Ардуино зарядное устройство для автомобильного аккумулятора своими руками

Зарядное устройство на 12 В на основе Arduino и LM317

В настоящее время большая часть электронных устройств запитывается с помощью свинцово-кислотных батарей. В этой статье мы рассмотрим как перезаряжать подобные батареи с помощью простой схемы на Arduino, которую можно собрать в домашних условиях – отличный шанс сэкономить на покупке зарядного устройства.

Для начала постараемся понять основные принципы работы свинцово-кислотных батарей чтобы мы смогли спроектировать наше зарядное устройство максимально эффективным образом. Большинство продающихся в настоящее время свинцово-кислотных батарей имеют напряжение 12 В. Ампер-часы (А*ч) каждой батареи могут отличаться в зависимости от требуемой емкости батареи, к примеру батарея на 7 А*ч будет способна обеспечивать ток 1 Ампер в течение 7 часов (1 Ампер * 7 часов = 7 А*ч).

Рекомендуемый ток заряда для свинцово-кислотных батарей составляет 1/10 от их емкости (в Ампер-часах). То есть для батареи емкостью 7 А*ч рекомендуемый ток заряда будет составлять 0,7 Ампер. Больший ток заряда может нанести вред батарее и уменьшить срок ее службы. Учитывая данный фактор мы и будем проектировать наше домашнее зарядное устройство, способное обеспечивать переменное напряжение и переменный ток. Ток заряда будет регулироваться на основе значения емкости батареи.

Создаваемое нами устройство для заряда свинцово-кислотных батарей можно будет использовать и для заряда ваших мобильных телефонов при помощи соответствующей регулировки подаваемого тока и напряжения с помощью потенциометра. То есть наше устройство представляет собой источник регулируемого постоянного тока, которое работает от сети переменного тока. Также для лучшего понимания материала этой статьи можно прочитать недавно рассмотренный на нашем сайте проект источника напряжения питания 0-24В 3А на Arduino и LM338.

Необходимые компоненты

1. Трансформатор на 12В 1А.
2. Микросхема LM317 (2 шт.) (купить на AliExpress).
3. Диодный мост W005.
4. Контактная колодка (2 шт.).
5. Конденсаторы 1000 мкФ (купить на AliExpress) и 1 мкФ (купить на AliExpress).
6. Конденсаторы 0,1 мкФ (5 шт.) (купить на AliExpress).
7. Резистор 1 кОм (5 шт.) (купить на AliExpress).
8. Диоды Nn007 (3 шт.).
9. Операционный усилитель LM358 (купить на AliExpress).
10. Шунтирующее сопротивление (проводник) 0.05 Ом (купить на AliExpress).
11. Плата Arduino Nano (опционально) (купить на AliExpress).
12. ЖК дисплей 16х2 (опционально) (купить на AliExpress).

Работа схемы

Схема зарядного устройства без платы Arduino и ЖК дисплея представлена на следующем рисунке.

Основная цель нашего источника питания на 12 В – управлять напряжением и током, подаваемым на свинцово-кислотную батарею чтобы заряжать ее в максимально комфортном для нее режиме. Для этой цели в схеме использованы две микросхемы LM317 – одна для управления значением напряжения (U3), а вторая (U1) для ограничения тока. Также мы настоятельно рекомендовали бы вам изучить даташит на микросхему LM317, поскольку это может пригодиться вам не только для этого проекта, но и для других похожих проектов, в которых данная микросхема используется в качестве регулятора напряжения.

Простая схема регулятора напряжения, взятая из даташита на LM317, представлена на следующем рисунке.

В этой схеме значение выходного напряжения регулируется с помощью значений сопротивлений R1 и R2, в нашем проекте мы это делаем с помощью изменения сопротивления резистора R2. Формула для вычисления значения выходного напряжения выглядит следующим образом:

Vout = 1.25 (1+R2/R1).

Используя данную формулу мы в нашем проекте выбрали значение сопротивления 1K (R8) и использовали потенциометр 10К (RV2).

Схема ограничения значения тока, взятая из даташита на LM317, представлена на следующем рисунке.

Это простая схема, которая может быть использована для ограничения значения тока в нашей схеме, основанная на значении сопротивления R1. Формула для вычисления значения выходного тока выглядит следующим образом:

Основываясь на этой формуле мы в нашей схеме выбрали значение сопротивления RV1=100 Ом.

То есть для управления значениями выходных напряжения и тока мы в нашей схеме использовали два потенциометра — RV1 и RV2. На микросхему LM317 напряжение подается с выхода диодного моста, а на диодный мост – с выхода трансформатора через коннектор P1. Трансформатор должен быть на 12 В и 1 А. Представленная схема достаточна для того чтобы выполнять поставленную функцию – обеспечивать на выходе схемы заданные ток и напряжение. Но ее можно улучшить с помощью ЖК дисплея, на экране которого можно наглядно контролировать указанные параметры.

Отображение значений напряжения и тока на ЖК дисплее с помощью Arduino

Отображать текущие значения напряжения и тока на выходе нашей схемы мы можем с помощью платы Arduino Nano и ЖК дисплея 16х2.

