Jak uprościć dwukierunkowe źródło prądowe z LM358 do ładowania akumulatorów?

Wykombinowałem coś takiego:

(OT: po kiego grzyba miniatury PNG są w PNG?)

Zadaniem układu jest zamiana napięcia stałego (V4) na prąd.
Podstawowa trudność polega na tym, że napięcie ma być tylko dodatnie (co wynika z ograniczeń układu sterującego, jak i zasilania), natomiast prąd zarówno dodatni, jak i ujemny. Zerowy prąd na wyjściu odpowiada napięciu 2.5V na wejsciu, transkonduktancja wynosi 0.4A/V.
Z założenia napięcie na wyjściu będzie zawsze większe od 0V i mniejsze od napięcia zasilania.
Wzmacniacze to LM358. Napięcie sterujące z odfiltrowanego PWM.

Pytania moje:

1. Czy da się to zrobić prościej? Niekoniecznie w takim układzie. Chodzi o jak najprostsze rozwiązanie ładowania i rozładowania akumulatorów zadanym prądem. Dokładność nie musi być porażająca, myślę że nawet jakieś 20% jest akceptowalne. Ograniczenia: Pojedyncze napięcie zasilania 12-18V, napięcie sterujące z zakresu 0-5V, dostępność sygnałów umożliwiających pomiar napięcia ogniw i prądu względem jakiegoś punktu odniesienia o stałym potencjale (np. jak tu: masa i ZNO 2.5V).
Możliwe jest też rozdzielenie obwodu ładującego i rozładowującego (mogę mieć dwa źródłą napięcia sterującego), ale dobrze było by, gdyby potrzebne były tylko dwa wzmacniacze operacyjne. Mogą być też dwa obwody pomiaru prądu (osobno ładowania i rozładowania)

2. Jakieś sugestie, co by można zmienić / poprawić?

3. Czy nie będzie w tym układzie problemów ze stabilnością? Obciążenie ma charakter raczej rezystancyjny (akumulatory).

-- edit
Czy ja o czymś nie wiem, czy coś jest nie tak z tą charakterystyką częstotliwościową?
Charakterystryka z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, jak na moje oko, to wzmocnienie powinno być grubo ponad 0dB, a tu taki 'zonk'. Na wyjściu wzmacniacza operacyjnego (pierwszego) jest jeszcze gorzej (mniejsze wzmocnienie).

Z zamkniętą pętlą wygląda tak:
To akurat moich wątpliwości nie budzi, wygląda (na moje oko) całkiem przyzwoicie. Zresztą i ta będzie potrzebna, bo w założeniu układ zostanie objęty drugą pętlą sprzężenia zwrotnego (cyfrową), stąd niskie wymagania co do dokładności części analogowej.

Symulacja zmiennoprądowa robiona była w takim układzie (w symulacji w domenie czasu zachowuje się tak samo jak układ z przesuniętym poziomem "zera", ten na początku posta):

Może tu popełniłem jakiś błąd?

Można to prościej rozwiązać, nawet dużo prościej ale podaj następujące parametry:


1. Jakie akumulatory chcesz ładować (napięcia) czy pojedyńcze cele czy od razu kilka szeregowych ?

2. Rodzaj akumulatorów Ni-Cd, Ni-MH, Lion ?

3. Jaka będzie pojemność tych akumulatorów ?

4. jakim prądem chcesz je ładować ? Chodzi o wartość maksymalną jaka wystąpi w obwodzie ładowania/rozładowania ?

1. Od pojedynczej celi do 6, może 8, szeregowo.
2. Ni-Cd i Ni-MH
3. od setek do tysięcy mAh
4. do 1A.

Chyba wiem, co jest nie tak z tą charakterystyką fazową. Analiza jest małosygnałowa, a tranzystory pracują bez prądu spoczynkowego.
Wywaliłem tranzystory (bo to w zasadzie tylko wtórnik), prąd (roz-)ładowania bezpośrednio ze wzmacniacza i wyszło tylko 10 stopni marginesu fazy, a to raczej mało dobrze.
Z tym że coś i tak jest nie w porządku, bo charakterystyki z zamkniętą pętlą z tranzystorami i bez tranzystorów różnią się dość znacznie.

