¿Cómo diseño un circuito de carga de corriente constante?

Actualmente soy un joven en ascenso en EE y, sinceramente, estoy completamente perdido ... Se me ha encomendado el diseño de un circuito de carga de corriente constante para descargar partes del paquete de baterías para el club de carreras solares de Georgia Tech, pero realmente no sé donde empezar. Tengo conocimientos básicos de circuitos, pero no tengo experiencia real.

Estuve en línea y vi cómo hacer el más simple, donde un amplificador operacional está conectado con una resistencia de carga y, por lo tanto, puede extraer corriente de lo que esté descargando, pero en cuanto al resto, estoy perdido. ¿Alguien puede explicarme cómo funcionan los complicados circuitos de carga de corriente constante? Si pudiera dar un ejemplo de uno y guiarme por él, lo agradecería mucho.

Gracias.

actualización: Perdón por no aclarar tantas cosas, esta es la primera vez que hago una pregunta aquí. Estoy tratando de hacer un circuito de carga de corriente constante porque el equipo necesita un descargador de módulos. La batería tiene 35 módulos, por lo que cualquiera de los módulos que se descarguen demasiado rápido nos dará una indicación de qué partes del paquete tienen deficiencias en la capacidad. Cada módulo se dispara a un bajo voltaje de 2.5 V y sobrevoltios a 4.2, aunque generalmente flota alrededor del rango superior 3. No estoy muy seguro de cuál es la capacidad de mAh para cada módulo, pero le envié un mensaje a mi líder preguntándole. Sin embargo, sé que quiere descargar cada módulo a 20 amperios utilizando el circuito de carga de corriente constante.

¿Diseñar un circuito de carga de corriente constante para descargar una batería?

La matemática básica detrás de una carga CC está bien presentada aquí en una nota de aplicación de TI.

En esta aplicación, se utiliza un DAC para establecer un valor de corriente preciso, pero, por supuesto, esto también podría ser un bote simple a través de VCC a tierra. El integrador sube o baja el accionamiento de la compuerta para lograr la corriente deseada a través de Q1 ajustando el valor óhmico de RDS.

Es difícil ofrecer mucha ayuda más allá de lo anterior, ya que no especifica ningún parámetro que deba cumplir. (¡espero que su educación en EE eventualmente lo haga consciente de cosas como especificaciones y documentos de requisitos!).

Debe pensar en esto al escalar el circuito anterior según sus necesidades:

1. Rango de corriente y potencia a ser disipada por esta carga CC. Por ejemplo, descargar una batería de 10AH 12V frente a una batería de 500AH 12V en una hora, por ejemplo, podría producir niveles de disipación de energía en el rango de 100W a 6kW.
2. ¿Cómo controla el inicio y la detención (apagado y encendido) de esta carga CC? Especialmente al final del período de descarga, ¿se trata de un proceso puramente manual (cables de puente) o tiene alguna automatización que se ejecutará durante un tiempo fijo o en un punto final de voltaje definido?
3. ¿Hay puntos finales de voltaje definidos?
4. ¿La carga CC está alimentada por la batería que está descargando o se alimenta por separado?
5. ¿Esta carga CC comprende una gama de baterías (voltaje terminal y química). Por ejemplo, ¿es esto para descargar una sola celda de LiIon o una batería compuesta de muchas celdas?

Y por último....

6. ¿Realmente quieres CC o Constant Power sería la mejor solución? Por ejemplo, la corriente para descargar una batería de 12V en comparación con una batería de 50-170V. Todos los paquetes de baterías pueden ser del mismo tipo y tamaño de celda ... pero sería mucho mejor usar energía constante en la mayoría de los casos en los que su dispositivo de carga tiene una capacidad de disipación limitada.

Ahora que ha actualizado su pregunta para incluir algunas especificaciones, se pueden dar algunos consejos.

1. Con una corriente de carga de 20A y un rango de voltaje terminal de 2.5-4.2V, puede tomar decisiones sobre dónde disipar la energía.

