Cargador automático de baterías fondo

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2003
Resumen: T-044
Cargador automático
de baterías fondo - flote.
Marder, Felipe - Aquino, Carlos de J. - Lombardero, Oscar G.
Depto de Ingeniería Eléctrica - Facultad de Cs. Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
9 de Julio 1449 - 2º Piso, Laboratorio Nº 10 - (3400) Corrientes - Argentina.
Tel./Fax: +54 (03783) 423126
E-mail: fmarder@exa.unne.edu.ar
RESUMEN
El presente trabajo con el carácter de desarrollo tecnológico, forma parte del proyecto aprobado por la SGCYT de la
UNNE PI Nº 673 titulado: “Aplicaciones industriales basadas en microcontroladores”. El mismo consiste en el diseño e
implementación de un cargador de baterías, que será utilizado para energizar las UPSs, no obstante, el cargador en si
mismo constituye una unidad autónoma y podrá ser usado en forma separada. Se propone como principio de
funcionamiento del cargador el de fondo-flote con limitación de corriente. Este artículo está destinado a guiar a los
estudiantes y técnicos, en las técnicas y principios del diseño y cálculo aproximado de los valores de los componentes
circuitales.
MATERIALES Y METODOS
El circuito que se utilizará es el que se muestra en la Figura 1. Describiremos brevemente su funcionamiento.
El transformador T1, conectado a la línea de alimentación de 220 voltios entrega en su devanado secundario, una
tensión de alterna, la que es rectificada en onda completa, esta tensión continua pulsante, a través del tiristor Th1 y la
resistencia limitadora de corriente R7, cargarán la batería. El transistor Q1, será el encargado de provocar el disparo del
tiristor, cuando la batería se encuentre descargada. Este transistor junto al comparador de tensión OP1, constituyen
juntos con sus elementos asociados, el elemento de control del cargador, los que determinarán el inicio y corte del
proceso de carga, en función del estado de la batería.
Una vez completada la carga de la batería, se corta la corriente principal y queda una pequeña corriente, llamada de
flote o mantenimiento.
Figura 1
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Componentes utilizados y suposiciones simplificadoras.
La finalidad del presente cargador es cargar una batería del tipo plomo gelificado, utilizado en las UPSs, como fuente de
energía. Se utilizará para los cálculos una batería de 12 Voltios, de tensión nominal y una capacidad de 7,5
Amperes.hora o mayor. Se supondrá una corriente media de carga de 3 Amperes.
Se considerará que una batería esta completamente cargada cuando alcance una tensión de 13,6 Voltios, y descargada
cuando tenga una tensión de 12,5 Voltios o menor.
Se utilizará un transformador con una tensión secundaria de 16 Voltios eficaces como mínimo. Para asegurar el régimen
de carga propuesto, deberá proveer una corriente de 3 Amperes o más.
Se elige un rectificador en configuración puente, compuesto por cuatro diodos del tipo 1N5401 o similares.
El circuito de carga principal, está compuesto por el transformador T1, el puente de diodos PD, el tiristor Th1(TIC126D
o similar), la resistencia limitadora R7 y la batería B. El diodo Led y R6, proveen una indicación visual de la corriente
de carga.
Cálculo de los componentes:
Si el transformador provee una Vs de 16 Veficaces, a un régimen de carga de 3 Amperes, tendremos una tensión de pico
asociada de aproximadamente 22,6 Voltios, supondremos caídas de tensión en los diodos del puente de 1,2 Voltios por
diodo (recordemos que conducen de a pares, en cada semiciclo), y también en el tiristor de 1 Voltio.
Tendremos pues una tensión pico efectiva de carga de: Vp = 22,6 - 2x1,2 - 1 = 19,2 Voltios, y supondremos una tensión
de batería descargada, Bdes = 12, 5 voltios.
Esto nos permitirá calcular el valor de la resistencia limitadora R7, suponiendo una corriente media de carga,
Im = 3 Amperes.
θ1
R7 = ( 1 / Im. π )
∫
( Vp. Sen θ - Bdes ) dθ / R7 , donde los ángulos θ1 = sen-1 ( Bdes / Vp ) , y θ2 = π - θ1
θ2
Efectuados los cálculos resulta necesaria una resistencia de 0,806 Ohms.
Adoptamos R7 = 0,8 Ohms.
El cuadrado de la corriente eficaz será:
θ1
Ief 2 = ( 1 / π )
∫
( Vp. Sen θ - Bdes )2 dθ / (R7)2 , donde los ángulos θ1 = sen-1 ( Bdes / Vp ) , y θ2 = π - θ1
θ2
La corriente eficaz, correspondiente será de 4,45 Amperes. En consecuencia la resistencia limitadora deberá poder
soportar una potencia de : P = R7. Ief 2 = 0,800 x (4,45)2 = 15,84 Watts.
