no gate, protegendo tanto o OpAmp que você usa quanto o MOSFET.
O MOSFET
O MOSFET: Isso é novamente um pouco complicado. Vem de anos de experiência em desenvolvimento para escolher um MOSFET de alta potência. 10 a 15 anos atrás, eu poderia ter dito "Dê uma olhada nos transistores bipolares, porque eles provavelmente são mais adequados", mas hoje em dia, para uma condução constante de alta corrente: MOSFET!
Agora, o que você deseja principalmente: Baixa resistência (R (ds) -on) nas condições de operação. Quanto maior a resistência, mais potência você estará jogando fora no MOSFET. Jogando fora o poder = não é favorável. Portanto, se você pode obter 0 em seu orçamento, obtém 0. É claro que não é possível obter 0 e, no orçamento, a constrição pode levá-lo até 3mOhm R (ds) Ativado no ideal, ou 10mOhm a 20mOhm R ( ds) Ligado com uma tensão de porta máxima obtida em cerca de 7V. Quanto maior a tensão do portão (até um limite: cada folha de dados informará em qual tensão do portão ele quebrará "V (gs) Max"), melhor. Portanto, com uma bateria 3S em vez de uma bateria 2S, você também terá uma melhor condução MOSFET.
Em seguida, você quer ter certeza de que ele pode realmente conduzir as correntes que deseja passar por ele e que possui um pacote que se sinta confortável com o resfriamento, se necessário. Nesse ponto, escolhi o retificador internacional, porque nunca comprei um MOSFET de IR e fiquei triste quando comecei a usá-lo. Para meus sentimentos, eles realmente entregam as especificações e os gráficos que fornecem, então é uma boa qualidade quando você procura aplicar altas correntes através de algo.
Então eu fui aqui: Tabela Retificador Internacional "StrongIRFET"
Agora, o RI tem séries diferentes, e outra série pode muito bem oferecer opções mais acessíveis do que eu, mas deixarei algumas pesquisas (neste momento em que tenho 3 horas) para você :-). Gostei das minhas chances com o nome "StrongIRFET" e os resultados não decepcionaram.
Então, classifiquei por R (ds) Ativado, porque você precisa escolher algo e, nesse caso, é tão bom quanto qualquer outro.
Então, rolei para baixo para encontrar um pacote legal, com 20 anos de experiência violinista, meus olhos filtram os nomes dos pacotes quase instantaneamente em "This is SMD", "This is Through Hole" e "This is Bonsense" (e muitas subcategorias) . Mas, para fazer um guia pequeno e bruto, se ele disser "TO2 **?", Onde * são números e? ou não está presente ou é uma carta, é muito provável que seja um pacote de orifício passante com um bom orifício para montá-lo em um pedaço de metal, para se livrar do calor. Estes, para pessoas que começam com MOSFETS, são provavelmente a sua melhor escolha. Clique em uma delas, verifique a folha de dados, verifique o preço da mouser, verifique se você alcançou um equilíbrio de felicidade entre $$$ e HAWT-HAWT-HAWT. Quão? Fácil! ...- ish.
O exemplo MOSFET: IRFP7430 . Na folha de dados (<- clique ), na página 2, diz algo bastante impressionante. A segunda tabela (para 25 graus C), terceira linha, R (ds) On é 1,2 mOhm com Id = 50A e Vgs = 6V. Isso parece atingível! Mas, no design da eletrônica, você é forçado a ter uma vida de pessimismo, por isso procuramos gráficos. Os gráficos são nossos amigos.
Na página 4, compare a Fig. 3 e a Fig. 4. Se estiver mais quente, ele sai dos gráficos de inversão! Bem, há algumas coisas acontecendo lá, nas quais não vou entrar, mas basicamente, se usarmos o gráfico para 25 graus C, provavelmente está tudo bem.
Assim. Assumimos que a tensão mais baixa da bateria é de 5V, então V (gs) estará próximo da marca de 4,8V. De fato, o pessimismo novamente nos leva a usar a curva de 4,8V (uma acima da inferior). A Figura 3 mostra-nos que em 20A, no pior cenário, estaremos "caindo" em 0,25V. Isso é muito! Mas lembre-se, neste caso, a bateria já está praticamente vazia, portanto não demorará muito.
Calculando a potência perdida: P = I * V = 20A * 0,25V = 5W. Então você precisará de um dissipador de calor ou outro pedaço de metal para se livrar de um pouco do calor.
Agora, durante a "operação média", com 7.1V, o V (gs) provavelmente alcançará perto de 6.8V. Como 6.0V e 7.0V não estão tão distantes no gráfico, estimaremos a meio caminho entre eles. Problema. A corrente versus tensão está fora da nossa faixa do limite superior de 25A.