En este caso, podría optar por disipar tanta energía como sea posible en una carga resistiva simple. Por ejemplo, podría usar una resistencia de 0.1 Ohm y regular el voltaje a 2V. Esto se disiparía alrededor de 40W. Si bien una resistencia de potencia es costosa, es MUCHO más barata que el disipador térmico extruido para un dispositivo activo.

2. Luego puede elegir un dispositivo activo para disipar el resto de su carga máxima requerida (4.2V @ 20A). La disipación máxima es de aproximadamente (4.2 * 20) - 40 = 44W. Esto está dentro del alcance de un solo dispositivo FET con un disipador térmico apropiado. Mostré este dispositivo a continuación.

3. También puede considerar que puede querer un diodo en serie en el circuito para tener cierta protección contra la polaridad.

Entonces un esquema parcial podría verse así:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Aquí hay un sumidero capaz de corrientes bastante altas, pero tenga cuidado ya que la compensación de bucle no es muy simple. Tenga en cuenta que esto es para mostrar cómo funciona dicha carga.

Si actualiza la pregunta con detalles, entonces es posible un diseño real.

La operación es bastante simple:

Vref establece la corriente de sumidero como Vref / (ganancia OA1 * R1).

Configurando Vref a 1.2V (un voltaje de referencia muy común), entonces tengo 1.2 / (10 * 0.12) = 1A

La resistencia de detección (R1) puede ser menor en este tipo de circuito, por lo que tenemos menos disipación de potencia en la resistencia de detección que un solo circuito amplificador, a expensas de cierta complejidad adicional.

R4 y C1 establecen un filtro de paso bajo (OA2 es un integrador).

R3 y R2 establecen la ganancia del amplificador de detección y el FET que he elegido es un dispositivo Rds (on) realmente bajo (5m en la unidad de puerta de 5V).$\Omega$

R5 está presente para aislar los efectos de la carga de la puerta FET en la salida de OA2.

R3 puede necesitar un pequeño condensador en paralelo para superar el polo natural en la entrada a OA1 (debido a la capacitancia efectiva del pin).

El dispositivo (en su caso, una batería) tendría su terminal positivo en el nodo Isink.

No entraré en los detalles matemáticos aquí (Otros pueden sentirse libres de hacerlo) ya que estoy tratando de explicar los conceptos básicos de la operación del circuito.

Consideraciones de diseño:

Potencia de Opamp: Esto debe ser lo suficientemente alto como para conducir la puerta lo suficientemente alto como para lograr Rds realmente bajos (encendido).

Ganancia en el amplificador 1: Mantenerlo por debajo de 20 es mi regla habitual (debido a problemas de estabilidad).

C1 generalmente está en los cientos de pF a unos pocos nF para muchas implementaciones, pero es específico de la aplicación. Esto también es lo suficientemente alto como para saturar cualquier parásito de diseño que esté presente. Asegúrese de que sea un dispositivo C0G .

Amplificador de ganancia de ancho de banda del producto; para OA2 puede ser necesario elegir un dispositivo con un GBW bajo para que los postes en ubicaciones desafortunadas no afecten la estabilidad.

Elemento de paso (FET): claramente debe tener suficiente V (DS) para manejar el voltaje de la batería. Rds (encendido) debe ser lo más bajo posible y la carga total de la puerta también debe ser lo más baja posible para minimizar la carga capacitiva en OA2 ya que está en una configuración de ganancia unitaria.

Un circuito práctico tendrá más características, como aplicar Vref o conectar a tierra la entrada no inversora de OA2 para habilitar y deshabilitar el sumidero de corriente. Otra característica podría ser una resistencia desplegable en la puerta de M1. Bien podría haber mucho más dependiendo de dónde se encuentre el circuito.

Deliberadamente no he elegido los amplificadores, ya que es muy específico de la aplicación.

Antes de intentar construir un circuito real, sugiero ejecutarlo en un simulador como LTSpice u otra herramienta de simulación analógica capaz.