EDITAR1: consulte a continuación para obtener más información sobre su implementación y un viaje actual para colocar dentro o firmemente fijado a la batería para evitar incendios o explosiones. Solo ahora te vi proporcionaste enlaces.
200W de LED ... serás más brillante que las piras. De todos modos, ten cuidado y disfruta. (ah, y, a menudo cometió un error: asegúrese de que haya un poco de cable altamente flexible conectado a cada componente en una chaqueta, el cable de prueba normal de un solo núcleo se romperá. Puede obtener el cable de los auriculares, me encantan las cosas)
Lo que debe hacer es proteger las baterías con un tablero o chip de administración Cell. Muchos paquetes de baterías de gama alta destinados a un automóvil / avión / helicóptero específico ya los tienen adentro, porque es bastante importante siempre y en todas partes.
Los paquetes baratos de eBay / Alibaba no los tendrán, a menudo incluso si se dice que sí.
Luego, agregue cualquier tipo de protección de conmutación dura a 1,5 veces el límite de la unidad de protección.
Lo que hace un sistema así es medir:
- La corriente que entra al cargar
- La corriente que sale al descargar
- El voltaje de la celda de cada batería.
Y a veces, o tal vez incluso a menudo, también equilibran las celdas al final de la carga.
Puede hacer su propio viaje de corriente electrónica con un mosfet, una resistencia de bajo valor y un amplificador operacional de riel a riel. O un amplificador operacional dual si los cálculos tienen que ser un poco más fáciles. Solo asegúrese de usar un cargador de equilibrio si desea poder usarlo con la mayor frecuencia posible. Desafortunadamente tengo que correr ahora, de lo contrario podría haber agregado el esquema completo como un bono.
EDITAR1, Contenido: Primero, algunas charlas sobre baterías y convertidores DC-DC (salte al siguiente encabezado si le aburre, pero puede resultar valioso).
Para poner algunas cosas en perspectiva, debe darse cuenta de que la batería es de solo 4.8Ah y, a menudo, si no siempre, que el contenido de energía se mide a una corriente de descarga relativamente baja, tal vez en este caso alrededor de 2.4A. Si dibuja diez veces más, la capacidad utilizable disminuirá notablemente.
Pero, seamos optimistas y digamos que obtendrá un sorteo de 20A y mantendrá una capacidad útil de 4.5Ah. Esto significará que solo durará 4.5Ah / 20A = 0.225 horas = 13.5 minutos. No puedo decir si estarás contento con eso, pero solo quería asegurarme de que hayas visto los números. Y recuerde, que 4.5Ah probablemente será bastante optimista.
Sobre el convertidor DC-DC, no pude obtener gráficos reales o no obtuve datos tabulares sobre los requisitos o especificaciones del rango de entrada a salida, por lo que asumiré la "eficiencia mínima" indicada, aunque no tengo información sobre si eso es con 0.2V entre entrada y salida, o mínimo 2V, en este último caso, el convertidor puede funcionar peor una vez que la batería comienza a agotarse.
Entonces, a partir de la curva de una batería de polímero de litio promedio, voy a generalizar de manera muy generalizada a un voltaje promedio de 7.1V sobre la vida útil de la batería, para facilitar los cálculos. Para información: una celda pasa de 2.5V a 4.25V sobre su ciclo de carga y al revés sobre descarga, las curvas y densidades exactas dependen de la corriente total nuevamente, por lo que esto rápidamente se convierte en un complejo conjunto de diferenciales, y dado que es solo un "para su info ", voy a generalizarlo a" digamos 7.1V en promedio a corriente constante ".
Considerando todo, si el DC-DC produce 20A a 5V, esa es una potencia de salida de 100W. Que 100W, con la eficiencia especificada más baja es el 82% de la potencia de entrada. Entonces la potencia de entrada tiene que ser: 100W * (100/82) = 122W. ¡Tenga en cuenta que esto significa que 22W se pegan dentro del convertidor = hawtness! Manténgalo en el exterior del atuendo y razonablemente ventilado. 122W significa: 122W / 7.1V = 17.2A. Con 4.5Ah (ligeramente disminuido, como arriba), eso es 4.5Ah / 17.2A = 0.262 horas = 15.72 minutos = 15 minutos y 43.2 segundos.
