Woord vooraf In dit werk staat het ontwerpen van een batterijlader centraal. Er wordt daarom ook een hoofdstuk gewijd aan het vergelijken van verschillende types batterijen. In dit eindwerk wordt niet de chemische samenstelling van batterijen onderzocht, vooral de manier van laden en ontladen is belangrijk. Er worden natuurlijk ook andere belangrijke eigenschappen van de verschillende batterijen besproken. De batterijlader is stap voor stap uitgewerkt, hoe de oplossing tot stand is gekomen.
Samenvatting In dit eindwerk wordt een batterijlader ontwikkeld om batterijen te laden voor testen te kunnen doen met afgewerkte veiligheidsverlichtingsarmaturen. Bij het ontwerpen van de batterijlader moet er rekening worden gehouden dat de arbeider het toestel op een eenvoudige manier moet kunnen bedienen. De arbeider moet maar twee dingen instellen, op de startknop drukken en het laden begint. De laadstroom en spanningsgrens worden gecamoufleerd met respectievelijk capaciteit en aantal cellen. De capaciteit van een batterij wordt door de fabrikant vermeld op het batterijpak zelf (en zal in de toekomst gestandaardiseerd zijn) en het aantal cellen kan de arbeider tellen.Het maximum aantal cellen dat geïmplementeerd zal worden in een veiligheidstoestel is 5, de toestellen worden te groot, te zwaar en te duur voor de klant bij het gebruik van meerdere batterijcellen. De batterijlader zal gespecificeerd worden voor nikkel cadmium (NiCd) en nikkel metaalhybride (NiMH) batterijen. Ook wordt voorzien dat er geëxperimenteerd kan worden met andere types batterijen zoals de Li – ion batterij. Minder gebruikte batterijen zoals lood – zuur batterijen worden slechts kort besproken en vergeleken met de andere. De batterijlader moet dus flexibel zijn naargelang het type batterij, de capaciteit en het aantal cellen De batterijen die door ETAP NV worden gebruikt, worden met een constante stroom, waarvan de grootte afhankelijk is van de capaciteit van de batterij, geladen tot de spanning over de batterij een bepaalde waarde, afhankelijk van het aantal batterijcellen, heeft bereikt. Verschillende mogelijkheden worden besproken, zoals: -
constante stroombron met transistor constante stroombron met spanningstabilisator constante stroombron met opamp
De spanningsdrempel welke afhankelijk is van het aantal cellen, wordt vooral belangrijk bij de detectie die er uiteindelijk voor zorgt dat het laden stopt indien de batterij vol is. In normale omstandigheden wordt de batterij niet volledig volgeladen maar slechts voldoende geladen om de veiligheidsarmaturen in hun gehele werking te testen. Na deze tests mag de batterij volledig ontladen zijn, ze wordt immers volledig geladen nadat de veiligheidsarmatuur geïnstalleerd is.
Inhoudsopgave Woord vooraf..............................................................................................................................1 Samenvatting ..............................................................................................................................2 Inhoudsopgave..........................................................................................................................3
I Situering van het stagebedrijf en de stageopdracht ...................................... 6 1 Situering van het stagebedrijf ..................................................................................................6 2 Situering van de stageopdracht................................................................................................6 3 Stageopdracht ..........................................................................................................................7 4 Veiligheidsverlichting .............................................................................................................7 4.1 Definitie ................................................................................................................................7 4.2 Waarom veiligheidsverlichting?...........................................................................................7 4.3 Praktische problemen bij de controles..................................................................................8 4.4 De automatisch testen...........................................................................................................8 4.5 Belangrijke begrippen ..........................................................................................................8 4.5.1 Veiligheidsverlichting en signalering................................................................................8 4.5.2 Centrale en decentrale back-up systemen..........................................................................9 4.5.3 Permanente en niet-permanente veiligheidsverlichting.....................................................9 4.5.4 Responsietijd .....................................................................................................................9 4.5.5 Autonomie .........................................................................................................................9 4.5.6 Spanningsgrenzen..............................................................................................................9 4.5.7 Afstandsbediening ...........................................................................................................10 4.5.8 Testdrukknop ...................................................................................................................10 4.5.9 Auditief signaal ...............................................................................................................10 4.5.10 Ompoolbeveiliging en laden van een batterij ................................................................10 4.5.11 Potentiaalvrij contact .....................................................................................................10 4.6 Automatisch testen .............................................................................................................11 4.6.1 Algemeen.........................................................................................................................11 4.6.2 Basic safety test (BST) ....................................................................................................11 4.6.3 Autmatic safety test (AST) ..............................................................................................11 4.6.4 Safety supervisor .............................................................................................................12 4.6.5 Safety manager ................................................................................................................12
II Batterijen........................................................................................................ 13 1 Algemeen...............................................................................................................................13 2 Primaire batterijen versus secundaire batterijen....................................................................13 3 Begrippen ivm batterijen .......................................................................................................14 3.1 Oplos/ neerslag - reactie .....................................................................................................14 3.2 Positieve elektrode begrenzing...........................................................................................14 3.3 Capaciteit ............................................................................................................................14 3.4 Laadstroom .........................................................................................................................15 3.5 Overladen en diepontladen .................................................................................................15 3.6 Spanningsterugval ..............................................................................................................15 3.7 Batterijpak en batterijcel.....................................................................................................15 3.8 Ompoolbeveiliging en laden van een batterij .....................................................................16 4 Nikkel metaalhybride (NiMH) en Nikkel cadmium (NiCd) batterijen .................................17 4.1 Algemeen............................................................................................................................17 4.2 NiMH laden en ontladen ....................................................................................................17 4.3 NiCd laad- en ontlaad reactie .............................................................................................18 4.4 Overladen en diepontladen bij NiCd en NiMH batterijen..................................................19 4.4.1 Overladen ........................................................................................................................19
4.4.2 Diepontladen....................................................................................................................20 5 Andere batterijen ...................................................................................................................21 5.1 Li - ion batterijen ................................................................................................................21 5.1.1 Het werkingsprincipe.......................................................................................................21 5.1.2 Gevaren en beveiliging....................................................................................................21 5.2 Li - polymeer batterijen ......................................................................................................22 5.3 Lood - zuur batterijen .........................................................................................................22 6 Gebruikte batterijen voor noodenergie ..................................................................................23 6.1 Voorkeur voor decentrale systemen ...................................................................................23
III Batterijlader ................................................................................................. 25 1 Vereisten voor de batterijlader ..............................................................................................25 1.1 Doel ....................................................................................................................................25 1.2 Instelbaarheid .....................................................................................................................25 1.3 Het blokschema ..................................................................................................................26 1.3.1 Algemeen.........................................................................................................................26 1.3.2 De verschillende subblokken...........................................................................................26 2 De voeding.............................................................................................................................29 2.1 Algemeen............................................................................................................................29 2.1.1 Blokschema .....................................................................................................................29 2.1.2 Functieverklaring.............................................................................................................29 2.2 Tijdbegrenzing....................................................................................................................29 2.3 Voeding van de vermogenkring .........................................................................................30 2.3.1 Vereisten..........................................................................................................................30 2.3.2 Lineaire transformator .....................................................................................................30 2.3.3 Geschakelde voeding.......................................................................................................35 2.4 Voedingen van de stuurkring..............................................................................................40 2.4.4 Vereisten..........................................................................................................................40 2.4.5 IC – voeding (5 V)...........................................................................................................40 2.4.6 Temperatuursongevoelige spanning ................................................................................40 3 De stroombron .......................................................................................................................41 3.1 Algemeen............................................................................................................................41 3.1.1 Blokschema .....................................................................................................................41 3.1.2 Laadmethode ...................................................................................................................41 3.1.3 Gebruikte batterijen .........................................................................................................42 3.2 Vereisten van de stroombron..............................................................................................42 3.2.1 Drie verschillende principes ............................................................................................42 3.2.2 Constante stroombron met transistor...............................................................................42 3.2.3 Constante stroombron met spanningstabilisator..............................................................43 3.2.4 Constante stroombron met operationele versterker (opamp) ..........................................44 3.2.5 De voorkeur .....................................................................................................................45 3.3 Uitwerking van de stroombron ...........................................................................................46 3.3.1 Algemeen.........................................................................................................................46 3.3.2 Instellen van de stroom....................................................................................................46 3.3.3 Werkgebied nauwkeuriger maken. ..................................................................................47 3.3.4 Aansturen van meerdere transistors.................................................................................48 3.3.5 De laadblokkering............................................................................................................49 3.3.6 De totale stroombron .......................................................................................................49 3.3.7 Berekeningen ...................................................................................................................51 3.3.8 Simulaties en grafieken ...................................................................................................52 4 Meten en signalisatie .............................................................................................................56
4.1 Algemeen............................................................................................................................56 4.1.1 Blokschema .....................................................................................................................56 4.2 Vereisten.............................................................................................................................56 4.3 Werkingsprincipe ...............................................................................................................57 4.4 Spanningsreferentie ............................................................................................................57 4.4.1 Schema ............................................................................................................................57 4.4.2 Berekeningen ...................................................................................................................59 4.5 Controle ..............................................................................................................................61 4.5.1 Schema en berekening .....................................................................................................61 4.6 Signalisatie .........................................................................................................................62 4.6.1 Schema ............................................................................................................................62 4.6.2 Fout of vol indicatie.........................................................................................................62 5 Praktische realisatie ...............................................................................................................63 5.1 Algemeen............................................................................................................................63 5.2 Een mogelijkheid................................................................................................................63 5.2.1 De instellingen.................................................................................................................63 5.2.2 De voedingen...................................................................................................................63 5.2.3 De stroombron .................................................................................................................63 5.2.4 Batterij – en testkring ......................................................................................................63 5.2.5 Signalisatie ......................................................................................................................65 Nawoord ...................................................................................................................................66 Dankwoord ...............................................................................................................................66 Bibliografie...............................................................................................................................66
Bijlagen............................................................................................................... 67 bijlage 1: NiCd batterij .............................................................................................................68 bijlage 2: NiMH batterij ...........................................................................................................93 bijlage 3: Li – ion batterij .......................................................................................................106 bijlage 4: TOPSwitsch ............................................................................................................115
I Situering van het stagebedrijf en de stageopdracht 1 Situering van het stagebedrijf ETAP N.V. is een bedrijf dat verlichting en veiligheidsverlichting ontwerpt, produceert en verkoopt. ETAP NV is gevestigd in de industriezone van Oostmalle op volgend adres ETAP N.V. Antwerpsesteenweg 130 2390 Malle Verdere contactgegevens zijn: Tel 033100211 Fax. 033116142
[email protected] Het zusterbedrijf vervaardigt boten en is vlakbij gevestigd. Dit bedrijf is verder niet bij de stageopdracht betrokken.
2 Situering van de stageopdracht Mijn stage heb ik gelopen in de afdeling veiligheidsverlichting. Daar ontwerpt mijn stagebegeleider, Gert Huysmans, nieuwe veiligheidstoestellen. Om deze te kunnen testen na productie heeft men geladen batterijen nodig. Er is al een batterijlader aanwezig die de aangekochte batterijen, die in ontladen of weinig geladen toestand toekomen, laad. Ware het niet dat de batterijen, die momenteel gebruikt worden, nikkel (NiCd) cadmium batterijen zijn. Deze lader is niet flexibel genoeg en moet er dus een nieuwe lader ontworpen worden. Cadmium is een zwaar metaal en zeer giftig. Aangezien de mens steeds milieubewuster wordt, is er een norm in de maak waarin de cadmium uit batterijen gehaald moet worden. Tegen 2008 wordt verwacht dat er effectief een norm hier over zal bestaan. Om deze norm een streepje voor te zijn, wordt er preventief een oplossing gezocht. De NiCd batterij moet dus vervangen worden door milieuvriendelijkere types.Een nieuwe batterij betekent ook een nieuwe laadmethode en dus een nieuwe batterijlader.De batterijlader wordt zo universeel mogelijk gemaakt om een vlotte overschakeling naar verschillende nieuwe batterijtypes te bekomen.
6
3 Stageopdracht Het is de bedoeling dat met de lader zowel NiCd als NiMH batterijen kunnen geladen worden. Er is momenteel slechts één toestel op de markt van ETAP NV dat zijn noodenergie verkrijgt uit een NiMH batterij. Al de andere toestellen zijn nog niet aangepast en moeten hun noodenergie uit een NiCd batterij halen. In de toekomst zal elk toestel met een NiMH batterij uitgerust worden. Als de kostprijs van een Li – ion batterij daalt dan zal deze ongetwijfeld ook gebruikt worden. Er moet dus elektronica voorzien worden om zowel NiCd als NiMH batterijen te kunnen laden. Er wordt ook voor gezorgd dat, indien ETAP NV het wenst, de elektronica kan worden uitgebreid of aangepast om Li – ion (of andere) batterijen te kunnen laden. Het blijkt hieruit duidelijk dat de batterijlader zeer flexibel moet zijn. Batterijtype, capaciteit en het aantal cellen moeten instelbaar zijn met keuzeschakelaars. De vereisten voor de batterijlader worden in hoofdstuk “batterijlader” opgesomd.
4 Veiligheidsverlichting 4.1 Definitie Veiligheidsverlichting is verlichting die start met oplichten of blijft oplichten als de gewone verlichting door het wegvallen van de netspanning uit gaat. 4.2 Waarom veiligheidsverlichting? Bij het wegvallen van de kunstmatige verlichting moet elke mens in staat zijn om een gebouw veilig te verlaten. D.w.z. dat elke vluchtweg en uitgang voldoende verlicht en aangegeven moet zijn. Daarom is het ook vereist dat de veiligheidsverlichting doelmatig en bedrijfszeker werkt. Bij het gebruik van veiligheidsverlichting zijn: -
de vluchtwegen makkelijker te vinden. obstakels gemakkelijker te vermijden.