Jako że w układzie będzie jeszcze jedna pętla sprzężenia zwrotnego (w celu skompensowania nieliniowości przetwarzania PWM na napięcie), to kolejne moje pytanie. Która z tych pętli powinna być "szybsza" (biegun przy wyższej częstotliwości).

Właśnie się połapałem, że ten układ nie będzie w stanie rozładowywać pojedynczego ogniwa zadanym prądem :/. Trzeba by jakiś stopień wyjściowy wykombinować, który będzie w stanie "pociągnąć" napięcie bliżej masy.

Generalnie tego typu układy łatwiej budować w oparciu o przetwornicę PWM lub wogóle ładowanie impulsowe PWM. z punktu widzenia części analogowej przetworniki f/I oraz f/U są łatwiejsze do analizy, a i tak akumulator ma tendencję do uśredniania napięcia.

Więc mierząc na nim napięcie średnie masz to czego potrzebujesz.

Stopień mocy to oczywiście driver FET lub MosFET pracujący na znaną indukcyjność. Co do zakresu i ilość ładowanych ogniw to masz sprawę ułatwioną , bo przy zastosowaniu dwutorowej przetwornicy DC/DC masz możliwość dość swobodnego ustawienia dostarczanego do pakietu napięcia i prądu.

Jako sterowane obciążenie o stałym prądzie świetnie sprawdzi się BUZ11A - możesz płynnie sterować rezystancją ładowania w zakresie 0,01 OhM - infinity.

Widziałem fajną ładowarkę opartą na popularnym TL494 więc może pomyśl nad tym kierunkiem działania

Witam,
cosik wydaje mi się, iż kombinujesz niczym przysłowiowy koń pod górę...
Skoro już uparłeś się przy technice analogowej to sięgnij po programowane źródło prądu wypływającego (schematów i realizacji od liku...) z którego zasilisz mostkowy łącznik (scalony) stosowany do sterowania krokowych silników bipolarnych.
Oczywistą oczywistością (to słowa ostatnio są modne... ) jest, iż akumulator włączysz w przekątną owego mostka.
Sterowanie takiego układu jest bardzo proste i masz albo ładowanie, albo rozładowanie akumulatora wartością prądu ustaloną w/w źródle prądowym.
O sprawności takiego układu nie wspominam, ponieważ to z z daleka widać, iż będzie z tego grzałka przy większych wartościach prądu ładowania, czy rozładowania.

Pozdrawiam

Stanęło na czymś takim (sama część rozładowująca):


Zamiast V2 jest odfiltrowany PWM (zadawanie prądu rozładowania i ładowania).
W układzie jest jeszcze do tego jeden tranzystor, który zwiera bazę Q2 do masy, bo na tym samym wzmacniaczu zrobione jest jeszcze ładowanie (tam też jest zwierana baza do masy), a to po to, żeby włączać albo ładowanie, albo rozładowanie. Rezystor pomiarowy przełączany jest przekaźnikiem. Podczas ładowania włączany jest między ujemny biegun baterii a masę (sprzężenie zwrotne z rezystora pomiarowego zostaje tak jak tu). Do ładowania służy tranzystor pnp sterowany tranzystorem npn, który to z kolei sterowany jest z tego właśnie wzmacniacza.

Były problemy ze stabilnością, przy prądach powyżej ~100mA (chyba) układ się wzbudzał w okolicy 1MHz (mimo tego utrzymywał średnia wartość prądu na zadanym poziomie, no ale to nieelegancko ;]).
Problem stabilności rozwiązałem za pomocą obwodu kompensacji charakterystyki częstotliwościowej - R5, R6 i C1. Wartości są wzięte z sufitu, tak sobie symulowałem, wrzuciłem pierwsze lepsze i było dobrze, pewnie nie idealnie, ale działa skutecznie. Kompensacja zrobiona jest na zasadzie szybkości zbliżania się charakterystyk wzmacniacza i pętli sprzężenia zwrotnego, założenie jest takie, że jeżeli w punkcie przecięcia nachylenie względne charakterystyk jest <= 20dB, to układ powinien być stabilny.
Elementy te maja za zadanie ograniczenie wzmocnienia dla wyższych częstotliwości, tutaj biegun na 0Hz i zero na 4.8kHz, dla częstotliwości większych od 4.8kHz wzmocnienie ograniczone jest do około 3.3 (potem spada, ale to już wynika z charakterystyki WO).
Właściwie to mozna było to zrobić na zasadzie integratora, ale kosztem wzmocnienia dla wyższych częstotliwości, a tek przynajmnie te 3.3 jest.
Przybliżone (wystarczająco dobre) policzenie tego jest w sumie względnie łatwe. Dokładny model jest z kolei raczej mocno skomplikowany, ze względu na nieliniowości i zależnosć parametrów od temperatury (chodzi o tranzystory). Stosowne obliczenia zresztą wykonałem, ale już po fakcie.