Como nota: puede mejorar la eficiencia en varios puntos al obtener una celda 3S de 11.1V, para darle al paquete de batería un consumo de corriente más bajo y al convertidor DC-DC más espacio para operar de manera eficiente. (O un DC / DC diferente con un paquete de 22.2V, eso realmente eliminará el peso del consumo actual en el paquete, pero presumiblemente, esos no son tan asequibles si no está comprando 200 a la vez).
Ahora, algunos cálculos actuales Trippy! ¡Hurra!
Ahora, si quieres estar seguro, tomas una corriente de disparo de 25 A por batería. Esto ya puede calentarlos, incluso si pueden tomar 140A, así que prepárese para resolver algunas molestias leves. De hecho, si lo hace correctamente, anticipa lo peor: falla de la protección y explosión y use las baterías en el exterior con dos o tres capas de tela de jeans resistentes entre usted y ellas, posiblemente una capa delgada de tela más suave entre dos capas para extender la presión. Solo una precaución, no puede doler, ¿verdad?
Recorreré los cálculos después del diagrama del circuito, usando 25A. Si desea 40 A o más, bajo su propio riesgo, puede sustituir esa corriente por 25 A y recorrer los cálculos y las búsquedas para encontrar sus nuevos componentes. (O si alguna vez necesita un viaje de 4 A con una batería, eso también es posible con las mismas instrucciones).
simular este circuito : esquema creado con CircuitLab
Ahora, como si esto no fuera lo suficientemente largo, ¡hay más!
OP-AMPS:
Primero: encontrar el amplificador operacional correcto. Eso es un poco difícil, porque el proveedor no incluye un parámetro interesante, como una indicación de costo (lo que le obliga a ir y venir entre un sitio de proveedor), o ninguna búsqueda amplia, lo que le obliga a sumergirse en pequeños sub -cathergories. Elegí un poco arbitrariamente Texas Instruments. Con la estrategia "Haga clic en el número más grande hasta que pueda buscar por parámetros". Como dije, estas personas necesitan aprender un poco sobre la búsqueda todavía.
Así que vine aquí: TI OpAmp preconfigurado Paramétrico
Pongo en:
- Tensión de alimentación total min <= 4.5V (batería muy baja)
- Voltaje de suministro total máximo> = 10 V (picos de carga pico, permita algunos voltios por encima de la batería Vmáx.
- GBW (MHz)> = 0.152 (Gain BandWidth es, para simplificar un poco, el punto donde el amplificador deja de amplificarse, 152kHz todavía permite una reacción muy por debajo de 1 ms, 1 ms debería estar bien, por lo que no necesitamos muchos GBW de MHz.
- Iq (por canal) <= 0,45 mA (esta es la corriente de suministro por amperio. 1/10000 de la capacidad de la batería probablemente estará muy por debajo de la autodescarga de la batería, por lo que este valor máximo debería estar bien.
- Vos <= 3mV (Esto es bastante conservador / restrictivo, pero da muchos resultados. Cuanto más bajo, mejor, pero 3mV ya es lo suficientemente decente. Vos es, para simplificar de nuevo, el voltaje por debajo del cual el amplificador puede no "notar" la diferencia de voltaje de entrada. Elegí un objetivo de disparo de 125 mV, por lo que 3 mV sería 2% ish. Consulte la opción de resistencia para obtener más información).
Luego lo ordené por costo unitario (el más bajo primero) y me desplacé hacia abajo hasta que encontré un modelo de doble canal de riel a riel. Riel a riel significa que las salidas y / o las entradas pueden llegar hasta el voltaje de alimentación. Los amplificadores operacionales normales no siempre le permiten llegar hasta el suministro de voltaje con una respuesta de salida confiable. Rail to rail ahorra mucho en pruebas, pruebas y lectura, a un costo adicional máximo de $ 1. Yo digo: ¡Vale la pena para esta aplicación! Especialmente porque quieres empujar tan fuerte en la puerta del mosfet como puedas (más sobre esto más adelante).