Om de bedrijfszekerheid te garanderen moet het toestel met goede componenten zijn uitgerust. Ook moet de werking en autonomie regelmatig worden gecontroleerd. De levensduur van de componenten bepaalt de levensduur van het gehele toestel. Deze levensduur is afhankelijk van: -
de plaats van installatie. de omgevingstemperatuur de vochtigheidsgraad
Ondanks deze factoren moet men toch een permanente veiligheid kunnen garanderen. Hiervoor moet men regelmatig (minstens éénmaal per jaar) de werking en de
7
autonomie van de Veiligheidsverlichting controleren. De lamp moet branden bij deze test, zo niet moet deze vervangen worden. Om te garanderen dat de lamp nog gedurende een bepaalde tijd kan branden, moet ook de batterijcapaciteit getest worden. 4.3 Praktische problemen bij de controles. -
men moet controles buiten de werkuren doen omdat er dan niemand aanwezig is. De testen kunnen immers hinderlijk zijn tijdens de werkuren. maar buiten de werkuren is er niemand om een manuele controle uit te voeren. na de tijd dat de autonomie is verstreken, is het moeilijk visueel te bepalen welke toestellen nog goed functioneren. Zeker als de toestellen ver van elkaar zijn geïnstalleerd.
Kortom: Een manuele/visuele(*) controle om veiligheid te garanderen, kost veel te veel geld. (*) manuele/visuele controle: dit is een niet-automatische controle. Dwz dat er een werknemer rondloopt en elk toestel één voor één gaat controleren. 4.4 Automatisch testen Het gebruik van microprocessoren heeft het voordeel dat controles op de veiligheidsverlichting automatisch kunnen gebeuren. De microprocessor wordt gecombineerd met een klok om zo periodiek een spanningsonderbreking te simuleren. Als de spanning is onderbroken, zal de microprocessor het toestel analyseren, zowel de werking als de autonomie. Indicatie gebeurt via LED’ s op het toestel zelf of via een bussysteem op de computer. 4.5 Belangrijke begrippen 4.5.1 Veiligheidsverlichting en signalering -
Veiligheidsverlichting: dit is de verlichting die bij normale omstandigheden gaat functioneren als de netspanning wegvalt. Veiligheidssignalering: dit is signalering die verlicht blijft op het moment dat de normale verlichting wegvalt (doordat de netspanning wegvalt) zodat vluchtwegen en eerste hulp apparatuur makkelijker worden gevonden.
8
4.5.2 Centrale en decentrale back-up systemen Centraal back-up systeem: hierbij wordt de veiligheidsverlichting vanuit één centraal punt gevoed bij het wegvallen van de spanning. Figuur 9.1 Veiligheidsverlichting met centraal backup energie
Decentraal back-up systeem: hierbij is elk armatuur uitgerust met zijn eigen energievoorziening. Figuur 9.2 Veiligheidsverlichting met decentraal back-up energie Het voordeel bij het decentrale systeem is dat de kans op falen van het gehele systeem aanzienlijk kleiner is. Als de batterij van het centrale systeem niet goed meer werkt, zal elke veiligheidsverlichting (die daar op aangesloten is) een beperkte autonomie hebben. Bij het decentrale systeem is dat toestel (batterij) afhankelijk 4.5.3 Permanente en niet-permanente veiligheidsverlichting -
Permanente veiligheidsverlichting: deze veiligheidsverlichting wordt verondersteld altijd te branden, al dan niet in aanwezigheid van de netspanning. Niet-permanente veiligheidsverlichting: hierbij zal de veiligheidsverlichting enkel oplichten als de netspanning wegvalt.
4.5.4 Responsietijd Dit is de overgangstijd die de veiligheidsverlichting nodig heeft om de netspanningonderbreking te detecteren, aan te schakelen en tot een nominaal lichtniveau te komen. Die tijd moet zo kort mogelijk zijn en is gespecificeerd in de norm. Voorbeeld: de toestellen van het decentrale systeem hebben doorgaans een detectietijd van maximum twee seconden. De Responsietijd is afhankelijk van het toestel. 4.5.5 Autonomie Dit is de minimum tijdspanne waarbinnen de decentrale veiligheidsverlichting een opgegeven lichtsterkte geeft na het wegvallen van de netspanning. Een autonomie van één uur is in de meeste gevallen voldoende, maar er zijn ook toestellen met 2 of 3 uur autonomie. Men kan stellen dat het over de totale werkduur gaat van de veiligheidsverlichting. 4.5.6 Spanningsgrenzen De norm zegt dat, als de netspanning onder 60% van zijn nominale waarde komt, het veiligheidstoestel in werking moet zijn. Zolang de netspanning boven de 80% van
9
zijn nominale waarde is, mag het veiligheidstoestel niet in werking zijn. Er is een grijze zone tussen 60% en 80% waartussen het toestel moet schakelen. Bij een decentraal veiligheidsverlichting systeem is de nominale werkspanning (*): 230V – 50Hz met grenzen van 207V en 245V om storingen van het net op te vangen. (*) De spanning die wordt gecontroleerd (= netspanningdetectie) en welke de batterijlader gebruikt om de batterij te laden. 4.5.7 Afstandsbediening Via twee pilootdraden is het mogelijk om de armaturen van op afstand aan- en uit te schakelen. Zo kan het armatuur in de restmode (rustmode) gezet worden. Voorbeeld: in Frankrijk is het verplicht om in elk bedrijf ‘s nachts de spanning uit te schakelen. Om het leeglopen van de batterij (en op die manier de prestatie van de batterij) tegen te gaan, worden deze veiligheidstoestellen ‘s nachts uitgeschakeld. Het is dan handig dat alles op afstand kan worden geschakeld. 4.5.8 Testdrukknop Dit is een drukknopje waarmee een netspanningonderbreking kan worden gesimuleerd en dient om de lamp visueel te kunnen controleren. 4.5.9 Auditief signaal Een signaal dat gegeven wordt door de microprocessor bij een defect van het desbetreffende armatuur, noemt men een auditief signaal. 4.5.10 Ompoolbeveiliging en laden van een batterij -
Ompoolbeveiliging: het ompolen(*) van de batterij heeft een nadelige invloed op de levensduur van de batterij. De armaturen zijn daarom van elektronica voorzien die de batterij tegen het ompolen beveiligt. Laden van een batterij: het laden van een batterij moet zo snel als mogelijk gebeuren. Bij rust (niet laden of ontladen) moet men de zelfontlading tegenwerken. Voor NiCd batterijen is het beste om een minieme druppellading (constant herladen) te voorzien. En bij de NiMH en Li-ion batterijen is het beter om éénmaal per dag een korte, krachtige herlading te voorzien.
(*) Ompolen is het verkeerd of omgekeerd polariseren van een batterijcel in een batterijpak of van het gehele batterijpak. 4.5.11 Potentiaalvrij contact De armaturen kunnen worden uitgerust met een potentiaal vrij foutmelding contact. Het contact is geschikt voor spanningen tot 28V en stromen tot 0,1A. Via twee pilootdraden is het mogelijk op deze manier de toestand van het desbetreffende armatuur te controleren vanuit een centrale plaats. Het is ook mogelijk om dit contact in combinatie met een bussysteem te voorzien zodat het mogelijk is om een continue bewaking vanuit een centrale plaats te doen.
10
4.6 Automatisch testen 4.6.1 Algemeen Het is een absolute noodzaak dat de armaturen bedrijfszeker zijn. Daarom moeten er regelmatig controles worden uitgevoerd. Als die controles handmatig gebeuren, wordt het een tijdrovende en dure bezigheid. Het is veel efficiënter om een geautomatiseerde controle te doen. 4.6.2 Basic safety test (BST) De microcontroller voert dankzij een klok maandelijks controles uit op het volledige armatuur en de batterij. De klok herstart na elke netspanningonderbreking. Als de werking of autonomie faalt, wordt er enkel een foutmelding gegeven d.m.v. één ledje (fout of geen fout). 4.6.3 Autmatic safety test (AST) De AST+ - microprocessor voert op geprogrammeerde tijden testen uit. Onmiddellijk na het installeren, initialiseert en test de microcontroller het desbetreffende armatuur. Met de precisie van de ingebouwde kwartsklok worden er daarna periodieke testen uitgevoerd. -
Dagelijks testen: de goede werking van alle belangrijke componenten wordt getest dmv een 20 seconden durende functietest. Wekelijkse testen: de goede werking van alle belangrijke componenten wordt getest dmv een 2 minuten durende functietest. Kwartaal testen: grondige test van het hele armatuur en in het bijzonder van de batterijen of ze nog genoeg lading bezitten om in een noodsituatie een volledige autonomie te garanderen.
De LED ‘s op het armatuur geven een visualisatie van de toestand van de werking. Bijvoorbeeld: een groene LED betekent dat bij de laatste controle geen fouten zijn gedetecteerd. Een combinatie van rode LED’ s (in de nieuwe modellen worden gele LED’s gebruikt) duiden een fout aan (zie tekening).
Figuur 11.1 Indicatieled’s van een veiligheidstoestel -
De volgorde van LED’s is van links naar rechts: groen, rood, rood. Het laatste bolletje stelt de testknop voor Rood links: lamp fout Rood rechts: batterij fout Rood links en rechts: mechanische fout
11
4.6.4 Safety supervisor Alle armaturen geven via LED’ s de toestand van het armatuur lokaal aan. Onderling kunnen de armaturen gekoppeld worden aan een centraal systeem. Met de testknop op het veiligheidsverlichtingsarmatuur is het mogelijk, na het installeren van een nieuwe lamp, de lamp te testen. De safety supervisor is een eenvoudig controlesysteem dat een groep armaturen beheert. Het bestaat uit: -
armaturen met een afstandsbediening en een potentiaalvrij contact. een centrale bediening die schakelt of testbevelen oplegt via gecodeerd schakelen. een centrale controle die een goed/ fout indicatie geeft dmv een LED groep per armatuur.
Figuur 12.1 safety supervisor
Figuur 12.2 safety supervisor
4.6.5 Safety manager De safety manager is een intelligent controle- en besturingsysteem dat een groep armaturen beheert en met elk armatuur apart kan communiceren. Het bestaat uit: -
armaturen voorzien van een bussysteem specifieke hardware specifieke software
Het is mogelijk om met de safety manager gegevens te verzamelen, grafieken te tekenen, enz. Kortom het is een optimaal beveiligingsysteem.
Figuur 12.3 safety manager
12
II Batterijen 1 Algemeen Ongeveer tweederde van de wereldconsumptie van cadmium wordt gebruikt voor de productie van NiCd- batterijen (tussen de 16.000 en 18.000 ton in de laatste 30 jaar). Hiervan wordt driekwart gebruikt voor de kleinere batterij types voor bijvoorbeeld huishoudelijke toepassingen, veiligheidsverlichting, enz. Een vierde wordt gebruikt voor industriële toepassingen, meestal als back-up systemen. Bijvoorbeeld in ziekenhuizen, belangrijke netwerken, vliegtuigen, enz. Aangezien cadmium (Cd) een zwaar metaal is, wil men tegen 2008 alle NiCd batterijen vervangen. Voor draagbare toestellen is dat niet zo een probleem maar wel voor andere systemen zoals veiligheidsverlichting, back-up systemen (in een ziekenhuis), belangrijke netwerken, enz. Er zijn verschillende redenen voor: -
de technici die instaan voor de back-up energie moeten nieuwe technieken leren. de batterijen hebben meestal een grote omvang de batterijen staan stevig geplaatst op een centrale plaats
Niet alleen NiMH batterijen zijn verwezenlijkt maar ook Li - ion en Li – polymeer(*) batterijen zijn al ontwikkeld als prototype. Ook wordt er nog verder gezocht naar andere alternatieven voor de NiCd batterij. Voor sommige toepassingen, zoals GSM, laptop, enz: is de vervanging van batterijen al gedaan. De vereisten voor de batterij van veiligheidsverlichting is veel specifieker dan voor een GSM of laptop. (*) opmerking: Li- polymeer batterijen zijn primaire batterijen en komen dus niet in aanmerking als noodenergievoorziening.
2 Primaire batterijen versus secundaire batterijen Een primaire batterij is niet herlaadbaar, een secundaire batterij wel. De batterijen worden daarom ook wel eens respectievelijk, niet–herlaadbare en herlaadbare batterij genoemd. Het verschil bestaat erin dat de chemische samenstelling van de elektroden en de separator anders is. Bij een primaire batterij is de nominale spanning meer constant dan bij een secundaire batterij omdat zijn interne impedantie kleiner is. De zelfontlading in deze batterij is hierdoor ook zeer klein. De impedantie kan klein gemaakt worden omdat bij een primaire batterij slechts één reactie (het ontladen) moet gebeuren die zo goed mogelijk gemaakt kan worden. Bij een secundaire batterij komt er een tweede reactie kijken, namelijk het opladen. Beide reacties kunnen best zo goed mogelijk verlopen en worden andere eisen zoals lifetime (aantal keer herladen) en lekstroom ook belangrijk. De impedantie is groter dan bij een primaire batterij doch nog steeds in de grote orde van mΩ. Het verschil is vooral merkbaar door de grotere zelfontlading.
13
Secundaire batterijen zijn milieuvriendelijker dan primaire batterijen als ze geen zware metalen bezitten. Al is het enkel omdat ze meerdere malen gebruikt kunnen worden en primaire batterijen slechts éénmaal. Beide batterijen worden na gebruik of slijtage verwerkt in een verwerkingsfirma of de batterijfabrikant zelf omdat batterijen zeer vervuilend zijn. Dit is de reden dat gebruikte of versleten batterijen steeds ingezameld worden. Het beste zou zijn dat iedereen enkel herlaadbare batterijen gebruikt. De reden waarom de mensen dikwijls toch de voorkeur geven aan primaire batterijen is vooral te danken aan de hogere kostprijs van de secundaire batterijen. Ze vergeten echter de voordelen van een secundaire batterij en dat het op langere termijn toch goedkoper uit kan komen. Batterijen zijn vandaag de dag een belangrijk element voor draagbare elektronica te laten werken. Niet alleen luxe artikelen zoals GSM, afstandsbediening en laptop maken gebruik van batterijen, ook andere toepassingen zoals veiligheidsverlichting en elektrische auto’s hebben (secundaire) batterijen nodig om te werken.