Kompensacja była potrzebna, bo stabilizowany jest prąd, a indukcyjność przewodów skutecznie przeszkadza. Zresztą potwierdziło się to w praktyce, po podłączeniu akumulatora na bardzo krótkich przewodach układ przestał się wzbudzać.
W najgorszym przypadku, gdy rezystancja szeregowa ogniwa wynosiła by 0ohm tak skompensowany układ jest w stanie "strawić" jakieś 8.5uH indukcyjności szeregowej. W praktyce oznacza to mnóstwo metrów kabla. Tak z bardziej praktycznego punktu widzenia, 2m kabla 2x1mm^2 ma około 1.5uH.

Zaś co do mojego pytania, która z pętli powinna być "szybsza", to już doszedłem, że "zewnętrzna" powinna być wolniejsza. Tak na "chłopski rozum", to nie powinna ona przecież uaktualniać wartości wyjściowej, zanim nie ustali się odpowiedź pętli "wewnętrznej".

Jdsoul, przetwornica tutaj odpada, zresztą jedna już tam jest. Problem w tym, że jakbym chciał zrobić to na jednej przetwornicy, to dla małych prądów potrzebowałbym dużej indukcyjności i jeżeli teraz z tego samego rdzenia chciałbym wyciągnąć większy prąd, to wychodziło by na to, że potrzebny był by ogromny rdzeń, tak żeby przy małych prądach uzwojenie miało wystarczająco dużą indukcyjność, a przy dużych rdzeń się nie nasycał. Zresztą sam rdzeń (z karkasem) kosztował by tyle, co cały analogowy układ regulacji.
Co miałeś na myśli pisząc o dwutorowej przetwqornicy, bo nie załapałem?
MOSFETy, ogólnie dobry pomysł, zwłaszcza że teraz są tanie, a i prąd większy można by pociągnąć. Chociaż z tym prądem to akurat nie jest tu problem, ze względu na założenia konstrukcyjne. Próbuję sobie przypomnieć, dlaczego postanowiłem użyć tu bipolarów, ale mi jakoś nie wychodzi.

Sam PWM (z akumulatorem jako elementem "uśredniającym"), też się nie sprawdzi. Układ zrobiony jest tak, że do ładowania / rozładowania małymi prądami służy stabilizator liniowy (to co tu opisałem), natomiast dla prądów powyżej 1A jest przetwornica. Część połączeń jest współdzielona (grube ścieżki ze względu na przetwornicę) a i źródło zasilania ma dość sporą wydajność prądową (trafo Imax=10A lub akumulator samochodowy), więc coś by się mogło upalić, a i tranzystor o większym dopuszczalnym prądzie kolektora (w impulsie) był by wskazany. Tu jest BD139 / BD140. No i sam akumulator z tak dużych prądów, nawet impulsowych, raczej nie będzie "zadowolony" (będzie się wydzielać więcej gazów, większe straty na wezystancji wewnętrznej, a co za tym idzie - niepotrzebny wzrost temperatury).

Quarz, kombinuję żeby jak najtaniej wyszło, a że roboty przy tym więcej, to mi akurat nie przeszkadza.
Koncepcję mostka może i następnym razem wykorzystam, zwłaszcza że przydała by się możliwość szybkiego przełączania kierunku prądu ("rewitalizacja" ogniw Ni-Cd i kwasowych, możliwe też że Ni-MH). Tutaj takiej konieczności nie ma, jest tylko ładowanie, albo rozładowanie.
Sprawność to już swoją drogą, właśnie dlatego jest tam ta przetwornica. Założenie jast takie, że układ liniowy będzie używany przy małych prądach. Drugie założenie jest takie, że akumulator będzie rozładowywany wyłącznie małym prądem, szybkie ma być tylko ładowanie.