Trabajará bien una resistencia comercial de 15 watts del valor óhmico calculado o podremos construir una con alambre
de Nichrome de 0,80 mm. de diámetro, que tiene una resistencia aproximada de 2 Ohms/metro, serán necesarios pues
aproximadamente 40 cm, los que se bobinarán, al aire o sobre una forma de material resistente al calor, por ejemplo un
cilindro de cerámica ranurado helicoidalmente.
El circuito de disparo del tiristor, está constituido por el transistor Q1, conectado en configuración de seguidor por
emisor , alimentado por la tensión V+, y las resistencias R3, R4 y R5.
La condición de disparo del tiristor, es que la salida del comparador debe estar abierta, lo que equivale a decir que R5
queda desconectada del circuito, esto ocurre en el flanco de arranque de la corriente principal.
Para el cálculo de la resistencia R3, haremos las siguientes suposiciones:
Tensión compuerta-cátodo del tiristor aprox. 0,9 Voltios; Tensión de batería mínima : Bdes = 12,5 Voltios.
Tensión de alimentación transistor : aprox. 19,5 Voltios; Tensión colector-emisor del transistor : aprox. 2 voltios
En esas condiciones se puede calcular por malla:
R3. IR3 = (19,5 - 2 - 0,9 - 12,5) = 4,1 voltios ;
si adoptamos para IR3 una corriente de 50 mA, resulta:
R3 = 4,1 / IR3 = 4,1 / 0,05 = 82 Ohms
La tensión en el emisor de Q1, que será necesaria mas adelante será:
Ve = 12,5 + 0,9 + 4,1 = 17,5 voltios
(*)
Para el cálculo de las resistencias R4 y R5, debemos tener en cuenta que a través de ellas se alimenta también en parte
el colector del transistor de salida que está incluido dentro del comparador elegido ( en este caso el LM311, con salida
con colector abierto).
Se tomará como criterio de diseño hacer circular por ellas una corriente de 2 mA, cuando la salida del comparador se
encuentre a nivel bajo.
En esas condiciones y teniendo en cuenta que la tensión de colector saturado del LM311, es del orden de 0, 2 voltios, y
la tensión V+ = 19,5 voltios, se puede calcular la suma de R4 y R5:
R4 + R5 = ( 19,5 – 0,2 ) / 0,002 = 9650 Ohms.
Hacemos luego, R4 = R5 = 9650 / 2 = 4825 Ohms, se adopta para ambas el valor normalizado de 4700 Ohms.
Debemos ahora comprobar que con esta combinación de resistencias, el transistor se encuentre efectivamente
conduciendo o cortado, dependiendo de la salida del comparador de tensión.
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Cuando el comparador se encuentra en estado bajo, su salida esta aproximadamente a nivel de masa, en consecuencia, al
ser las dos resistencias R4 y R5 iguales, la tensión en la base del transistor estará aproximadamente a V+ / 2 = 9,75
voltios, respecto de masa.
Esto nos asegura que estará cortada su conducción, ya que aún la tensión de la batería solamente ya sería suficiente,
para polarizar en forma inversa la puerta del tiristor. (Además deberíamos agregarle las caídas, en los otros elementos
de la malla, tensión base- emisor del transistor, tensión puerta-cátodo del tiristor, etc.)
Cuando el comparador se encuentra en estado alto, como se mencionó antes, R5 se desconecta del circuito y Q1 debe
proveer la corriente de 50 mA prefijada. Suponiendo una ganancia de corriente del transistor de 200, eso hace necesaria
una corriente de base del orden de 25 uA.
En el anterior cálculo de R3, hemos analizado las tensiones en el flanco de arranque de la corriente de carga, allí se
calculó la tensión en el emisor de Q1 (ver (*) ):
Ve = 17,5 voltios
Si suponemos una caída de 0,6 voltios en la juntura base- emisor, resulta ser la tensión en la base del transistor de:
Vb = 17,5 + 0,6 = 18,1 voltios; la tensión de alimentación V+ = 19,5 voltios y R4 = 4700 Ohms, me permiten calcular
fácilmente la corriente de base de Q1:
Ib = (19,5 - 18,1) / 4700 = 297 uA.
Esta corriente excede holgadamente, la necesaria de 25 uA, en consecuencia el transistor efectivamente estará
conduciendo.
Cálculo de R1
R1 es la denominada resistencia de flote, y su finalidad es proveer una pequeña corriente de carga, en cuanto la batería
haya alcanzado la tensión prefijada de carga completa.