3 Begrippen i.v.m. batterijen 3.1 Oplos/ neerslag - reactie In deze reactie wordt de ene elektrode beetje bij beetje opgelost, terwijl de andere elektrode aangroeit. Met behulp van het elektrolyt maakt een atoom zich los van de hoogenergetische elektrode om vervolgens zich af te zetten tegen de minder energetische elektrode. 3.2 Positieve elektrode begrenzing Bij het ontwerpen van de batterij wordt de capaciteit van de Ni - elektrode iets kleiner gemaakt dan de negatieve elektrode. Dit noemt men positieve elektrode beperking. Hierdoor kan deze worden overladen zonder hoge drukken te creëren. 3.3 Capaciteit De capaciteit van een batterij is de hoeveelheid energie welke hij kan opslaan. Het symbool is C en wordt uitgedrukt in Ah (ampère uur). De capaciteit wordt meestal gespecificeerd bij een ontlading van 5 h, d.w.z. dat de batterij een bepaalde stroom kan leveren gedurende 5 h totdat ze leeg is. Dit is de zogeheten C5 norm.
14
3.4 Laadstroom De norm zegt dat een batterij steeds binnen de 24 h geladen moet worden. De laadstroom wordt bepaald door een getal te vermenigvuldigen met de capaciteit. Meestal wordt een verhouding van C/10 genomen om de laadstroom te bepalen van NiCd en NiMH batterijen. De batterij zal in 10 h geladen zijn, een extra laadtijd van 6 h dient om zo de volledige capaciteit te benutten. 16 h laden is voor de norm ruim voldoende. De laadtijd is vooral afhankelijk van de batterijlader. Is de stroom niet geregeld of labiel dan kan het noodzakelijk zijn om gedurende 22 h te laden. In formulevorm wordt de laadstroom zo bepaald: Il = XC
(15.1) laadstroom
Hierin is: Il: de laadstroom in mA X: vermenigvuldiger (voor NiCd en NiMH X = 0,1 en voor Li – ion X = 0,5) C: de capaciteit in mAh (bepaald aan de hand van de C5 norm) 3.5 Overladen en diepontladen Overladen is het laden van de batterij die al de volle capaciteit heeft bereikt. Diepontladen is ontladen van de batterij tot een zeer lage celspanning. Bij ompoling wordt de batterij tot een uitermate kleine spanning ontladen. Ompolen is dus gelijk aan het diepontladen van een batterijcel of pak. In beide gevallen zal de prestatie van de batterij op lange termijn verminderen. 3.6 Spanningsterugval De spanning over de batterij stijgt gedurende het hele laadproces. Op het einde stijgt de spanning plotseling veel sterker tot maximum waarde, waarna de spanning terugvalt tot op een lagere waarde. De spanningsterugval is dus een spanning die na een tijd stijgen terug naar een lagere waarde gaat. Dit wordt ook wel een negatieve spanningsverschildetectie (- ∆V detectie) genoemd. 3.7 Batterijpak en batterijcel Een batterijcel of kortweg cel is een verpakking waarin een elektrolyt, separator en twee elektrodes zitten. Dit geheel kan niet gedemonteerd worden. Elke cel heeft ten opzichte van een andere cel (met dezelfde samenstelling) nagenoeg dezelfde eigenschappen. Een batterijpak of kortweg batterij bestaat uit één of meerdere cellen. De onderstaande figuren verduidelijken het verschil tussen een batterijcel en een batterijpak of kortweg batterij. De spanning en capaciteit worden bepaald door het aantal cellen dat in serie of parallel geschakeld is. Bij parallel geschakelde cellen moeten wel extra maatregelen getroffen worden tijdens het laden. In het stageproject wordt er steeds gebruik gemaakt van batterijen met seriegeschakelde cellen.
15
Figuur 16.1 Batterijcel
Figuur 16.2 Verschillende soorten seriegeschakelde batterijpak’s 3.8 Ompoolbeveiliging en laden van een batterij -
Ompool beveiliging: het ompolen(*) van de batterij heeft een nadelige invloed op de levensduur van de batterij. De armaturen zijn daarom van elektronica voorzien die de batterij tegen het ompolen beveiligt. Laden van een batterij: het laden van een batterij moet zo snel mogelijk gebeuren. Bij rust (niet laden of ontladen) moet men de zelfontlading tegenwerken. Voor NiCd batterijen is het beste om een minieme druppellading (constant herladen) te voorzien. En bij de NiMH batterijen is het beter om éénmaal per dag een kort, krachtig herladen te voorzien. Een Li - ion batterij heeft een zo kleine zelfontlading, dat het overbodig is om repetitief een herstellading toe te voegen. Wel wordt er aangeraden om minstens éénmaal per jaar een cyclus te doorlopen om een goede werking van de Li – ion batterij te behouden.
(*) Ompolen is het verkeerd of omgekeerd polariseren van een batterijcel in een batterijpak of van het gehele batterijpak. Of ook wanneer één cel eerder leeg is als de andere(n), dan wordt deze cel invers geladen door de andere(n). Dit is niet veel maar toch kan hierdoor de capaciteit verslechteren.
16
4 Nikkel metaalhybride (NiMH) en Nikkel cadmium (NiCd) batterijen 4.1 Algemeen Het is niet relevant om het chemische aspect van de batterij te bespreken, een algemene schets zou voldoende moeten zijn. 4.2 NiMH laden en ontladen Net als in elke andere batterij heeft de NiMH batterij twee elektrodes, een elektrolyt en een scheider zodat er twee opgaande reacties ontstaan. De chemische energie wordt opgeslagen doordat er bepaalde chemische banden ontstaan. Wanneer de batterij wordt ontladen, draaien de reacties gewoon om en de opgeslagen chemische energie wordt omgezet in elektrische energie.Onderstaande formules kunnen eventueel verduidelijking brengen.
(17.1) chemische reactie in een NiMH – batterij. De totale reactie kan beschreven worden als twee stapsreactie, waarbij de concentratie van het elektrolyt een constante is. De batterijspanning stijgt langzaam naarmate er meer energie wordt toegevoerd. Bij het ontladen zakt de klemspanning in het beging tot de nominale spanning en op het einde tot een minimum niveau. Wordt de belasting van een lege batterij weggehaald, stijgt de klemspanning over de batterij terug naar nominaal niveau. Onderstaande grafiek geeft duidelijkheid. laden (0,1C)
2 cellen NiMH batterij
ontladen (0.5C)
3 2,5 U(V)
2 1,5 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
t(m in)
Figuur 17.1 Batterijspanning bij het op – en ontladen van een NiMH batterij 17
Opmerking bij de grafiek: De ontlading (dunne lijn) is een beetje uitgetrokken voor een duidelijker beeld te geven. Er kan gesteld worden dat de ontlaadstroom 3x kleiner is of dat de ontlaadtijd 3x langer duurt, in verhouding tot de werkelijkheid. 4.3 NiCd laad- en ontlaad reactie De chemische samenstelling van de nikkelelektrode is dezelfde als in de NiMH batterij. De nikkel cadmium technologie is echter gebaseerd op een oplossing / neerslag reactie. Een metaal ionencomplex welke neerslaat om een nieuwe vaste toestand te vormen bij het laden. Dit is ook de reden van het ontstaan van het geheugeneffect. Wat is het geheugeneffect? Als herhaaldelijk onvoldoende ontladen wordt, blijven er cadmiumkristalletjes aangroeien op het oppervlakte van de cadmiumelektrode. Hierdoor wordt het actieve oppervlak kleiner. Een nadelig gevolg hiervan is dat er intern een kortsluiting kan ontstaan doordat de scheider door aangroeiende cadmiumkristalletjes geperforeerd wordt. De prestatie van de batterij kan worden hersteld als ze voorzichtig volledig wordt opgeladen en ontladen in verschillende cycli. Het risico bestaat er op dit moment in dat de batterij onherstelbaar beschadigd wordt als de batterij verkeerd wordt geladen. Er zijn meer geavanceerde laders op de markt die de batterij kunnen herstellen indien het nodig is. Het spanningsverloop tijdens het laden van een NiCd batterij is bijna hetzelfde als bij het laden van een NiMH batterij. Laden (0,1C)
2 cellen NiCd batterij
ontladen (0,5C)
3,5 3 U(V) 2,5 2 1,5 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
t(m in)
Figuur 18.1 Batterijspanning bij het op – en ontladen van een NiMH batterij
18
4.4 Overladen en diepontladen bij NiCd en NiMH batterijen. 4.4.1 Overladen 4.4.1.1 Reactie en gevolg Het laden kan verder blijven duren totdat de chemische energie maximaal is. Bij het overladen van de batterij zal er warmte ontwikkeld worden in de batterij ten gevolge van die reactie. Er wordt daardoor een druk opgebouwd die uiteindelijk de veiligheidsklep opent waardoor het elektrolyt weglekt en de scheider uitdroogt. De levensduur van een batterij is altijd beperkt doordat de scheider uitdroogt. Bij normaal gebruik gebeurt dit zeer langzaam. Een klein verlies aan elektrolyt ten gevolge van het openen van de veiligheidsklep, zorgt voor een aanzienlijke vermindering van de prestatie van de batterij. Hierdoor kan worden besloten dat de belangrijkste reden van het falen van beide batterijen het uitdrogen van de scheider is. 4.4.1.2 ∆V – laden en temperatuur meting Het laden van de batterij kan worden gecontroleerd met behulp van de temperatuur en spanning. De laadstroom wordt dan beperkt of gestopt als de temperatuur begint toe te nemen. Deze temperatuurcontrole kan worden uitgevoerd op de batterij zelf of door de spanning te controleren. Doordat de batterij wordt opgeladen met een constante stroom, zal de temperatuur toenemen en bij het overladen van de batterij leid dit tot een kleine spanningsterugval. Deze kan door de lader gedetecteerd worden en bijgevolg wordt de laadstroom beperkt of afgeschakeld. Deze methode van laden wordt “-∆V - laden” genoemd.
Figuur 19.1 - ∆V detectie In de grafiek stelt het omcirkelde gedeelte de periode voor wanneer de batterij de meeste warmte dissipeert. Op het einde van deze bult is duidelijk de spanningsterugval te zien. Een NiMH batterij ontwikkelt warmte tijdens het laden, waardoor bij een temperatuurmeting het verschil tussen de warmte ontwikkeling tijdens het laden en het overladen niet goed merkbaar is. Hierdoor is er een gevoeliger controlesysteem (zoals –∆V detectie) en betere temperatuurcompensatie nodig bij het laden van NiMH batterijen. 19
4.4.2 Diepontladen 4.4.2.3 Reactie en gevolg Aangezien een batterij uit meerdere cellen bestaat, zullen er nog cellen zijn die wel een lading bezitten terwijl een andere cel al leeg is. Deze cellen zullen tijdens hun ontladen de al lege cel invers laden (ompolen). Het ontladen wordt gestopt als de spanning gedaald is tot een waarde van minimum 0,8 V/cel om diepontladen te voorkomen. Wordt het ontladen later gestopt dan zal de capaciteit van die cel en dus ook van de hele batterij afnemen. Het verschil tussen NiMH batterijen en andere batterijen is dat de NiMH batterij absoluut geen diepontlading kan weerstaan. Diepontlading zorgt voor het ontstaan van metaal in de batterij in plaats van metaalhybride. Diepontladen wil dus zeggen dat de inverse chemische reactie in de batterij plaats vindt. Hetzelfde effect als bij het geheugeneffect in NiCd batterijen doet zich voor. 4.4.2.4 Maatregelen voor diepontladen Het gevaar op beschadiging van een batterij zal beperkt zijn als elke cel waaruit de batterij bestaat volledig tot dezelfde capaciteit wordt opgeladen voordat deze wordt ontladen. De praktische capaciteit van alle cellen verschilt in enkele parameters van elkaar (deze gegevens worden meegegeven met de batterijfabrikant). Een goede afkoeling en temperatuurcontrole zorgen voor een langere levensduur van de NiMH batterij. Dit is belangrijk wanneer veel cellen in één batterijpak samen zitten. Zoals in de EV/HEV- toepassing (elektrische voertuigen) waar een honderdtal cellen in één batterijpak zitten.
20
5 Andere batterijen 5.1 Li - ion batterijen 5.1.1 Het werkingsprincipe Het werkingsprincipe van de Li - ion batterij is gelijkaardig aan de werking van de NiMH batterij maar met lithium als energiedrager. In de meeste gevallen wordt er een lithium - kobaltoxide als elektrodemateriaal gebruikt. Wat overeenkomstig is met het nikkeloxide in de NiMH batterij. In nieuwe ontwikkelingen worden ook andere materialen gebruikt, bv. magnesiumoxide, nikkeloxide, fosfor, enz. De chemische band tussen lithium en het elektrode materiaal is sterker dan cadmium of metaalhybride, dit is de reden dat men een hogere laadspanning nodig heeft om deze band te breken. Maar langs de andere kant kan de batterij tijdens het ontladen dus ook een hogere spanning behouden (3.6V i.p.v. 1.2V). Het is dus mogelijk om meer energie op te slagen in de Li - ion batterij als in de NiMH en NiCd batterijen. Het laden van een Li – ion batterij moet zeer nauwkeurig gebeuren. De spanning over de batterij mag nooit hoger worden als 4,1V of 4,2V. Wordt het laden gestopt op het moment dat de spanning deze waarde bereikt, zal de capaciteit van de batterij niet volledig benut worden. Er wordt daarom met een constante stroom geladen tot die 4.1V of 4.2V en daarna wordt de spanning constant gehouden tot de stroom onder een bepaald niveau is gezakt. Deze stroomwaarde is zeer specifiek en wordt door de fabrikant gegeven. 5.1.2 Gevaren en beveiliging Op kamertemperatuur is lithium een vaste stof en kan in zuivere toestand als elektrode dienen. Lithium is in zuiver toestand echter een gevaarlijk chemisch product. Door het doorlopen van verschillende cycli groeit deze elektrode aan (zoals in de NiCd batterij) en kunnen er dus interne kortsluitingen ontstaan. Bij een heel grote capaciteit leidt dit tot ontploffingen en/of tot brand. Om dat risico weg te werken, zijn lithium ionen (vandaar Li - ion batterij) toegevoegd aan grafiet of coke. Dit maakt de analogie met NiMH batterijen nog groter. In plaats van een waterstofatoom is er hierbij een metaalatoom legering toegevoegd. Bij het lithium wordt er een carbon legering gevoegd. Hierbij wordt wel de energiesterkte verminderd maar de Li - ion technologie brengt nog de beste resultaten met zich mee. De gewicht/capaciteit verhouding is 30% voordeliger dan bij de NiMH batterij. Bij het overladen van een Li - ion batterij worden de lithiumionen omgezet in zuiver lithium waardoor er explosie gevaar kan zijn. Daarom is er in de batterijpak intern een veiligheidscircuit en extern een veiligheidsklep tegen overdruk voorzien. Het elektrolyt bestaat uit een brandbaar product, wat wil zeggen dat men zeker geen te hoge temperaturen of lekken mag veroorzaken aan de batterij. De Li - ion batterij wordt al toegepast in mobiele telefoons en laptops.