Reszta tego wygląda tak:
Sterowanie zrealizowane jest cyfrowo. Człon feed-forward ustala "wstępną" wartość PWM wynikającą z uproszczonego modelu układu, a jego odpowiedź jest sumowana z odpowiedzią członu całkującego sygnał błędu.
Napięcie na akumulatorze mierzone jest względem masy, a jak już wspomniałem, podczas łądowania ujemny biegun akumulatora łączony jest z masą przez reystor do pomiaru prądu. Dlatego w programie wartość napięcia podczas ładowania obliczana jest z różnicy napięcia na dodatnim biegunie i na rezystorze pomiaru prądu (ujemny biegun), dokładność jest zadowalająca. Spadek napięcia na rezytorze pomiarowym jest wzmacniany i doprowadzany na wejście ADC w procku.

Dzięki za rady i uwagi. Tematu na razie nie zamykam. Prototyp jest już poskładany i działa, wszystko wygląda na to że poprawnie, ale jakby pojawiła się jakaś "rewolucyjna" koncepcja...

Zastanawiam się jeszcze jak zrobić ładowanie metodą "burp" z wykorzystaniem przetwornicy. Problem widzę taki, że przetwornica ma kondensator na wyjściu a w tej metodzie trzeba na moment (kilka - kilkanaście ms) wyłączyć przetwornicę i pobrać przez jeszcze krótszy moment (~1ms) duży prąd z akumulatora. No i trzeba zrobić to tak, żeby faktycznie pobrać prąd z akumulatora, a nie z kondensatora przetwornicy. Jedyne co mi do głowy przychodzi to odcinanie przetwornicy od akumulatora jakimś MOSFETem.

Jeśli jedynym kryterium ma być "cena" układu to gratuluje
Nadal zostaje przecież kwestia stworzenia układu uniwersalnego.

Co do przetwornicy dwustopniowej miałem na myśli przetwornicę końcową zasilaną napięciem z przetwornicy pierwotnej, stary pomysł z kablibracją zgrubną i kalibracją dokładną, ale rzeczywiście to mocno komplikuje zasadę działania układu i jest problem z określeniem startu układu.

Jeśli chodzi o realizację ładowania typu "burp" to zdecydowanie polecam poczciwy przekaźnik, mosfet będzie miał problem z zatkamiem przy rozładowaniu dużej pojemności, a przekaźnik R15 z podwójną sekcją przełączającą , poradzi sobie wyśmienicie, czas przejścia przez brak obciążenia możesz skompensować kondesatorkiem 100 nF pomiędzy stykami, przy okazji zgasisz impuls przełączający .
Pamiętaj jednak żeby robić przełączenie krzyżowe, tzn. obciążyć wyjście przetwornicy w momencie rozładowywanie akumulatora . Po co ci duży impuls po powrocie do ładowania

Inny temat to warunki startowe, obawiam się że o automatyce nie może być tu mowy i sam musisz określić ilość i jakość oraz rodzaj ogniw ręcznie ponieważ sam pomiar napięcia ogniw może przynieść dużo strat przy szczególnie rozładowanych ogniwach.

A co do rewolucji , hmm cały czas czekam na "pomysł" zdjęcia charakterystyki czasowej ogniwa i doboru trybu odświerzenia ogniwa w zależności od jego aktualnego stanu (prąd, czas ilość cykli odświerzających, klasyfikacja "totalny trup").

Sam wiesz, że ilość cykli życiowych każdego ogniwa jest ściśle skończona, więc po co jeszcze katować ogniwa w średniej kondycji, kiedy można zadać im "trening" indywidualny

Może warto byłoby takie dane z ładowarki wyciągnąć do jakiegoś softu w PC i tam stworzyć "modele" badanych ogniw ???

Szczególnie cenne w sytuacji NOname w starszych pakietach.