Así que llegué a TLC2262 con desplazamiento de 1 mV , corriente de polarización de entrada baja, ancho de banda de ganancia decente, etc. Y la hoja de datos (¡compruebe esto, siempre!) Dice claramente que el "voltaje de entrada de modo común" incluye el riel negativo. Eso significa que el opAmp nos permitirá medir los voltajes muy muy bajos a través de la resistencia.
RESISTENCIA R1:
El siguiente es el resistor de medición, R1. Elegí elegir un voltaje de disparo superior de 125 mV. Cuanto más bajo vayas, menos energía desperdicias. Pero, si baja demasiado, obtendrá valores de resistencia insanos. Creo que, posiblemente, 5mOhm ya es muy bajo para un diseño de bricolaje, pero es probable que haya algunos con conexiones confiables. Lo que necesitará es una resistencia con alguna forma de conectar la ruta de corriente a dos pines principales, y conectar su medición en dos puntos exactamente donde comienza la resistencia. Porque los cables de la resistencia distorsionarán rápidamente su medición. Imagine una resistencia de potencia como esta:
simular este circuito
Si mide en los extremos de los cables, mide más de 9 mOhm, donde espera 5 mOhm, ¡eso es casi el doble! Entonces, conecta el opAmp lo más cerca posible de la resistencia real, con tan poco como el cable de corriente que lo transporta.
Ahora, elegimos 5mOhm. Con una corriente máxima de 25 A, podemos calcular la disipación de potencia de la resistencia, mediante: P = I ^ 2 * R = 25A * 25A * 0.005Ohm = 3.125W. El esquema muestra 5W para mayor certeza.
Asumiré en los próximos cálculos que puede obtener conexiones confiables. De lo contrario, podría realizar una prueba con un suministro de laboratorio de alta corriente (10A, por ejemplo) y un multímetro decente para ver cuál sería el voltaje por 25A (2.5 veces lo que mide a 10A).
Entonces, con R = 0.005 Ohm (5mOhm), podemos calcular la caída de voltaje de la siguiente manera: V = I * R = 25A * 0.005Ohm = 0.125V = 125mV. Llamaremos a esto V (r1) más tarde.
DIODO
Entonces tenemos que mirar D1. Si estimamos que el voltaje a través de D1 es de aproximadamente 0.5V, podemos calcular la corriente a través de él usando nuestro voltaje de batería promedio estimado de 7.1V y resistencia R4, de 120kOhm .: V (r4) = Vbat - Vdiode = 7.1 - 0.5 = 6.6V. Idiodo = I (r4) = 6.6V / 120kOhm = 55uA. (Es agradable y bajo). Ahora, para finalizar correctamente los cálculos, debemos mirar la hoja de datos 1N4148. El 1N4148 de Vishay es barato, fácil de conseguir y muy bueno para este propósito, así que miramos: 1N4148
En la página 2, en la Figura 2, podemos ver cuál es el voltaje directo (Vdiode) para una corriente directa. Desafortunadamente, el gráfico va solo a 100uA, pero dado que el diodo responde de manera agradable y suave en la región inferior, acercándose a una determinada asíntota a 0.00001uA, podemos extrapolar aproximadamente Vf (diodo) = 0.45V a 55uA. Parece que estuvimos fuera por unos 50mV. Podemos seguir funcionando, pero la resistencia es bastante grande y también lo es el voltaje a través de ella, así que, en general, estaremos "lo suficientemente cerca" para una ventana de disparo de 24 A a 27 A, por así decirlo. En la figura 1 podemos ver que el Vf (diodo) disminuye con una temperatura más alta, por lo que si las baterías se calientan, el monitor actual se apagará antes, suena como una buena característica.
Función OP-AMP y matemática
Ahora, Op-Amp OA1-B (segunda parte del TLC dual Op-Amp) se utiliza como competidor. No hay comentarios de la salida a las entradas. Esto significa que si la entrada negativa (-) supera la entrada positiva (+), el amplificador hará que su salida baje. Cuando + es mayor, el amplificador oscilará alto. Entonces, si el voltaje proveniente de OA1-A es marginalmente más alto (conectado a la entrada -) que el voltaje del diodo de 0.45V (conectado a la entrada +), el Op-Amp apagará el MOSFET.