21
5.2 Li - polymeer batterijen (primaire batterij) Om vloeibare elektrolyten te vermijden en om de energiecapaciteit te vergroten, zijn er batterijen met polymeer of gel als elektrolyt ontwikkeld. De Li- polymeer batterij is al toegepast in topmodellen van mobiele telefoons, voor gewone toepassingen is men nog in de ontwikkelfase. Deze batterij vertoont veel gelijkenissen met de kostprijzen van de huidige batterijen met het voordeel dat er meer capaciteit is. SAFT heeft een prototype van 1500 W / Kg ontwikkeld in een HEV- toepassing. Deze batterijtechnologie heeft dus grote toekomstmogelijkheden. 5.3 Lood - zuur batterijen Van alle herlaadbare batterijen heeft de lood - zuur batterij de meest ingewikkelde chemische reactie. De elektrodes bestaan beide uit een oplos/ neerslag - reactie. Ook de vermogen/ gewicht verhouding is hierbij het kleinste. Deze twee nadelen zorgen er voor dat de totale capaciteit van deze batterij erg begrensd is. Het aantal cycli dat doorlopen wordt, is altijd rechtstreeks een nadeel voor de capaciteit. Dit wordt in een lood – zuur batterij extra benadrukt. Het voordeel van de lood - zuur batterij is de lage kostprijs en de makkelijke toepassing als starterbatterij met een zeer lage ontlading. In centrale systemen worden deze batterijen soms gebruikt.
22
6 Gebruikte batterijen voor noodenergie 6.1 Voorkeur voor decentrale systemen Er zal een keuze gemaakt moeten worden tussen Li – ion, NiCd en NiMH batterijen. De lood – zuur batterij is o.w.v. zijn gewicht ongeschikt en de Li – polymeer batterij is een primaire batterij, in veiligheidsverlichting kunnen er enkel van secundaire batterijen gebruik worden gemaakt. Deze twee batterijen zullen dus niet in aanmerking komen. De eigenschappen van de drie batterijen die wel in aanmerking komen, zijn samengevat in onderstaande tabel. Tabel 23.1 vergelijking verschillende batterij types spanning Laden Laadstroom
U nom. U max. U Cutoff T(°C) Constant Standaard Onderbroken
NiCd 1.2V/ cel 1.5V/cel 0.8V á 1V/ cel 0°C => 45°C 0.05C á 0.07C
NiMH 1.2V/ cel 1.45V/ cel 0.8V á 1V/ cel -10°C => 45°C 0.05C á 0.1C
0.1C x 16h
0.1C x 16h 0.5C x 4h á 5h Standaard + 0.1C x 1h/ dag
Puls
0.2C x 1s + 9s rust -20°C => 50°C 0°C => 50°C 0.2C 1C
Li - ion 3.6V/ cel 4.1V of 4.2V/ cel < 3V/ cel 0°C => 45°C
Ontladen
T(°C) praktisch I nom. I max.
opslag
< maand < jaar
-20°C => 60°C 0°C => 60°C 0.5C 3C (gewone toepassing)/ 12C (power uitvoering) -30°C => 50°C -20°C => 60°C Idem -20°C => 35°C
-40°C => 60°C -20°C => 60°C 0.1C 3C á 4C
Toestand
Volle capaciteit
Volle capaciteit
snelladen
Stroom dT/ dt detectie - V detectie
1C x 1h 0.5 á 1°C/min -10mV/cel
1C x 1h 0.8°C/min -5mV/cel
Levensduur
Standaard gebruik Snel laad toepassing
400 á 500 cycli
> 500 cycli
1000 cycli
+ 300 cycli
500 cycli
Kamertemperatuur Minstens 1x/ jaar herladen 30% á 50% van dan capaciteit 1C x 3h á 4h
23
NiCd batterijen worden momenteel als energiedrager gebruikt in zowat alle veiligheidsverlichting toepassingen. Zoals in punt 1 “Algemeen” al werd vermeld, moeten deze batterijen vervangen worden door milieuvriendelijke batterijen. Een belangrijk aspect daarbij is dat de batterij tegen hoge temperaturen kan. Li – ion batterijen kunnen gebruikt worden omdat ze veel goede eigenschappen hebben. Vooral het feit dat deze batterij ook bij lage temperaturen goed functioneert. In koelkamers en in buiten toepassingen zou deze batterij een goede oplossing kunnen bieden. De kostprijs van deze batterij is echter nog te hoog om deze batterij te kunnen integreren in een veiligheidstoestel. Het op- en ontladen van de Li – ion batterij is ook veel delicater dan bij een NiCd of NiMH batterij. Het logische gevolg is dat de NiMH batterij in de toekomst zal gebruikt worden als noodenergie in een veiligheidsverlichting toepassing. De op– en ontlaadkarakteristiek verschilt weinig met die van een NiCd batterij, dit betekent dat een kleine aanpassing aan de NiCd batterijlader voldoende is om een NiMH batterij te kunnen laden.
24
III Batterijlader 1 Vereisten voor de batterijlader 1.1 Doel -
Batterijen van verschillende technologieën en grootte moeten geladen kunnen worden. De voeding moet zo rendabel mogelijk benut worden bij het laden van een aantal batterijen met dezelfde eigenschappen. Elke batterij moet voor het laden begint, automatisch getest worden of deze al dan niet in orde is en juist aangesloten is. Is er iets verkeerd dan mag het laden niet kunnen starten. Is de batterij vol dan moet het laden stoppen voor die batterij. Het laden mag slecht 1 h duren. Dit is immers genoeg voor de testen met veiligheidstoestellen uit te kunnen voeren. Het instellen van de lader moet door iedereen kunnen gebeuren. Het instellen moet dus simpel en duidelijk zijn.
1.2 Instelbaarheid De batterijen die geladen worden, hebben een bepaalde capaciteit en een aantal cellen. Het aantal cellen en de grootte van de capaciteit is variabel. Er moet echter wel afgesproken worden dat in één keer ‘dezelfde’ batterijen worden geladen. De capaciteit bepaalt de stroomgrootte en het aantal cellen bepaalt de spanningsgrootte die de voeding moet kunnen leveren. Verderop in dit hoofdstuk worden de batterijspanningen gespecificeerd. Het tellen van het aantal cellen in een batterij kan geen probleem zijn omdat dit aantal maximum tot 5 cellen gaat en de cellen duidelijk zichtbaar zijn. De capaciteit staat steeds op de batterij vermeld en moet enkel correct worden afgelezen. De stroom en spanning worden dus ingesteld onder de naam van de grootte van de capaciteit en het aantal cellen. De tijd dat de batterijen geladen moeten worden, mag enkel ingesteld kunnen worden door een technicus en niet door een arbeider.
25
1.3 Het blokschema 1.3.1 Algemeen Voor de batterijlader staat de constante stroombron centraal, het is het hart van de schakeling. Om een batterij te laden wordt er immers gebruik gemaakt van een geregelde constante stroombron. Aangezien dit een gelijkstroom moet zijn, moet de netvoeding gelijkgericht en verder aangepast worden. Om de batterij te controleren wordt er ook een hele schakeling voorzien die het laden kan stoppen indien dat nodig is. Met de signalen die hieruit gegenereerd worden, kunnen ook de verschillende signalisatievormen (leds en zoemer) aangestuurd worden. Er kunnen dus vier grote blokken onderscheiden worden: -
de voedingen de stroombron de controlekring de signalisatie
Figuur 26.1 Algemeen blokschema Deze vier blokken zullen elk apart besproken worden. Ze bestaan alle uit enkele subblokken die elk een functie hebben. 1.3.2 De verschillende subblokken Elk van deze vier blokken heeft zijn subblokken. Zo heeft de voedingskring als subgroepen: -
een vermogenvoeding (Vvoed) de instelling voor deze vermogenvoeding (batterijreferentie) een 5V voeding (Vic) een tijdschakeling (Vtijd1 & 2).
De stroombron valt dan weer uiteen in: -
een keuzeblok om de stroom in te stellen door de ingangspanning aan te passen (keuze) de stroomregelaar die het teruggekoppelde signaal met het ingangsignaal vergelijkt en het de stroom aanpast in die mate van nodig. (stroombron) 26
-
een terugkoppelkring waarin een versterkingsfactor zit om dat het te verglijken signaal klein is. (terugkoppeling) een vermogenkring waarin de batterij staat (vermogenkring)
Om een controle te kunnen doen, zijn er referenties nodig. De controlekring heeft dus een referentie subblok (referentiespanning) en de controlelogica zelf (testbatterij). De signalisatie bestaat maar uit één geheel zodat de informatie op één plaats kan worden afgelezen. De subblokken worden voorgesteld in volgend blokschema.
27
28
Figuur 28.1 Totaal blokschema
2 De voeding 2.1 Algemeen 2.1.1 Blokschema
Figuur 29.1 Subblokken van de voeding 2.1.2 Functieverklaring De batterijen moeten slechts een bepaalde tijd (1 h) geladen worden. Deze lading is genoeg zijn om de veiligheidsverlichting na de productie te kunnen testen. Om een de laadtijd in te stellen, wordt er in het blokschema “voeding” een tijdrelais geïmplementeerd. Twee voedingen spelen een belangrijke rol in het ontwerp, de voeding voor de vermogenkring en de voeding voor de stuurkring. Beide spanningen moeten gelijkspanning zijn. Voor de vermogenkring geldt dat de spanningsbron voldoende vermogen moet leveren om 16 batterijen te laden waarbij de rimpelspanning liefst zo klein mogelijk is. De rimpelspanning zorgt enkel voor meer vermogendissipatie in de transistor van de stroombron (zie hoofdstuk “stroombron”). Het tweede en belangrijkste aspect is dat de voedingsspanning instelbaar moet zijn. De stuurspanning moet een constante, gestabiliseerde voeding zijn die slechts genoeg vermogen kan leveren voor de voeding van de IC’s en de signalisatie. Een deel van deze voeding kan gebruikt worden om een temperatuursongevoelige spanning te creëren. Deze spanning zal gebruikt worden om referenties te maken die best zeer nauwkeurig en temperatuursongevoelig zijn. 2.2 Tijdbegrenzing Volgend schema toont hoe de netspanning binnenkomt voor de voeding van de vermogenkring en de IC voeding te kunnen genereren. De IC voeding mag enkel onderbroken worden door de hoofdschakelaar. De signalisatie moet immers actief blijven na de laadtijd die ingesteld wordt met de tijdrelais (K1).
29
Figuur 30.1 Netspanningtoevoer De relais (K1) heeft een vertraagd uitschakelcontact welke inschakelt op het moment dat S1 eventjes wordt ingedrukt. S1 is een drukknop en moet slechts één tel ingedrukt worden om de relais te laten inschakelen en te laten starten met timen. -
De klemmen Vtijd1 en 2 worden aangesloten aan het begin van de geschakelde voeding. De klemmen Vac1 en 2 worden aangesloten aan het begin van de IC - voeding.
De signalisatie van de voeding staat los van de andere signalisatie 2.3 Voeding van de vermogenkring 2.3.1 Vereisten -
Spanningen instelbaar voor 2, 3, 4 of 5 cellen Voldoende vermogen kunnen leveren om 16 batterijen met een capaciteit van 4000 mAh te laden. De vermogenkring mag enkel tijdens het laden energie leveren. De voeding moet gelijkstroom leveren
2.3.2 Lineaire transformator 2.3.2.1 Algemeen Omdat er een galvanische scheiding moet zijn tussen het net en de kring waarmee gewerkt wordt, is de meest logische oplossing een transformator met een
30
gelijkrichterbrug. Hierbij komt echter direct een probleem te voorschijn. De spanning moet instelbaar zijn en het geleverde vermogen moet voldoende zijn. Bij het zoeken naar een transformator met verschillende takken zijn ofwel de verschillende spanningen te groot ofwel het maximum geleverde vermogen te klein. In het ene geval gaat er teveel vermogen verloren in warmte en in het andere geval zouden er meerdere bronnen gebruikt moeten worden om 16 batterijen te kunnen laden. 2.3.2.2 Berekeningen a) Algemeen Als er 16 batterijen per voeding en de batterijen met de grootste capaciteit (op ETAP: 4000 mAh) geladen moeten worden, moet de voeding (16x 400 mA =) 6,4 A kunnen leveren bij een spanning overéénkomstig met het aantal cellen per batterij. Het maximum aantal cellen per batterij die er gebruikt zal worden in een veiligheidstoestel bedraagt 5 cellen. Tabel 31.1 de verschillende batterijspanningen Vmin(V) Vbat(V) aantal Vmax(V) cellen NiMH NiCd NiMH NiCd 2 2,90 3,00 1,60 2,00 2,40 3 4,35 4,50 2,40 3,00 3,60 4 5,80 6,00 3,20 4,00 4,80 5 7,25 7,50 4,00 5,00 6,00
b) Spanning De voedingspanning om een batterij te laden van 5 cellen bedraagt minimum 7,5 V (5 x 1,5 V) + de saturatiespanning over de transistor (1 V)+ de spanning over de weerstand (0,4 A x 0,5 Ω = 0,2 V). In het totaal is er dus een minimum van 8,7 V nodig. De gemiddelde spanning is de gemiddelde waarde van de rimpelspanning opgeteld bij de minimum waarde. Stel dat de rimpelspanning 1 V top - top bedraagt, dan is de gemiddelde rimpelspanning 0,35 V (0,5 V/1,41). De gemiddelde waarde van de spanning bedraagt dus (8,7 V + 0,35 V =) 9,05 V, de maximum waarde 9,7 V (8,7 V + 1 V).