En esas condiciones la corriente a través del tiristor estará cortada, y la tensión de la batería estará en los 13,6 voltios.
Fijando la corriente de flote: Iflote = 30 mA, se puede calcular R1:
R1= (19,5 -13,6) / Iflote = 5,9 / 0,03 = 196,6 Ohm, se adopta R1= 180 Ohms.
Para el calculo de la etapa de control haremos las siguientes suposiciones:
-Corriente a través de los Zeners de 2 mA.
-Corriente tomada por el comparador 4 mA.
-Tensión de alimentación del comparador = 10 voltios
-Comparador con salida abierta (LM311).
-Tomaremos como tensión de batería cargada: Bcar=13,6 voltios
-Despreciaremos las corrientes en las entradas del comparador.
-Posteriormente se verá que la resistencia R11 tiene un valor muy elevado del orden de los cientos de kOhms, en
consecuencia en esta instancia se despreciará la corriente por la rama que la incluye (R9, R11,R10,Z2).
En estas condiciones la corriente que deberá circular a través de R2 será: IZ1 + IZ2 + IComp = ( 2 + 2 + 4 ) = 8 mA
La tensión de alimentación del comparador, determina el valor de Z1 :
Z1 = 10 Voltios
Ahora podemos determinar el valor de R2:
R2 = (V+ - VZ1) / IR2 = (19,5 - 10) / 0,008 = 1187,5 Ohms
Se adopta R2 = 1200 Ohms.
Elegimos Z2 aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación del comparador:
Z2 = 5,1 voltios
Ahora podemos determinar el valor de R8:
R8= (VZ1 - VZ2) / IZ2 = (10 - 5,1)/ 0,002 = 2450 Ohms
Se adopta R8 = 2200 Ohms.
Fijaremos Z3, para obtener una tensión del orden de Z2, sobre la resistencia R12.
Z3 = 7,5 voltios.
Esto nos permite calcular la resistencia R12, si suponemos que la serie R13, P1 es mucho mayor y puede ser
despreciada en el paralelo :
R12 = (Bcar - Z3)/ IZ3 = (13,6 - 7,5) / 0,002 = 3050 Ohms.
Se adopta R12 = 3300 Ohms.
Sobre R12 aparecerán los pulsos de tensión correspondientes a los de la corriente principal de carga, deberán pues
integrarse, para que el comparador funcione adecuadamente, con esa finalidad se coloca una red RC (ResistenciaCondensador), con una constante de tiempo de digamos 100 mS, unos diez ciclos de carga.
Fijando la capacidad C = 10 uF, se puede determinar R:
R = T / C = 100 mS / 10 uF = 10000 Ohms.
En consecuencia:
R = R13 = 10000 Ohms ;
C = C2 = 10 uF.
El valor del potenciómetro P1, será tal que no afecte mayormente a la constante de tiempo, y a la vez nos permite
ajustar la tensión que se aplicará a la entrada inversora del comparador.
Tomaremos para P1 un valor 10 veces mayor a R13:
P1 = 100 KOhm.
Vemos ahora que la serie entre R13 y P1 ( 110000 Ohms) puede ser despreciada frente a R12 (3300 Ohms).
Cálculo de las resistencias asociadas al comparador:
Dependiendo de que el valor de la tensión presente en la entrada inversora del comparador (proporcional a la tensión de
la batería), sea menor o mayor que la tensión de referencia presente en la entrada no inversora, la salida estará a nivel
alto o bajo respectivamente y el punto Vb tomará las tensiones de 10 voltios y 0,8 voltios ( 0,6 voltios de caída en el
diodo D2 y 0,2 voltios de la tensión de saturación del transistor de salida del comparador) respectivamente, suponiendo
que R9 sea mucho menor que la serie de R11 y R10.
La fluctuación de la tensión de la batería entre sus valores extremos propuestos será reflejada sobre la resistencia R12:
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VR12max = Bcar - VZ2 = 13,6 - 7,5 = 6,1 voltios;
VR12min = Bdes - VZ2 = 12,5 - 7,5 = 5 voltios
Si suponemos la posición del cursor del potenciómetro al 90% de su recorrido, la tensión presente será proporcional a
ese porcentaje, de esa manera las tensiones Va correspondientes sobre la entrada inversora del comparador serán:
Vamax = VR12max . 0,9 = 6,1 . 0.9 = 5,49 voltios;
Vamin = VR12min . 0,9 = 5 . 0.9 = 4,5 voltios
Cuando la salida del comparador se encuentre en nivel bajo, la tensión en el punto Vb, será igual a la suma de la tensión
de saturación del transistor de salida del comparador, mas la caída en el diodo D2 :
Vb = 0,2 + 0,6 = 0,8 voltios
La corriente que circula por R9, adicionada a la provista por R4 y R5, circularán por el colector del transistor de salida
de OP1.