Por ahora, ignore R8, R9, LED1 y Q1, por el momento, no tienen ningún efecto lo suficientemente significativo.
Aquí vienen algunas matemáticas mágicas de OpAmp para OA1-A. Un OpAmp, en su definición más simple (que podemos asumir razonablemente en este caso específico de OA1-A), intenta obtener su entrada negativa (-) para obtener el mismo voltaje que su entrada positiva (+), ajustando La salida.
Entonces, si el disparo de corriente se activa, el voltaje de la resistencia, V (r1) es de 125 mV como lo calculamos antes de usar el valor del resistor y la corriente de disparo. Suponiendo este punto, la entrada OpAmp + será 125mV más alta que el terminal negativo de la batería. Ahora el OpAmp intenta que V- tenga el mismo voltaje. Asumiendo que logrará esto, el voltaje a través de R2 también es de 125mV. Ahora, un OpAmp no puede poner ninguna corriente significativa fuera o dentro de sus entradas, por lo que la corriente debe provenir de la salida del OpAmp a través de la resistencia de retroalimentación, R3. Entonces, la corriente a través de R2 y R3 es (aproximadamente) la misma.
R2 y R3 (Como continuación de OP-Amp Math)
Corriente a través de R2 y R3:
I (r3) = I (r2) = V (r2) / R2 = V (r1) / R2 = 125mV / 7.5kOhm = 16.7uA. (V (r2) puede sustituirse por V (r1) debido al deseo del amplificador operacional de obtener su entrada - y + al mismo voltaje).
Ahora queremos que la salida sea la misma que el voltaje del diodo en el punto exacto de disparo, de modo que un poco más apague el MOSFET. Entonces, el voltaje a través de R3 tiene que ser:
V (r3) = Vf (diodo) - V (r2) = Vf (diodo) - V (r1) = 0.45V - 0.125V = 0.325V (nuevamente la sustitución debido al comportamiento de retroalimentación del Op-Amp).
Lo que da: R3 = V (r3) / I (r3) = 0.325V / 16.7uA = 19.5kOhm.
Entonces, la relación entre R3 y R2 es R3 / R2 = 2.6
entonces, en el esquema anterior, podemos sustituir los valores dados por cualquier valor estándar / localizable que sea un factor 2.6 aparte, porque eso mantendrá el mismo equilibrio. Pero trate de mantener el R2 entre 1kOhm y 10kOhm, de modo que permanezca dentro del área de señal de baja fuga, pero razonable (10uA a 150uA). 1.5kOhm y 3.9kOhm serían una opción, o 2.0kOhm y 5.2kOhm, o, posiblemente, 10kOhm y 26kOhm.
POR QUÉ R5?
El 220Ohm R5 es solo una precaución. Evita que el OpAmp intente rápidamente generar una gran corriente en la puerta, protegiendo tanto el OpAmp que use como el MOSFET.
El MOSFET
El MOSFET: Esto es nuevamente un poco complicado. Viene de años de experiencia en desarrollo para elegir un MOSFET de alta potencia. Hace 10 a 15 años, podría haber dicho "Eche un vistazo a los transistores bipolares, porque probablemente podrían ser más adecuados", pero en estos días, para una conducción estable de alta corriente: ¡MOSFET!
Ahora, lo que desea principalmente: Baja resistencia (R (ds) -on) en sus condiciones de operación. Cuanto más alta sea la resistencia, más poder arrojarás en el MOSFET. Tirar el poder = no es favorable. Entonces, si puede obtener 0 en su presupuesto, obtenga 0. Por supuesto, no es posible obtener 0, y en su presupuesto la constricción puede empujarlo hasta 3mOhm R (ds) Encendido en óptimo, o 10mOhm a 20mOhm R ( ds) Encendido con un voltaje de puerta máximo obtenible de aproximadamente 7V. Cuanto mayor sea el voltaje de la puerta (hasta un límite: cada hoja de datos le dirá a qué voltaje de la puerta se romperá "V (gs) Max"), mejor. Entonces, con una batería 3S en lugar de una batería 2S, también obtendrá una mejor conducción MOSFET.