31
Figuur 31.1 spanningsbepaling voor de vermogenvoeding (Vvoed) In dit schema wordt momenteel geen rekening gehouden met de stroom en is Vvoed de voedingspanning, Vtk de terugkoppelspanning en Ib de basisstroom. V meet en V meet1 zijn de klemmen die later gebruikt zullen worden om de batterij te meten en testen. Dit schema is ook hetzelfde als de vermogenkring. c) Transistor De spanning over de transistor is minimum gelijk aan de saturatiespanning. Bij een vermogentransistor die in deze schakeling zal worden gebruikt is de saturatiespanning 1V. Het is logisch dat als de rimpelspanning minimaal is de transistor maximaal wordt open gestuurd. Omgekeerd telt dat ook: als de rimpelspanning maximaal is dan moet de transistor in gelijke verhouding meer open sturen. Concreet wil dat zeggen dat de rimpelspanning bepaald waar het werkpunt van de transistor ligt. Bij een gelijke rimpelspanning zoals in punt b), zal het werkpunt liggen bij Vce = 1,5 V (1 V + 0,5 V = Vce sat + Vr top-top/2). d) Vermogen Het schijnbare vermogen geleverd door de voeding zal dan 57,9 VA (9,05 Vx 6,4 A) bedragen. Voor de transformator is dit geen probleem. Bij een 5cel batterij zal bij deze voeding het omgezette vermogen in de transistor slechts 1,54W (3,85 V x 0,4 A) bedragen op het moment dat de batterij begint met laden. Bij een 2cel batterij van 4000mAh wordt er een vermogen van (6,85 V x 0,4 A) 2,74 W verbruikt in de transistor. Wordt de voedingspanning aangepast in de juiste mate dan zal dat vermogen een stuk lager zijn. Als een 2cel batterij wordt geladen met een gemiddelde voedingspanning van 4,55 V, dan is het vermogenverbruik in de transistor 940 mW (2,35V x 0,4A) op het moment dat de batterij begint met laden. Omwille van deze reden is het interessant om de voedingspanning instelbaar te maken.
32
e) Condensator Voordat de condensator berekend kan worden, worden al de gegevens die gekend zijn opgesomd in tabel 33.1. I Vrimp Vmax Vmin VR Vbat Vvoed Po F Tc
Tabel 33.1 gegevens voor de lader 6,40 A belastingstroom 1 V rimpelspanning 9,7 V maximum spanning 8,7 V minimum spanning 0,20 V spanning over de weerstand nominale spanning van de 7,50 V batterij 9,05 V gemiddelde voedingspanning 60,00 W geleverde vermogen 50,00 Hz netfrequentie 3,00 ms geleidingstijd van de diodes
Twee basisformules om een condensator te berekenen: Vmax = 1,41 x Veff. (Veff = Vgem) Vmin² = Vmax² - [2 x Po x ((1 / 2f) – tc)] / C
(33.1) maximum spanning (33.2) minimum spanning
C = [2 x Po x ((1 / 2f) – tc)] / [Vmax² - Vmin²] C = [2 x 9,05 V x 6,4 A x ((1 / 2 x 50 Hz) – 0,003 s)] / [9,7 V² - 8,7 V²] C = 44069,5 µF Door het kiezen van een standaard condensator, moet de berekening omgekeerd worden uitgevoerd om de rimpelspanning redelijk nauwkeurig te bepalen. De gekozen condensator heeft een capaciteit van 47000µF. Vrimp = Vmax – Vmin Vmin = 8,7 V Deze spanning mag in geen enkel geval wijzigen. Uit de formule van vorige bladzijde kan men de maximumspanning bepalen. Vmax² = Vmin² + [2 x Po x ((1 / 2f) – tc)] / C Vmax² = 8,7 V² + [2 x 9,05 V x 6,4 A x ((1 / 2 x 50 Hz) – 0,003 s)] / 47000 µF Vmax² = 92,94 V² => Vmax = 9,64 V Vrimp = Vmax – Vmin = 9,64 V – 8,7 V = 0,94 Vtop-top (33.3) rimpelspanning De condensator moet een spanning kunnen verdragen die minimum dubbel zo groot is als de gemiddelde voedingspanning. Dat wil zeggen dat in deze schakeling een elektrolytische condensator van 25 V (> 2 x 9,05 V) staat met een capaciteit van 47000µF.
33
f) Bruggelijkrichter Het belangrijkste bij een bruggelijkrichter is dat de diodes de repetitieve piekstroom kunnen verdragen. De piekstroom ontstaat doordat de condensator gedurende de geleidingstijd van de diodes, welke meestal rond de 3 ms is, oplaad. Vanuit de condensator zal daarna een gemiddelde stroom vloeien. In onderstaande grafiek wordt duidelijk dat deze piek zeer groot kan worden. spanningsinus
50 40
20
dubbel gelijkgerichte spanning
10
Igem
30
0 -10 0
5
10
15
20
-20
Ipiek
De gemiddelde stroom is gekend vanuit het punt ‘a) algemeen’, de periodeduur (T) voor een 100Hz signaal bedraagt 10ms en de geleidingstijd (tc) wanneer de diodes geleiden en de condensator dus bijlaad is ongeveer 3ms (zeer goede benadering). Uit volgende formule kan dan de piekstroom berekend worden.
Figuur 33.1. Piekstromen Ipiek = 2 x Igem x T / tc Ipiek = 2 x 6,4A x 10ms / 3ms Ipiek = 42,7A
(43.1) piekstroom
De diodes of bruggelijkrichter moet dus een repetitieve stroom kunnen verdragen van 42,7A. Best kan er een bruggelijkrichter gekozen worden die een grotere repetitieve stroom aan kan. g) De gemiddelde spanning van de transformator De top waarde van de gelijkspanning is gelijk aan de amplitude van de wisselspanning met het verschil van spanningsvallen over de twee geleidende diodes. Vamp = Vmax + 2 x Ud Vamp = 9,64V + 2 x 1V Vamp = 11,64V
(34.2) amplitude spanning
Hieruit kan dan de gemiddelde spanning worden berekend. Vgem = Vamp / 1,41 Vgem = 11,64 / 1,41 Vgem = 8,3V
(34.3) gemiddelde spanning
Dit is slechts de gemiddelde spanning om een batterij van 5 cellen te kunnen laden. In de tabel hieronder zijn de spanningen weergegeven van al de mogelijke combinaties.
34
Tabel 35.1 batterij- vs voedingspanningen Vmax(V) Vvoed Vtrans aantal gem gem cellen NiMH NiCd (V) (V) 2 2,90 3,00 5,20 5,11 3 4,35 4,50 6,70 6,17 4 5,80 6,00 8,20 7,23 5 7,25 7,50 9,70 8,30
De primaire zijde van de scheidingstransformator is via een zekering verbonden met het 230V net. Onderstaand schema verduidelijkt de werking van de lineaire voeding. Met de schakelaar (S1) kunnen de spanningen, vermeld in bovenstaande tabel, ingesteld worden.
Figuur 35.1 Lineaire vermogenvoeding 2.3.3 Geschakelde voeding 2.3.3.3 Algemeen Een geschakelde voeding betekent dat de toegevoerde energie niet continu wordt omgezet. Er worden deeltjes van de voeding afgesneden waardoor de gemiddelde spanning voldoet aan de verwachtingen. Ook in deze schakeling is het zeer belangrijk dat er galvanische scheiding voorzien wordt. In volgende puntjes worden de verschillende mogelijkheden aangehaald. 2.3.3.4 Thyristorbrug Om met een thyristorbrug de gewenste spanning te bekomen, wordt de spanning aangesneden onder een bepaalde hoek. De galvanische scheiding bij deze manier van werken, kan gebeuren door een scheidingstransformator voor de thyristorbrug te plaatsen met een transformatieverhouding van 1. De scheidingstransformator zal veel lijden door het continue schakelen, dit resulteert in het toenemen van de onderhoudskosten. De moeilijkheid in deze schakeling bestaat erin dat de thyristoren op de juiste momenten moeten schakelen. Daarvoor is stuurelektronica een niet te ontkomen verplichting waardoor de kostprijs oploopt. Aangezien de vermogens niet al te groot zijn, is deze manier van werken niet aangeraden. Daarom wordt hiervan geen berekening gedaan.
35
2.3.3.5 Het fly back model met een TOP – switch a) algemeen Dit is een speciale elektronische schakeling met een galvanische scheiding die een bepaalde spanning en voldoende vermogen kan leveren. Mits de juiste componenten zijn gebruikt. De berekeningen zijn moeilijk en uitgebreid, ze worden doorgaans met een speciaal ontwikkeld computerprogramma gemaakt.Onderstaand schema geeft een voorstelling van zo een voeding met een constante uitgangspanning. Bij het ontwerp van de batterijlader moet de spanning echter instelbaar zijn. D.w.z dat er een aanpassing gedaan zal worden. Deze techniek is zeer recent waardoor er nog geen uitbreiding van het simulatiepakket voorzien is. Daarom is het schema van het internet gehaald en wordt de uitbreiding niet getekend maar uitgelegd. In de bijlage 4 is een gebruiksomschrijving weergegeven waarin alles is uitgelegd, weliswaar in het engels. Onder het schema wordt een korte uitleg gegeven hoe het werkt. De berekening is ook terug te vinden op de gebruiksomschrijving. Deze berekening kan zeer nauwkeurig gebeuren maar het is simpeler om het eerder vermeld computerprogramma te gebruiken. Al de gegevens kunnen terug gevonden worden op het internet http://www.powerint.com/ Het programma dat gebruikt wordt voor het berekenen van de voeding is; PI Expert Power Supply Design Software (Ver. 4.0.3).
Figuur 36.1 Flyback model met een TOPSwitch 36
b) uitleg bij het schema De TOPSwitch-FX (TOP234Y) is een IC met een schakelende FET die een schakelsnelheid van 132 kHz heeft. Terwijl de FET geleidt, wordt de elektrische energie opgeslagen in de transformator als magnetische energie. Deze energie wordt niet rechtstreeks door de secundaire wikkeling omgezet naar een secundaire stroom maar blijft opgeslagen tot de FET stopt met geleiden. Op dat moment gaat de diode (D8) geleiden en de opgeslagen magnetische energie wordt omgezet naar een stroom op de secundaire zijde. De magnetische energie kan opgeslagen worden doordat er in de kern van de transformator een berekende luchtspleet is voorzien. De piekstroom in de secundaire kring wordt bepaald door de transformatieverhouding. Deze repetitieve piekstroom laadt een condensator (C10) zodat er een gelijkspanning met een rimpel ontstaat. Na de laagdoorlaat filter (L3 & C12) staat er een constante spanning op de uitgangsklemmen zonder een rimpel. De terugkoppeling gebeurd met een spanningsreferentie, die afhankelijk van de aanwezige spanning de opto – koppelaar meer of minder open stuurt. Dit signaal wordt in de TOPSwitch binnen gebracht en afhankelijk van de grootte gaat de TOPSwitch meer of minder pulsen overslaan zodat de spanning op de uitgang constant blijft. Indien de terugkoppeling zou ontbreken, heeft de TOPSwitch een interne beveiliging en stopt met schakelen. De instelbare zenerdiode (TL431) kan op verschillende spanningen ingesteld worden, afhankelijk van de spanningsdeler. Afhankelijk van de zenerspanning zal de LED van de opto – koppelaar meer of minder stroom krijgen. De weerstand R8 geeft de zenerdiode een voorinstelling zodat er sneller gereageerd wordt. Tijdens het schakelen ontstaat er een spanningsreflectie vanuit de secundaire kring naar de primaire kring. De zenerdiode (VR1) die over de primaire wikkeling staat, voorkomt dat de gereflecteerde spanning hoger wordt dan 200 V. De diode (D1) die in deze kring staat, zorgt dat de stroom tijdens het laden (magnetisch) van de transformator door de transformator vloeit. Door de lekinductantie ontstaat er een piekspanning over de gesperde FET, als deze niet wordt onderdrukt ontstaat er een te grote spanning over de FET. In de onderstaande figuur wordt de grootte aangetoond van de spanning over de gesperde FET.