Mas, podemos fazer uma estimativa de que, com a escala logarítmica de ambos os eixos e um comportamento ligeiramente sub-linear a 25A, a queda de tensão será de cerca de 55mV. Faço isso usando uma régua e um pouquinho de interpolação cérebro-humano (os artistas chamam isso de imaginação, mas acho que parece insípido). Portanto, em sua área operacional média de corrente de disparo, ela se dissipará: P = V * I = 0,055V * 25A = 1,38W. Isso é melhor do que o minúsculo resistor eensy weensy que escolhemos. Impressionante!
Então, agora para a mouser (apenas uma indicação): IRFP7430PBF
Ugh! $ 6,86? Pode ser aceitável, mas ainda assim, PRÓXIMO! (a propósito, você pode fazer a mouser primeiro se tiver um orçamento apertado, economizar muitos gráficos, mas, por um exemplo decente, escolhi fazê-lo da maneira errada).
Próximo MOSFET: irfp7537
Parece bom e musculoso. Aprendemos com o nosso erro, primeiro na mouser.
Mouser: IRFP7537PBF
Hum, US $ 3,22. Muito melhor.
Agora os gráficos, clique no link acima para a folha de dados (depois de "Próximo MOSFET"). Comparando a Figura 1 deste com a Figura 1 do anterior, já está claro por que esse é metade do custo. É o dobro da resistência! Ainda assim, alguns cálculos rápidos usando os métodos exibidos anteriormente:
Bateria ultra baixa, V (gs) = 4,8V, estimada a meio caminho entre a linha de 4,5V e 5,0V, pior caso em 20A: V (ds) = 0,25V. Feno! Mesmo! Portanto, esses MOSFETs têm alguns pontos em comum. Então, novamente, adicione metal.
Bateria média: V (gs) = 6,8V, gráfico em algum lugar entre 6.0V e 7.0V. Desta vez, a borda está em 30A com 0,1V, então 25A provavelmente está em torno de 0,08V em vez de 0,055V. Portanto, com este, a dissipação média da corrente de disparo é: P = 0,08V * 25A = 2W. Ainda menos que o resistor!
Portanto, você também pode escolher o segundo, porque o conversor DC / DC, os fios, o resistor interno da bateria e o resistor de medição juntos ainda gastam muito mais energia do que o seu MOSFET.
R6, R7, R8, R9, Q1, SW1
Agora, há apenas um problema a ser corrigido: uma vez que a corrente é disparada, o MOSFET desliga, isso é bom. Mas, então não há mais corrente. Portanto, o Op-Amp OA1-A volta ao modo "sem sobrecorrente medida". Isso significa que o Op-Amp OA1-B liga novamente o MOSFET. Mas muito rapidamente. No intervalo de frações de um milissegundo. Assim, começaria a oscilar e a limitar efetivamente a corrente continuamente, mas aumentando rapidamente o calor no MOSFET.
Para resolver isso, Q1 e alguns resistores são lançados como "memória". Se o Op-Amp OA1-B ficar baixo, para desligar o MOSFET, o transistor Q1 será ligado. Q1 então gera corrente no negativo do Op-Amp OA1-B e no LED através de R9. O R8 garante que o Op-Amp OA1-A não seja incomodado com isso (já que o OA1-A deseja que sua saída seja 0V).
Essa situação significa que o Op-Amp OA1-B continua vendo uma tensão muito mais alta na entrada - do que na entrada +, mantendo a saída baixa e o MOSFET desligado. Além disso, o LED acende para notificá-lo: "Acionei uma sobrecorrente!". (Use um LED de baixa corrente ou alto brilho, pois escolhi manter a corrente pequena).
Agora, se você pressionar SW1, conectará a base do Q1 à bateria +, desligando o transistor e redefinindo o esquema para o estado normal. A menos que a sobrecorrente ainda esteja lá, nesse caso, pressionar o interruptor causará a oscilação descrita anteriormente. Portanto, é uma boa idéia não manter o botão pressionado por muito tempo, apenas por precaução.
NOTA1: É possível que o sistema entre no Q1 estando ligado na primeira conexão da bateria, basta pressionar rapidamente o botão para corrigir isso.
NOTA2: Você também pode carregar a bateria através do MOSFET em circunstâncias ideais, mas para evitar causar comportamentos estranhos nos amplificadores operacionais, é melhor carregar a bateria diretamente, sem esse esquema de comutação no meio.
SEM RESUMO ...... ESTOU CANSADO AGORA! São 6:10 da manhã novamente.
Eu estava planejando resumir todas as fórmulas, mas, já que estou com mais de 5 horas neste post, acho que deixarei isso para o leitor.