A continuación, debe asegurarse de que realmente pueda conducir las corrientes que desea atravesar y que tenga un paquete que le resulte cómodo para enfriar si es necesario. En este punto, elegí International Rectifier, porque nunca compré un MOSFET IR y me entristecí una vez que comencé a usarlo. En mi opinión, realmente cumplen con las especificaciones y los gráficos que proporcionan, por lo que es una buena calidad cuando se busca poner altas corrientes a través de algo.
Así que fui aquí: tabla del rectificador internacional "StrongIRFET"
Ahora, IR tiene diferentes series, y es posible que otra serie te brinde opciones más asequibles que las que estoy haciendo, pero también te dejaré un poco de investigación (en este momento tengo 3 horas) :-). Me gustaron mis posibilidades con el nombre "StrongIRFET" y los resultados no me decepcionaron.
Entonces, ordené por R (ds) On, porque necesitas elegir algo y en este caso es tan bueno como cualquiera.
Luego, me desplacé hacia abajo para encontrar un paquete agradable, con 20 años de experiencia en fiddlin, mis ojos filtran los nombres de paquetes casi instantáneamente en "Esto es SMD", "Esto es a través del agujero" y "Esto no tiene sentido" (y muchas subcategorías) . Pero para hacer una guía pequeña y cruda, si dice "TO2 **?", ¿Dónde * son números y? o no está presente o es una carta, es muy probable que sea un paquete de orificios pasantes con un bonito orificio de tornillo para montarlo en una pieza de metal y eliminar el calor. Estos, para las personas que comienzan con MOSFETS, son probablemente su mejor opción. Haga clic en uno de esos, revise la hoja de datos, verifique el precio del ratón, verifique si ha logrado un equilibrio de felicidad entre $$$ y HAWT-HAWT-HAWT. ¿Cómo? ¡Fácil! ... ish.
El ejemplo MOSFET: IRFP7430 . En la hoja de datos (<- clic ), en la página 2 dice algo bastante impresionante. La segunda tabla (para 25 grados C), tercera línea, R (ds) On es 1.2mOhm con Id = 50A y Vgs = 6V. Eso suena alcanzable! Pero, en el diseño electrónico, se ve obligado a una vida de pesimismo, por lo que buscamos gráficos. Los gráficos son nuestros amigos.
En la página 4, compare la Fig. 3 y la Fig. 4. ¡Si hace más calor, se sale de los rotafolios! Bueno, hay algunas cosas que suceden allí, en las que no voy a entrar, pero básicamente, si usamos el gráfico para 25 grados C, es probable que esté bien.
Entonces. Asumimos que nuestro voltaje de batería más bajo es de 5V, por lo que V (gs) estará cerca de la marca de 4.8V. En efecto, el pesimismo nuevamente nos lleva a usar la curva de 4.8V (una arriba de la inferior). La figura 3 nos muestra que a 20A, en el peor de los casos, estaremos "cayendo" 0.25V. ¡Eso es mucho! Pero recuerde, en este caso la batería ya está bastante descargada, por lo que no durará mucho de todos modos.
Cálculo de la potencia perdida: P = I * V = 20A * 0.25V = 5W. Por lo tanto, necesitará un disipador térmico u otra pieza de metal para eliminar parte del calor.
Ahora, durante la "operación promedio", con 7.1V, el V (gs) probablemente alcanzará cerca de 6.8V. Dado que 6.0V y 7.0V no están tan separados en el gráfico, calcularemos aproximadamente a mitad de camino entre ellos. Problema. La corriente versus el voltaje está fuera de nuestro rango de nuestro límite superior de 25A.
Pero, podemos hacer una estimación, que con la escala logarítmica de ambos ejes y un comportamiento ligeramente sub-lineal a 25A, la caída de voltaje será de aproximadamente 55mV. Hago esto usando una regla y un poquito de interpolación cerebro humano (los artistas llaman a esto imaginación, pero creo que eso suena deslucido). Por lo tanto, en su área operativa promedio de corriente de disparo se disipará: P = V * I = 0.055V * 25A = 1.38W. Eso es mejor que la pequeña resistencia eensy weensy que elegimos. ¡Increíble!