37
Figuur 38.1 spanning over de FET Op de drain van de FET mag maximum 700 V staan. Er moet vanuit gegaan worden dat de maximum DC – spanning 375 V bedraagt. De gereflecteerde spanning (Vor) is afhankelijk van de transformatieverhouding en de uitgangspanning. In vele gevallen benadert deze de 135 V. Vanuit dit gegeven wordt dan de maximum spanning (Vclm) over de zenerdiode bepaald.Als nu deze verschillende spanningen worden opgeteld dan is de spanning over de gesperde FET ongeveer 675 V. De netspanning wordt niet erg vervuild doordat de filter (L1 & CX1) de vervuiling wegfiltert. De bruggelijkrichter (BR1) en de Condensator (C1) zorgen voor een gerimpelde gelijkspanning waarmee, door middel van vorige puntjes (de rest van de schakeling), de uitgangspanning gecreëerd wordt. c) Uitbreiding van het schema Door gebruik te maken van verschillende spanningsdelers in de terugkoppelkring, is het mogelijk om de uitgangspanning instelbaar te maken. In figuur 37.1 worden de weerstanden R1&2 vervangen door een spanningsdeler in onderstaande figuur. In deze figuur is: Vvoed: de voedingspanning voor de vermogenkring Vr: de stuurspanning (of referentiespanning) voor de TL431 en Vr = 2,5 V
38
Figuur 39.1 voedingsinstelling Om de nodige voedingspanning te bekomen voor een 2 – celbatterij wordt de weerstandsdeling berekend met volgende formule. R5 = 10 KΩ, Vg = 2,5 V en Vvoed = 4,2 V Vr = Vvoed x R5 / (R1 + R5) R1 = (Vvoed x R5 / Vr) – R5 V x 10 KΩ / 2,5 V) – 10 KΩ R1 = (4,2 6,8 KΩ Door gelijkaardige berekeningen te doen, kan een tabel met de weerstandswaarden opgesteld worden. Tabel 39.1 weerstanden van de spanningsdeler R aantal cellen Vmax(V) (KΩ) 2 4,20 6,8 3 5,70 12,8 4 7,20 18,8 5 8,70 24,8
R1 R2 R3 R4
d) Voor -/nadelen Het grote voordeel is dat ETAP NV in staat is om zelf de transformator van de schakeling te wikkelen. Ook het feit dat deze voeding in zijn geheel compact is, is een sterk voordeel. Het is nu slechts een kwestie van de juiste componenten op een degelijke manier te solderen op een printplaatje. (de grootte van het printplaatje kan kleiner dan 1 dm² zijn). Deze kleine schakeling kan vermogens tot 290 W leveren, afhankelijk van de gekozen TOPSwitch. Het grote nadeel is dat de terugkoppeling gegarandeerd en op de juiste plaats aanwezig MOET zijn. Is de terugkoppeling onderbroken dan zal de TOPSwitch zichzelf stoppen met schakellen en zo de voeding uitschakelen. Er kan dus niet geladen worden.
39
2.4 Voedingen van de stuurkring 2.4.4 Vereisten -
Gestabiliseerde gelijkspanning voor IC’s te voeden Temperatuursongevoelige voeding voor referentiespanning Gelijkspanning
2.4.5 IC – voeding (5 V) Bij de stuurkring wordt er enkel een constante spanning met een relatief kleine stroom gebruikt. Hierbij is een gelijkgerichte spanning die gestabiliseerd wordt op 5V voldoende. Het stroomverbruik is klein genoeg om een stabilisator in gewone configuratie te gebruiken. Het stroomverbruik door de signalisatieledjes is ook nog klein genoeg om van deze bron af te kunnen takken.
Figuur 40.1 5 V - voeding In het schema zorgen de diodes en de condensator voor de gelijkspanning met een rimpel. De spanningstabilisator zorgt er op zijn beurt voor dat de 5 V voeding vrijwel rimpelloos is. De berekeningen worden op dezelfde manier gedaan als in punt 2.2.2.g). Een spanningstabilisator werkt in normale toestand met twee condensatoren. De ene condensator (C1) dient eveneens om de rimpelspanning van de diodebrug af te vlakken. Het heeft geen zin om een kleine condensator (zoals in de standaard schakeling) te plaatsen. De kleine capaciteit heeft geen invloed t.o.v. de grote capaciteit. 2.4.6 Temperatuursongevoelige spanning Deze spanning moet dienen om referenties te creëren die onafhankelijk van de temperatuur constant blijft. Aangezien deze spanning lager mag zijn als 5 V, wordt er slechts een klein schakelingetje ingevoerd in het schema van het vorige puntje. De zenerdiode is een speciaal type dat slechts 50 ppm (parts per million) afhankelijk is van de temperatuur. Het stroomverbruik in deze tak is klein.
40
Figuur 40.1 IC voedingspanning en referentiespanning
3 De stroombron 3.1 Algemeen 3.1.1 Blokschema
figuur 40.2 blokschema van de stroombron 3.1.2 Laadmethode Een herlaadbare batterij moet steeds geladen worden met een constante stroom (uitzondering: Li – ion batterijen hebben een specifieke laadmethode). Het is dus logisch dat de constante stroombron het belangrijkste onderdeel van de batterijlader is. Zowel de NiCd - als de NiMH - batterij wordt met deze constante stroom geladen tot de spanning over de batterij gestegen is tot een bepaald punt waarna de voeding afgezet moet worden. Elk beetje stroom dat daarna in de batterij vloeit, zal rechtstreeks omgevormd worden in warmte. De Li - ion batterij wordt ook tot een bepaald punt geladen met een constante stroom. In tegenstelling met de vorige twee batterijen mag hier het laden nog niet stoppen. Vanaf dit punt moet de spanning constant gehouden worden waardoor de laadstroom exponentieel zal afnemen. Als de stroom tot onder een bepaalde waarde is gedaald, moet het laden gestopt worden.
41
3.1.3 Gebruikte batterijen De NiCd- batterijen worden in de huidige systemen gebruikt als noodvoeding. Tijdens mijn stageperiode heeft ETAP NV een veiligheidstoestel op de markt gebracht dat al een NiMH- batterij als noodvoeding heeft. Een Li - ion batterij zal voorlopig zeker niet in aanmerking komen als noodvoedingsbron. De reden hiervoor is dat de batterij heel nauwkeurig geladen moet worden en de kostprijs van een Li – ion batterij is te hoog. Hierdoor is het slechts een vereiste om een lader te ontwerpen die zowel NiCd- als NiMH- batterijen kan laden. 3.2 Vereisten van de stroombron -
de stroom moet instelbaar zijn met discrete stappen de stroom moet constant zijn het geleverde vermogen moet zo rendabel mogelijk benut worden de stroom moet ook maximaal kunnen zijn bij een volle batterij
3.2.1 Drie verschillende principes 1) Constante stroombron met transistor 2) Constante stroombron met spanningsstbilisator 3) Constante stroombron met operationele versterker (OPAMP) Elk van deze stroombron wordt uitgelegd om zo te kunnen vergelijken. Aan de hand van de voor- en nadelen van elke schakeling zal uiteindelijk een keuze worden gemaakt. Elk schema is hier een principe wat wil zeggen dat elk schema achteraf nog uitgebouwd zal worden. 3.2.2 Constante stroombron met transistor Deze schakeling (zie schema 43.1 levert een constante stroom aan een belasting, in dit geval een batterij, onafhankelijk van de grootte van spanningsval over de batterij. De weerstand R1 begrenst de stroom door de zenerdiode, zodat deze is ingesteld op zijn werkpunt. De zenerdiode levert een constante spanning die over de basis emitter diode van de transistor staat en over de weerstand R2. Deze constante spanning over weerstand R2 veroorzaakt een constante stroom in deze tak van de schakeling, er vloeit dus een constante stroom door de batterij. Onafhankelijk van de grootte van de spanningsval over de batterij zal er dus eenzelfde, vooraf bepaalde stroom vloeien.
42
Figuur 43.1 Constante stroombron met transistor Is de spanningsval over de weerstand (R2) klein dan zal de temperatuursafhankelijkheid van de basis - emitter overgang een belangrijke rol gaan spelen. En de stroom mag niet afhangen van de temperatuur. De voedingspanning moet echter wel voldoende zijn. Aangezien de stroom constant moet blijven en de spanning over de batterij constant stijgt, zal er in het begin van het laden een grote en op het einde een kleine spanningsval over de transistor staan. Hoe groter de batterijspanning is, des te groter moet de voedingspanning zijn. a) Voordelen - eenvoudig in berekeningen en verwezenlijking. - geen extra voeding nodig. b) Nadelen - moeilijk om de stroom instelbaar te maken. - de temperatuurafhankelijkheid van de basis - emitter overgang speelt een te belangrijke rol voor de nauwkeurigheid. - er is geen terugkoppeling voorzien. - veel vermogendissipatie in de transistor bij een kortgesloten batterijcel. 3.2.3 Constante stroombron met spanningstabilisator Door de werking van de spanningstabilisator (78xx) komt er een constante spanning over de weerstand R1 en zal er een constante stroom door de weerstand vloeien. Aangezien de voedingspanning over de weerstand en de batterij staat, zal de constante stroom ook naar de batterij vloeien. Ook in dit principe (zie figuur 44.1) moet er voldoende voedingspanning voorzien zijn om de batterij volledig te kunnen laden.
43
Figuur 43.1 constante stroombron met spanningstabilisator Doordat de spanningstabilisator maar een stroom van maximum 500 mA kan leveren, is er voor elke batterij zo één component nodig. De kleinste spanningstabilisator heeft een uitgang van 5 V waardoor de voedingspanning vrij hoog zal liggen in verhouding tot de andere systemen. c) voordelen - geen terugkoppeling nodig - geen extra voeding nodig - goedkoop - vrij nauwkeurig d) nadelen - te veel vermogen verlies in de weerstand R1. dit komt door de grote regelspanning. - de stroom is moeilijk instelbaar te maken - grote dissipatie in de spanningstabilisator bij een kortgesloten batterijcel. Het effect is het grootste bij een 5 – cel batterij - kleinste spanningstabilisator is de 7805. Dit wil zeggen dat de spanning op zijn uitgang constant 5V bedraagt. Uiteindelijk komt het hier op neer • de minimum voedingspanning bedraagt 12,5 V (5 V + 1,5 V x 5) • het omgezette vermogen in de weerstand is te groot (2 W = 5 V x 0,4 A) 3.2.4 Constante stroombron met operationele versterker (opamp) De opamp (OA1) regelt een constante spanning over de weerstand (Rtk) afhankelijk van de grootte van de ingangsspanning (Vin). Hierdoor kan de stroom ook simpel ingesteld worden. Omdat de spanning over de weerstand (Rtk) constant is, zal er een constante stroom vloeien door deze weerstand, door de transistor en de te laden batterij. Doordat er een versterking is, kan de weerstand (R1) zeer klein gekozen worden.
44
Figuur 45.1 constante stroombron met een opamp De Basis - emitter spanningsval mag dan nog temperatuurgevoelig zijn, de opamp stuurt immers de transistor (Q1) meer of minder open naarmate de spanning over de weerstand daalt of stijgt. Er mag verondersteld worden dat de oopamp zijn ingangen probeert gelijk te maken. Doordat de weerstand klein is, kan de voedingspanning ook klein gekozen worden. Het geleverde vermogen door de voeding is daardoor beperkt tot het minimum. a) Voordelen - met één opamp kunnen er verschillende transistors worden aangestuurd - terugkoppeling - klein voedingsvermogen - makkelijk instelbaar te maken door de ingangspanning (Vin) variabel te maken. - Zeer nauwkeurig - Geen invloed van temperatuursverschillen - Vermogen - en regelgedeelte zijn van elkaar gescheiden b) Nadelen - Verschillende spanningsbronnen nodig - Kleine terugkoppelspanning (Vtk) en ingangspanning (Vin) als de weerstand (Rtk) klein gekozen wordt. 3.2.5 De voorkeur Van deze drie principes zal de lader opgebouwd worden aan de hand van het laatste principe. Het voordeel van het gemakkelijk instellen van de constante stroom heeft de doorslag gegeven om voor dit principe te kiezen. De methode met de transistor is te gevoelig aan de temperatuur, wat zeker niet gewenst is. De methode met de spanningstabilisator heeft als te groot nadeel dat de ingangspanning en dus ook het voedingsvermogen te groot is. Dit waren slechts principes. De verdere uitbouw wordt hieronder besproken.
45
3.3 Uitwerking van de stroombron 3.3.1 Algemeen Om een negatieve voeding enkel voor de opamp uit te sluiten, wordt er gekozen voor een rail to rail opamp met voedingsklemmen tussen 0 V en 5 V. De ingangspanning om de stroom in te stellen kan vanuit diezelfde 5 V- voeding worden afgeleid. Hoe dit precies gebeurt, wordt uitgelegd in het hoofdstuk “voedingen”. 3.3.2 Instellen van de stroom Om de ingangspanning (Vin) bij de opamp met discrete stappen te kunnen regelen, zijn er twee mogelijkheden. Ten eerste kan een potentiometer gebruikt worden met schakelende stappen en ten tweede kan er gebruik gemaakt worden van verschillende spanningsdelers. Het eerste systeem is duur en moeilijk te vinden waardoor de tweede methode de voorkeur krijgt. In de tweede methode zullen er wel meer weerstanden nodig zijn. Op volgende manier zal de spanningsdeler verwezenlijkt worden.
Figuur 46.1 Spanningsdeler (keuze) Opmerking bij het schema: Het grote blok rechts stelt de 12–standen schakelaar voor. Met de twaalfstanden schakelaar wordt het mogelijk gemaakt om negen verschillende referentiespanningen vast in te stellen waarvan één stand regelbaar is. De regelbare stand zal enkel door een operator en niet door een arbeider kunnen worden ingesteld. De acht andere standen zullen vaste waarde bezitten om de meest voorkomende capaciteiten te kunnen laden. Er zijn nu nog drie standen niet in gebruik, die zullen in de toekomst gebruikt kunnen worden om andere types batterijen te laden. Dan is het niet nodig om de
46
volledige laadkast om te bouwen, maar slechts het toevoegen van de juiste componenten zal dan vereist zijn. Deze drie standen zullen met een extra schakelaar aangezet worden, omdat een Li ion batterijen extra voorzieningen nodig heeft tijdens het laden. De stand waarin de weerstand regelbaar is, zal enkel gebruikt mogen worden als bij wijze van proef een niet gestandaardiseerde batterij moet worden geladen of wanneer de laadstroom experimenteel wordt gewijzigd. Daardoor staat er een extra schakelaar in deze tak van de spanningsdeler waar enkel de operator bij kan (bv. met een sleutelschakelaar). De referentiespanning (Vref) is in het hoofdstuk “IC Voeding” uitgewerkt (zie figuur 40.1). Eventueel wordt in de aftakking een buffer geplaatst om dit circuit niet te belasten. Volgende situatie doet zich voor:
Figuur 47.1 Stroombron met spanningsdeler 3.3.3 Werkgebied nauwkeuriger maken. Om nauwkeuriger te werken, kan het instellen van de ingangspanning best gebeuren in het Volt gebied. De spanning over de weerstand ligt in het mV gebied doordat de weerstand (Rtk) klein is. De terugkoppelkring zal daarom versterkt worden. Er moet gebruik worden gemaakt van een niet– inverterende versterker (figuur 48.1) omdat er geen negatieve voedingspanning voor handen is. De versterkingsfactor in de terugkoppelkring hangt af van hoe groot de verschilspanning is, welke spanning aan de uitgang van de opamp (OA1) wordt gewenst en hoe groot de versterkingsfactor van de eerste opamp (OA1) is.