Fijando la corriente que circula por R9 en 2 mA , se puede calcular R9 : R9 = ( 10 – 0,8 ) / 0,002 = 4600 Ohms.
Se adopta R9 = 4700 Ohms.
Como se adelantara anteriormente, se fijará para R11 un valor mucho mayor al de R9, digamos R11 = 100. R9
De allí resulta para R11 = 470 kOhms.
Esto además es necesario para que la corriente de realimentación del operacional sea muy pequeña respecto de la
corriente por el Zener que provee la referencia a la entrada no inversora, y de esa manera no la altere perceptiblemente.
Finalmente para el cálculo de R10, se considera la situación en que en la entrada inversora esté en Vamax=5,49 voltios
, en esas condiciones la salida de Op1 estará abierta, D2 no conducirá, y se establecerá una corriente entre la
alimentación del comparador y la tensión fijada por Z2, vía R9, R11 y R10. Además sobre la pata derecha de R10
tendremos aplicada Vmax = 5,49 Voltios. De la malla:
(10 – 5,1) V = (R9 + R10 + R11) I ; ( 5,49 – 5,1) = R10. I , conocidas R11 y R9 (fueron fijadas), se puede resolver
el sistema, resultando R10 = 41049 Ohms, se adopta R10 = 39 kOhms.
DISCUSION DE RESULTADOS - CONCLUSIONES
Algunos elementos quedaron sin dimensionar, con el fin de no exceder el espacio disponible para este artículo, por
ejemplo el cálculo de la resistencia asociada al Led. Es sin embargo un cálculo muy sencillo, ya que debemos suponer
una caída sobre R7 de 2,4 V ( 0,8 Ohms a 3 Amp), que la tensión sobre el LED será de 1,5 V aproximadamente y se le
impondrá una corriente de 3 mA. Así se obtiene para R6 = 300 Ohms, adoptándose 270 Ohms.
Para el capacitor C1 se adopta 470 uF. El diodo D2 será del tipo 1N4148, 1N914 o similar. D1 será del tipo 1N4001 o
similar. Q1 será cualquier transistor NPN de tipo universal, por ejemplo BC547, BC337, etc.
Para el comparador OP1, se utilizó el LM311, con salida a colector abierto.
La finalidad del potenciómetro P1, es ajustar el punto de corte de la corriente principal de carga.
Los parámetros de los elementos utilizados, se obtuvieron de las hojas de datos de los elementos utilizados, la mayoría
de la compañía Fairchild, bajados de Internet por medio de un buscador, poniendo simplemente el código del mismo.
( por ejemplo : 1N4148, 1N5401, TIC126D, etc.)
El prototipo de este cargador fue montado y ensayado en laboratorio, y funciona correctamente, encontrándose solo
leves desviaciones respecto de los valores calculados teóricamente. En particular se encontró que en el caso de baterías
en mal estado, el LED empezaba a encender y apagar casi inmediatamente, debido a que la batería aumentaba su
tensión rápidamente, produciendo el corte de la corriente principal; al desaparecer esta nuevamente bajaba su tensión y
el proceso volvía a repetirse.
Hay varios de estos cargadores que fueron incorporados a UPSs, las que fueron transferidas a empresas del medio y
están en perfecto funcionamiento en forma continuada.
El espíritu de este trabajo, como se citó al principio, es introducir en el tema del diseño electrónico, haciendo las
simplificaciones necesarias, para hacer realizable el proyecto, sin mayores esfuerzos de índole matemática, en realidad
con un criterio netamente ingenieril, sin perder de vista las realidades físicas involucradas.
Se insiste particularmente en aplicar criterios, cuando los datos no son suficientes, tratando así de contribuir al
pensamiento creativo y a la utilización de todos los medios al alcance para resolver los problemas cotidianos, de índole
electrónica.
BIBLIOGRAFIA.
Texas. Manual de Semiconductores. Tomo I y II.
Hojas de datos 1N4001-1N 4007. 1N4006.PDF . Fairchild Semiconductor*. Fuente: www.fairchildsemi.com
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Hojas de datos TIC126. TIC126.PDF . Power Innovations Limited. Fuente: Internet
Dalhlman;Girard,Miller,Beede,Curatolo. A Microprocesor based intelligent battery charger. Battery Conference on
Applications and Advances. Proceed of the Ninth Annual on pages: 185-190.