Entonces, ahora al ratón (solo una indicación): IRFP7430PBF
Ugh! $ 6.86? Puede ser aceptable, pero aún así, ¡SIGUIENTE! (por cierto, puede hacer el ratón primero si tiene un presupuesto ajustado, guarda muchos gráficos, pero para un ejemplo decente, elegí hacerlo al revés).
Siguiente MOSFET: irfp7537
Se ve bien y fornido. Aprendimos de nuestro error, el ratón primero.
Mouser: IRFP7537PBF
Hm, $ 3.22. Mucho mejor.
Ahora los gráficos, haga clic en el enlace de arriba para la hoja de datos (después de "Siguiente MOSFET"). Comparando la Fig. 1 de esta con la Fig. 1 de la anterior, ya está claro por qué esta es la mitad del costo. ¡Es el doble de resistencia! Pero aún así, algunos cálculos rápidos utilizando los métodos mostrados anteriormente:
Batería ultrabaja, V (gs) = 4.8V, estimada a medio camino entre la línea de 4.5V y 5.0V, peor caso a 20A: V (ds) = 0.25V. ¡Heno! ¡Mismo! Por lo tanto, estos MOSFET tienen algunos puntos en común. Así que de nuevo, agrega metal.
Batería promedio: V (gs) = 6.8V, gráfico en algún lugar entre 6.0V y 7.0V. Esta vez, el borde está a 30A con 0.1V, por lo que 25A es probablemente alrededor de 0.08V en lugar de 0.055V. Entonces, con este, la disipación promedio de la corriente de disparo es: P = 0.08V * 25A = 2W. ¡Aún menos que la resistencia!
Por lo tanto, en efecto, también puede elegir el segundo, porque el convertidor CC / CC, los cables, la resistencia interna de la batería y la resistencia de medición juntas aún desperdician mucha más energía que su MOSFET.
R6, R7, R8, R9, Q1, SW1
Ahora solo hay un problema que solucionar: una vez que se desconecta la corriente, el MOSFET se apaga, esto es bueno. Pero, entonces ya no hay corriente. Entonces, el Op-Amp OA1-A vuelve al modo "sin sobrecorriente medido". Esto significaría que el Op-Amp OA1-B vuelve a encender el MOSFET. Pero muy rapido. En el lapso de fracciones de un milisegundo. Por lo tanto, comenzaría a oscilar y limitaría efectivamente la corriente de forma continua, pero aumentaría rápidamente el calor en el MOSFET.
Para resolver esto, Q1 y algunas resistencias se lanzan como "memoria". Si el Op-Amp OA1-B baja, para apagar el MOSFET, el transistor Q1 se enciende. Q1 luego genera corriente en el negativo del Op-Amp OA1-B y el LED a través de R9. R8 se asegura de que el Op-Amp OA1-A no se moleste por esto (ya que OA1-A quiere que su salida sea 0V).
Esta situación significa que el Op-Amp OA1-B sigue viendo un voltaje mucho más alto: entrada que la entrada +, manteniendo la salida baja y el MOSFET apagado. Además, el LED se ilumina para notificarle: "He activado una sobrecorriente". (Sin embargo, use un LED de baja corriente o alto brillo, ya que elegí mantener la corriente pequeña).
Ahora, si presiona SW1, cableará la base del Q1 a la batería +, apagando el transistor y restableciendo el esquema a su estado normal. A menos que la sobrecorriente todavía esté allí, en cuyo caso presionar el interruptor causará la oscilación descrita anteriormente. Por lo tanto, es una buena idea no mantener el botón presionado durante mucho tiempo, por si acaso.
NOTA 1: es posible que el sistema se filtre en la Q1 cuando se conecta por primera vez la batería, una pulsación rápida del botón debería solucionarlo.
NOTA 2: También puede cargar la batería a través del MOSFET en circunstancias ideales, pero para evitar causar un comportamiento extraño en los amplificadores operacionales, es mejor cargar la batería directamente, sin este esquema de conmutación en el medio.
NO RESUMEN ...... ¡Estoy cansado ahora! Son las 6:10 de la mañana otra vez.
Estaba planeando resumir todas las fórmulas, pero como ya llevo más de 5 horas en esta publicación, creo que se lo dejaré al lector.