47
Figuur 48.1 Niet inverterende versterker De berekening wordt met volgende formule gedaan: A = 1+R3/R2
(38.1) versterkingsfactor
Hierin is A de versterkingsfactor. Later komt er een berekening waarin dit punt terug zal worden aangehaald. Eerst worden al de verschillende principes uitgelegd die terug zullen komen in de stroombron. 3.3.4 Aansturen van meerdere transistors Indien er meerdere transistors worden aangestuurd door de opamp, zal de opamp niet genoeg basisstroom kunnen leveren. Om dit probleem uit de weg te gaan, wordt er een tussentrap geplaatst tussen de vermogentransistor en de opamp’s. De tussentrap bestaat uit een spanningsvolger en de nodige weerstanden. In figuur 48.2 zijn Q1 en R1 de componenten voor de tussentrap. Het is duidelijk een spanning - of emittervolger, doordat de belasting aan de emitter is gekoppeld.
Figuur 48.2 Stroombron met tussentrap
48
3.3.5 De laadblokkering Om te zorgen dat het laden niet kan starten als de batterij kortgesloten is of te stoppen met te laden als de batterij vol is, wordt er een schakeltransistor geplaatst in elke tak van de basisstroom. Deze transistor zal sperren op het moment dat de batterij kortgesloten of vol is. Het laden van de desbetreffende batterij stopt, de andere batterijen kunnen blijven bijladen zolang de ingestelde laadtijd niet voorbij is. Volgende situatie doet zich voor.
Figuur 49.1 Stroombron met foutcontrole 3.3.6 De totale stroombron 3.3.6.1 Het schema Als de vorige puntjes allemaal worden samengenomen en in het principe schema ingevuld dan wordt de situatie op volgende pagina bekomen. Deze figuur (figuur 50.1) stelt de stroombron voor met al zijn aanpassingen. De stroombron is het hart van de batterijlader. Faalt de stroombron dan is de batterijlader niets meer waard. Opmerkingen bij de tekening: De spanningsdeler om de stroom te kiezen (zie figuur 46.1) is bewust weggelaten omdat dit gedeelte voor meerdere stroombronnen gebruikt kan worden. Om storingen weg te werken, wordt er daarom ook een laagdoorlaatfilter (C1 & R2) voorzien. Rtk1, 2, 3 en 4 zijn weerstandjes van 1Ω om twee keer 0.5 Ω te bekomen. De condensator C2 zorgt voor een integrerend effect. Er kan gesteld worden dat hoge frequenties veel minder hard versterkt worden. De stroom blijft op deze manier veel beter constant.
49
50
Figuur 50.1 de totale stroombron
3.3.7 Berekeningen 3.3.7.1 Weerstanden Eerst en vooral wordt er een inventarisgemaakt van de waarden die gekend zijn. Indien de ingangspanning (Vin) 5 V bedraagt, is het de bedoeling dat er een constante stroom van 400 mA vloeit in de vermogenkring. Indien de weerstand Rtk een waarde van 0,5 Ω heeft, zal de spanning over deze weerstand 0,2 V (= 0,5 Ω x 0,4 A) bedragen. Deze spanning wordt versterkt tot 5 V vermits de opamp regelt tot de twee ingangen gelijk zijn. De versterkingsfactor bedraagt dus: A = Vtk_out/Vtk_in = 5 V/0,2 V = 25 De weerstand R4 wordt gekozen op 2 KΩ, waardoor de andere weerstand (R3) berekend kan worden. A = 1 + R3/R4 R3 = A - 1 x R4 R3 = (25 – 1) x 2 KΩ = 48 ΚΩ In de praktijk worden de weerstandjes respectievelijk gekozen op 47 KΩ en 2 KΩ. De versterkingsfactor wijzigt een weinig ten op zichtte van de theoretische waarde tot A = 24,5. Met een potentiometer kan dit tekort bijgeregeld worden. De condensator C2 is 10nF en sluit de hoogfrequente signalen kort zodat deze niet mee worden versterkt. Als een hoogfrequent signaal een beetje versterkt wordt, zal de stroom instabiel worden. De laagdoorlaatfilter (R2 & C1) wordt gebruikt om het antenne effect en andere storingen van de lange draden te compenseren. De ingangspanning wordt ingesteld met de twaalfstanden schakelaar (zie figuur 46.1). Deze ingestelde spanning wordt ook gebruikt voor meerdere stroombronnen in te stellen en wordt op het frontpaneel gemonteerd, daardoor kunnen er antenne effecten ontstaan in de bedrading. De laagdoorlaatfilter wordt gedimensioneerd zoals op ETAP NV standaard wordt gedaan, R2 = 100 Ω en C1 = 100 nF. De voorschakelweerstand R1 wordt gebruikt als stroombegrenzer en heeft een gekozen waarde in de grootte orde van 1 KΩ. In dit schema is R1 = 1 KΩ. 3.3.7.2 Vermogen Het enige vermogen dat enigszins van belang is, is het gedissipeerde vermogen in de transistor. In normaal bedrijf staat de rimpelspanning over de transistor. De gemiddelde waarde van de spanning over de transistor, het werkpunt, bedraagt 1,3 V. Het gedissipeerde vermogen bij een laadstroom van 400 mA is dan 520 mW (1,3 V x 0,4 A). De transistor moet ook het vermogen bij een kortgesloten batterij kunnen dissiperen. Stel dat in plaats van een batterij een koperdraadje is geplaatst, dan zal de spanning over de transistor 9V bedragen als in de normale toestand een batterij van 5 cellen is geplaatst (leeg:5 V tot vol:7,5 V). Het gedissipeerde vermogen in de batterij bedraagt 3,52 W ((9 V – 0,2 V) x 0,4 A). Er zal dus een transistor van 8 W (2 x Pmax) gebruikt moeten worden om voldoende te kunnen dissiperen.
51
3.3.8 Simulaties en grafieken Om een simulatie uit te kunnen voeren, worden spanningen aangelegd zoals voorgesteld in de onderstaande figuur.
Figuur 52.1 Simulatieschema In dit schema valt één ding op. Er is ook een negatieve voedingspanning op de opamp aangesloten. De reden hiervoor is dat in de simulatie gebruik is gemaakt van een 741 en niet van een rail to rail opamp zodat er een simpel praktisch voorbeeldje kan worden uitgewerkt. Verder in dit schema zijn: -
V1 Gelijkstroom voedingspanning van 9V met een rimpel van 1V. V2 en V4 voeding voor de opamp V3 aangelegde spanning die in de praktijk door de spanningsdeler wordt aangeboden. Er worden twee verschillende spanningen aangelegd zodat de stroom eventjes maximaal en eventjes minimaal is. De weerstandswaarden zijn uitgerekend in bovenstaand puntje 3.3.7 C1 = 100nF en C2 = 2.2nF
52
Figuur 53.1 maximum en minimum stroom Voor elke spanning die de te laden batterij heeft, blijft de spanning over de weerstanden (Rtk1 en 2) en dus ook de stroom door deze weerstanden constant. De gemiddelde spanning over de transistor wijzigt wel. De drie belangrijkste waarden die een batterij kan hebben, worden gesimuleerd. De spanningswaarden van een batterij met vijf cellen, zijn achtereenvolgend 0 V (kortsluiting), 5 V (batterij leeg) en 7,5 V (batterij vol). Volgend spanningsverloop komt er over de transistor te staan. De wisselspanningcomponent stelt de rimpel voor.
Figuur 52.2 Spanning over de transistor In de volgende grafiek wordt de vermogendissipatie in de transistor voorgesteld. Dit wordt belangrijk bij het kiezen van de transistor. Net als in de vorige grafiek zijn hierin de drie belangrijkste gemiddelde spanningen opgenomen bij een constante stroom van 400 mA, nl transistorspanning bij: kortgesloten batterij, lege batterij en volle batterij van vijf cellen.
53
4,00
10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00
3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00
vermogen (W)
spanning (V)
vermogen/ spanning
0,50 0,00 0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
tijd (s)
Figuur 54.1 vermogendissipatie in de transistor 3.3.8.3 Probleemstelling Zoals eerder vermeld, wordt met één stroomregelaar (OA1) verschillende stroomtakken constant gehouden. Aangezien de terugkoppeling maar in één tak aanwezig is, kan dat voor een probleem zorgen. Stel dat er een kortsluiting (over of) in één batterij ontstaat. Bij een kortsluiting in de stroomtak waar de terugkoppeling voorzien is, wordt de uitgang van de stroomregelaar (OA1) kleiner waardoor de transistor (Q2) minder wordt open gestuurd. De stroom wordt echter maar tot de ingestelde stroom verkleint terwijl de spanning over de transistor groter is geworden. Daardoor wordt het gedissipeerde vermogen in de transistor groot. Er zal geen fout gedetecteerd worden als er een fout voorkomt in de tak waar geen terugkoppeling voorzien is. Het gevolg is dat de stroom in deze tak zeer groot blijft en na een tijd kan de transistor (Q3) zo warm worden dat deze kapot gaat. Beter zou zijn dat vanuit elke stroomtak een terugkoppeling is voorzien. Als in iedere stroomtak een terugkoppeling is voorzien, zal de terugkoppeling met de grootste waarde de stroomregelaar bijregelen. Het is minder erg dat er enkele batterijen niet worden geladen, dan dat de lader wordt misbruikt of dat de batterij vermogen aan het dissiperen is. Als in elke stroomtak, zoals in de eerste stroomtak, een terugkoppelcircuit wordt aangelegd met de uitgangen aangesloten op één punt aan de verschilversterker, dan wordt slechts het gemiddelde gemeten. Zo is het dus onmogelijk om een foutsignaal te onderscheiden van de goede signalen. Het grootste signaal moet altijd voorrang krijgen zodat bij een foutsignaal de stroombron wordt afgeknepen. Hoe kan het grootste signaal nu onderscheiden worden van al de andere signalen? Er wordt tot
54
hiertoe slechts een gemiddelde gegeven. Ook als er één signaal uitzonderlijk hoog wordt. Het gemiddelde ontstaat doordat de overige opamp’s negatief gaan sturen waardoor de hoge pieken worden weggeregeld. Als de negatiefregeling wordt uitgeschakeld dan zal het hoogste signaal blijven. Het volstaat een diode vlak achter de opamp te plaatsen maar let wel voor de terugkoppeling van de niet - inverterende versterker. In figuur 55.1 wordt het systeem wel duidelijk.
Figuur 55.1 Terugkoppeling vanuit elke stroomtak Opmerking bij het schema: Om het schema simpel te houden, zijn de stroomregelaar en de voedingsbronnen weggelaten. Stel dat in deze schakeling de spanning over weerstand R3 zeer hoog wordt, dan zal de terugkoppelspanning (Vtk) ook zeer hoog worden. De terugkoppelkring rond opamp 2 (OA2) krijgt een hogere spanning aan de minklem dan de spanning aan de plusklem. Hierdoor zal deze opamp (OA2) zijn uitgang negatief sturen (in dit geval naar massa). De terugkoppelspanning zal echter niet dalen omdat er geen negatieve stroom naar de opamp vloeit doordat de diode (D1) blokkeert. Het gevolg is dat de stroomregeling een kleiner verschilspanning en uitgangspanning krijgt waardoor de transistors (Q1 en Q2) meer dicht worden gestuurd. Wordt het schema van de stroombron aangevuld met bovenstaand schema dan wordt het schema van de volledige stroombron verkregen.
55
4 Meten en signalisatie 4.1 Algemeen 4.1.1 Blokschema
Figuur 56.1 blokschema van de contoleschakeling De batterijspanning is een maatstaf tijdens het laden van een batterij. Nominaal zal deze spanning 1,2 V per cel zijn, die in onbelaste toestand steeds gemeten wordt. Is de batterij leeg en wordt ze belast, dan kan er een spanning van 1 V per cel gemeten worden over de batterij. Is de spanning lager dan 0,8V per cel dan wordt verondersteld dat de batterij kortgesloten of invers gepolariseerd is en wordt deze verwijderd of omgepoold. Indien er 1,5 V per cel wordt gemeten, is de batterij vol en moet het laden gestopt worden. In normale toestand wordt deze spanning niet bereikt omdat de batterijen slechts genoeg lading moet hebben om de testcyclus voor de veiligheidsverlichting uit te testen alvorens deze te verkopen. Na die test mag de batterij gerust terug leeg zijn, de batterij wordt toch vlak na de installatie volledig opgeladen. Het niveau moet echter wel aanwezig blijven voor het geval dat de batterij per toeval toch vol is. 4.2 Vereisten Bij kortsluiting of invers gepolariseerde batterij mag het laden niet kunnen starten totdat de arbeider deze batterij heeft verwijderd of omgepoold. De arbeider moet een hoorbaar en visueel signaal krijgen indien één van deze twee toestanden zich voordoet. Ontstaat de kortsluiting tijdens het laden dan wordt het laden van de kortgesloten batterij alleen onderbroken en wordt er een visueel signaal gegeven. Het laden wordt gestopt na twee uur laden. Er is dan immers genoeg lading opgeslagen voor het testen. Bij toeval kan een batterij vol zijn, deze kans is klein maar ze is er. Komt dit voor dan wordt het laden van de volle batterij gestaakt en moet er een visueel signaal gegeven worden. De andere batterijen worden gewoon verder geladen. Tijdens het laden mag er geen hinder ondervonden worden van het meetcircuit.
56
4.3 Werkingsprincipe De spanning over de batterij wordt gemeten en met behulp van een comperatorschakeling vergeleken, daarna wordt de signalisatie aangestuurd. De spanning waar het gemeten signaal met een comperator wordt vergeleken, moet instelbaar zijn en is een maatstaf voor het aantal cellen. Deze spanningen worden met een spanningsdeler ingesteld met als voeding de temperatuursonafhankelijke voeding. De spanningsdeler wordt ingesteld met een 4- standen schakelaar. Respectievelijk worden er spanningen voor 2, 3, 4 of 5 cellen ingesteld. De voedingspanning voor de opamp’s is de gestabiliseerde 5 V voeding. Om met deze voeding alsnog een analoog meetsignaal te behouden, wordt de gemeten spanning gedeeld door 2 met behulp van een differentiaal versterker. Zo is de 5 V voeding voldoende om een analoog signaal te vergelijken. De batterijspanning is gerefereerd ten opzicht van de massa (0 V), wat de metingen eenvoudiger maakt. 4.4 Spanningsreferentie 4.4.1 Schema Dit onderdeel wordt wederom opgesplitst in twee delen. Het eerste deel bestaat in het instellen van één referentiespanning die afhankelijk is van het aantal cellen. In het tweede deel wordt deze vaste temperatuursongevoelige referentie omgevormd tot de twee nodige referentie spanningen. Met schakelaar S1 wordt het aantal cellen van de batterij ingesteld. Door de weerstandsdeling komt op de uitgang een overeenkomstige referentiespanning (Vref_bat) te staan. Om de berekening eenvoudig te houden, worden de spanningen proportioneel vastgelegd. De waarden worden in punt “berekeningen” berekend.
Figuur 57.1 Spanningsdeler
57
Opmerking bij het schema: De schakelaar S1 is dezelfde als in figuur39.1. Het is een dubbelpolige schakelaar. Er moeten telkens 4 verschillende spanningen met een andere beginspanning worden gegenereerd.
Figuur 58.1 referentiespanningen In dit schema worden de referentiespanningen gecreëerd. Het verschil tussen NiMH en NiCd is verwaarloosbaar. Er kan rekening worden gehouden met de bovengrens: 1,45 V/cel voor een NiMH batterij en 1,5 V/cel bij een NiCd batterij. De versterkingsfactor zal dus steeds groter als één zijn omdat de spanning (VrefH) groter moet worden. De referentiespanning voor een kortsluiting of een verkeerd gepolariseerde batterij is 0,8 V/ cel. In beide gevallen moet hetzelfde gebeuren. Signaleren met ledje en zoemertje + verhinderen dat het laden kan starten. Deze berekeningen worden ook in volgend puntje uitgewerkt. Het vertrekpunt wordt echter zodanig gekozen dat de kleinste referentiespanning wordt verkregen met een versterkingsfactor van 1.
58
4.4.2 Berekeningen Om VrefH te bereiken wordt er vanuit de temperatuursongevoelige spanning vertrokken. De waarde van die temperatuursongevoelige spanning moet dus meer als 4V bedragen. 4V is de maximum waarde welke deze moet kunnen leveren voor de referenties van een 5 - cel batterij. De temperatuurongevoelige zenerdiode kan 4,5V begrenzen. Zijn voorschakelweerstand wordt berekend als volgt; Vr = Vic – Vz U = 5 V – 4,5 V = 0,5 V Imax = 10 mA Rv = Ur/ Izmax = 0,5 V/ 10 mA = 50Ω Hierin is: Vr: Spanning over de voorschakelweerstand Vic: 5 V voeding Vz: zenerspanning Imax: stroom nodig bij deze voeding Rv: voorschakelweerstand Van deze 4,5 V worden er nu door 4 verschillende spanningsdelers, 4 referentiespanningen opgewekt die lineair instelbaar zijn. R5 van schema 57.1 wordt vast gekozen op 10 KΩ en de andere weerstanden worden berekend. Het begin moet echter op een andere plaats gemaakt worden. Een overzichtje van de nodige referentiespanningen is een handigheid. Tabel 59.1 referentiespanningen aantal Vrefkort VrefH (V) cellen (V) NiMH NiCd 2 0,8 1,450 1,50 3 1,2 2,175 2,25 4 1,6 2,900 3,00 5 2,0 3,625 3,75 Als een batterij gemeten wordt, wordt deze spanning gehalveerd. De referentiespanningen moeten dus ook de helft zijn. In het punt “schema” werd al vermeld dat per cel in een batterij de referentiespanning 0,8 V moet zijn. De helft is 0,4 V. De hoge referentiespanning volgt bovenstaande redenatie met dat verschil dat de vertrekspanning afhankelijk is van het batterijtype: 1,45 V/ cel voor een NiMH batterij en 1,5 V voor een NiCd batterij. Omdat het verschil zo minimaal is kan dit verschil verwaarloosd worden. Twee belangrijke gegevens kunnen hieruit nu worden afgeleid: -
de weerstanden voor de spanningsdeler om Vref_bat te genereren. de weerstanden om de versterkingsfactor te bekomen.
De weerstand R5 in figuur 47.1 is vastgelegd op 10 KΩ. De algemene formule voor die spanningsdeler is: 59
VrefH = (Vref x R5) / (R5 + R) In deze formule is: Vro: Startspanning voor het generen van de referentiespanningen en de kleinste referentiespanning. R = R1, R2, R3 of R4 Vref = 4,5 V Vanuit de formule kan volgende tabel worden opgesteld. Tabel 60.1 Weerstanden van de weerstandsdeling aanrtal VrefH cellen (V) 2 0,8 3 1,2 4 1,6 5 2
R (KΩ) 46,25 27,5 18,125 12,5
Rpraktisch (kΩ) 47 R1 27 R2 18 R3 12 R4
Voor het bepalen van de weerstanden van de versterkingsfactor is het handig om de versterkingsfactoren op te sommen. aantal cellen 2 3 4 5
Tabel 60.2 versterkingsfactoren Vrefkort VrefH (V) Vro (V) A (V) NiMH NiCd 0,8 1,450 1,50 1 0,8 1,2 2,175 2,25 1 1,2 1,6 2,900 3,00 1 1,6 2,0 3,625 3,75 1 2,0
A1 1,81 1,81 1,81 1,81
A2 1,88 1,88 1,88 1,88
De versterkingsfactor voor de lage referentiespanning (Vrefkort) is 1 omdat deze gelijk is aan de beginspanning Vref_bat. De andere versterkingsfactoren worden bepaald met volgende formules: A1, A2 = VrefH / Vrefkort & A1 = R2 / R1 (*) Volgende weerstanden zijn uitgerekend: Tabel 60.3 weerstanden A A1 A2
1,00 1,81 1,88
R2(KΩ) 68 68 68
R1(KΩ) praktische weerstand 0 55,08 2x 20K+15K 59,84 3x20K
(*) R1 en R2 is terug te vinden in figuur 58.1.
60
4.5 Controle 4.5.1 Schema en berekening Zoals eerder vermeld wordt de gemeten batterijspanning gehalveerd om met een voeding van 5V toe te komen voor een analoge meting. Dit meetsignaal wordt vergeleken met de referentiespanningen die vooraf gegenereerd zijn. (zie “spanningreferenties”)
Figuur 61.1 Batterijspanning controle Met de uitgangen Fout en Vol kan een ledje, een zoemertje en een transistor worden aangestuurd. Hetzij voor signalisatie of beveiliging. De opamp’s 2 en 3 zijn geconfigureerd als comperator of vergelijker. De naam zegt het zelf al, de spanning op de plusklem wordt vergeleken met de minklem. Afhankelijk van welke de grootste spanning is, wordt er negatieve (als V- > V+) of positieve (als V+ > V-) saturatiespanning gemeten op de uitgang van de opamp. Zijn beide spanningen gelijk dan zit de uitgangspanning op het kantelpunt. Voor een comperator zijn er dus geen berekeningen nodig. De differentiaal vesterker OA1 moet wel berekend worden. Om het eenvoudig te houden worden de weerstanden R1 =R2 en ook R3 = R4 gekozen. Één weerstandswaarde wordt gekozen. Bijvoorbeeld: R1 = R2 = 20 KΩ en de versterkingsfactor is 0,5. Met volgende formule wordt de overige weerstandswaarde berekend: A = R3 / R2 R3 = R2 x A R3 = 20 KΩ x 0,5 = 10 KΩ = R4
61
4.6 Signalisatie 4.6.1 Schema
Figuur 62.1 signalisatie 4.6.2 Fout of vol indicatie Bij een fout mag steeds dezelfde zoemer en ledje in werking treden, bij een volle batterij mag enkel het overeenkomstige ledje oplichten. Om een foutsignaal zonder invloed van de andere opamp’s ten goede te laten komen, is er in de batterijspanning controle een diode voorzien zodat er een analoge wire – OR ontstaat. Voor elke batterij wordt er immers een apart meetcircuit voorzien die elk een fout en vol signaal genereren indien er een fout ontstaat of de batterij vol is. In dit schema moet eigenlijk voor elke batterij dus een vol signalisatie zijn. In werkelijkheid wordt er dus een Vol1, Vol2,…, Vol16 signaal voorzien. De signalisatie van de voeding gebeurt in het voedingsblok omdat dit een ander type van signalisatie is, namelijk met neonlampjes.
62
5 Praktische realisatie 5.1 Algemeen In dit hoofdstukje wordt een idee geschetst van hoe een praktische realisatie kan zijn. Het is echter niet de bedoeling om een print te ontwerpen, hiervoor is gespecialiseerd personeel aanwezig op ETAP NV 5.2 Een mogelijkheid 5.2.1 De instellingen De instellingen gebeuren aan de voorkant met behulp van 2 roterende meerstanden schakelaars. Ook de andere schakelaars zoals: de startknop en tijdinstelling (niet voor een arbeider) worden ook bereikbaar opgesteld. Vlak daarbij worden de nodige signalisatie ledjes voorzien. De schakelaars worden zo kort mogelijk bij de andere componenten geplaatst die samen één functie hebben, vb. de referentie om de stroom in te stellen, is samengesteld uit een roterende meerstanden schakelaar en de weerstanden. Dus worden de weerstanden samen de roterende meerstanden schakelaar samen op een print geplaatst die achteraan het frontpaneel is gepositioneerd. En zo worden al deze schakelaars strategisch geplaatst. 5.2.2 De voedingen De voedingen staan dicht bij elkaar op een strategische (centrale) plaats maar op een verschillende printplaat. De schuiven waarin de batterijen worden geplaatst, mogen deze voedingen niet beschadigen. De voeding wordt bij voorkeur tegen het achterpaneel geplaatst om zoveel mogelijk koeling te hebben. 5.2.3 De stroombron Staat ook op een centrale plaats en dus vlakbij de voedingen. Het is interessant om één stroombron per 4 i.p.v. 16 batterijen te voorzien. Als één stroombron faalt dan laden de ander batterijen gewoon verder. Het is dan ook mogelijk om de stroombronnen gemakkelijk te vervangen. Een falende stroombron kan dan simpel verwisseld, nagemeten en gerepareerd worden. 5.2.4 Batterij – en testkring Deze twee blokken worden op één print geplaatst omdat dit gunstig uitkomt voor de componenten. De batterij wordt aangesloten via batterijhouders die aangesloten zijn via draden. Het meetsignaal wordt niet met aparte draden maar op de print gemeten. Volgend schema verduidelijkt dit.
63
64
Figuur 64.1schema voor printontwerp
5.2.5 Signalisatie Op deze print worden de ledjes gemonteerd die aangeven of de batterij al dan niet vol is. Hierbij mag niet vergeten worden dat de transistoren een pulldown weerstrand aan de basis hebben om een zwevende toestand te vermijden. Eventueel worden extra ledjes door pnp transistoren aangestuurd om aan te duiden dat de batterij aan het laden is. Dit is echter niet noodzakelijk omdat het laden geïdentificeerd wordt bij de vermogenvoeding (Vvoed).
65
Nawoord Door deze batterijlader te ontwerpen, is mijn inzicht i.v.m. elektronica veel beter geworden. Ook ben ik zeer tevreden met de kennis over batterijen die ik mij moest verschaffen. Minder interessant is het feit dat ik geen volledig praktisch geheel naar voor kan schuiven. Ter vervangingen heb ik enkel proefjes gedaan en testprintjes gemaakt.
Dankwoord Mijn dank gaat vooral naar mijn stagebegeleiders en mijn familie die mijn eindwerk wilde nalezen. Ik dank in het bijzonder Frank De Schutter, stagebegeleider van de school, die mij attent hield op de datum waarop ik mijn werk moest binnen leveren en het willen nalezen van mijn eindwerk. Ook Gert Huysmans, stagebegleider van het bedrijf ETAP NV, dank ik zeer hartelijk wegens het verschaffen van de nodige en boeiende kennis over batterijen en de technieken om deze te laden.
Bibliografie a) Geschreven documenten • NORÉUS, Dag, 2000. Substitution of rechargeable NiCd batteries a background document to elevate the possibilities of a finding alternatives to NiCd batteries. brochure, Arrhenius Laboratory, Stockholm University, Stockholm, 35. b) Internet • www.panasonic.com • www.gpbatteries.co.uk • www.saftbatteries.com • www.cn-batteries.com • www.national.com • www.ee.washington.edu/stores • www.powerint.com • www.linear.com c) mondelinge bronnen • HUYSMANS, Gert, 2002. Stagebegeleider, mondelinge mededeling, augustus 2002 tem maart 2003
66
Bijlagen
bijlage 1: NiCd batterij
68
bijlage 2: NiMH batterij
93
bijlage 3: Li – ion batterij
106
bijlage 4: TOPSwitsch
115