Поскольку плата Arduino Nano работает с напряжениями не более 5 В, то для того чтобы не сжечь ее напряжением 12 В мы применим делитель напряжения, схема которого представлена на следующем рисунке. Также вопросы контроля значения напряжения на выходе схемы с помощью платы Arduino можно изучить в статье про источник напряжения питания 0-24В 3А на Arduino и LM338.

Для измерения значения тока мы использовали шунтирующее сопротивление R4 чтобы создать падение напряжения на резисторе как показано на следующей схеме. После этого мы можем легко определить значение тока, используя известный закон Ома – I=V/R.

Значение шунтирующего сопротивления мы выбрали равным 0.05 Ом, поэтому максимальный ток, который можно пропускать через нашу схему, будет равен 1,2 А, что соответствует выбранным нами параметрам трансформатора. Мощность, рассеиваемую на резисторе, можно будет определить с помощью известного выражения P=I^2/R. В нашем случае получаем P=(1.2*1.2*0.05) => 0.07, что менее чем четверть ватта. При изменении значения шунтирующего сопротивления рассеиваемую мощность необходимо будет пересчитать.

Теперь, когда мы можем рассчитать падение напряжения на резисторе R4, мы можем рассчитать ток через нашу схему с использованием Arduino. Но это падение напряжения слишком мало для того, чтобы его можно было измерить с помощью Arduino. Поэтому в нашей схеме мы применили операционный усилитель LM358 как показано на выше приведенном рисунке. Сигнал с выхода данного операционного усилителя подается на нашу плату Arduino через R-C-схему чтобы измерять значение тока и отображать его на ЖК дисплее.

Далее можно использовать какой-нибудь симулятор (рекомендуется) для проверки работоспособности схемы прежде чем собирать ее в «железе». Мы данном случае использовали симулятор Proteus 8 для тестирования схемы как показано на следующем рисунке. Скачать готовый файл нашей схемы для данного симулятора вы можете по следующей ссылке.

Создание печатной платы для нашего устройства

Данная статья является переводом с этой статьи на англоязычном сайте и раздел про создание печатной платы я не переводил потому что подходы, использованные авторами статьи-оригинала для создания печатной платы, могут кардинальным образом отличаться от тех подходов, которые используете вы. Поэтому если вы хотите реализовать рассмотренное в данной статье зарядное устройство на 12 В на печатной плате, то можете сделать это любым удобным для вас способом (к которому вы привыкли). У авторов статьи-оригинала в результате получилось устройство следующего вида:

Тестирование зарядного устройства

Плата Arduino и ЖК дисплей не являются обязательными элементами для нашей схемы – они используются только для целей контроля, поэтому вы можете временно смонтировать их на схеме с помощью специальных колодок, чтобы потом можно было легко их убрать и использовать в других проектах.

Для тестирования устройства удалите с нее плату Arduino и подсоедините схему к трансформатору. После этого отрегулируйте выходное напряжение к требуемому уровню с помощью потенциометра RV2. Проверьте выходное напряжение схемы с помощью мультиметра и подсоедините ее к батарее как показано на следующем рисунке. Теперь наше устройство готово к работе.

Прежде чем подсоединять плату Arduino к нашей схеме удостоверьтесь что на контакте, к которому мы будем ее подсоединять, напряжение не превышает 5 В, иначе мы можем испортить плату Arduino. Используйте ниже приведенный текст программы для загрузки его в плату Arduino. Эта программа предназначена для отображения значений тока и напряжения на экране ЖК дисплея. Более подробно весь этот процесс показан в видео в конце статьи.

Данное устройство можно использовать и для заряда сотовых телефонов, но для этого необходимо будет уточнить какие значения напряжения и тока требуются для заряда вашего сотового телефона. Также к схеме необходимо будет подсоединить USB кабель.

Исходный код программы

Код программы достаточно простой, поэтому комментариев к нему нет. Но если у кого возникнут какие либо вопросы по тексту данной программы, то вы можете задать их в комментариях к данной статье.

Источник

Создание зарядного устройства, управляемого Arduino

Arduino и добавленная к ней схема заряда могут быть использованы для мониторинга и управления зарядкой никель-металл-гидридных аккумуляторов, например, так:

Законченное устройство

Аккумуляторные батареи являются отличным способом для питания вашей портативной электроники. Они могут сэкономить вам много денег при правильной зарядке. Для того, чтобы вы могли получить максимальную отдачу от ваших аккумуляторных батарей, их необходимо правильно заряжать. Это означает, что вам необходимо хорошее зарядное устройство. Вы можете потратить кучу денег, купив готовое зарядное устройство, а можете получить удовольствие, сделав его сами. В данной статье мы рассмотрим, как можно создать зарядное устройство, управляемое Arduino.

Во-первых, важно отметить, что не существует универсального способа зарядки, который подходил бы для всех аккумуляторов. Разные типы аккумуляторов используют разные химические процессы, обеспечивающие их работу. В результате, разные типы аккумуляторов необходимо заряжать по-разному. В этой статье мы не сможем охватить все типы аккумуляторных батарей и методы зарядки. Поэтому для простоты мы сосредоточим внимание на наиболее распространенном типе аккумуляторных батарей размера AA, на никель-металл-гидридных аккумуляторах (NiMH).

Комплектующие

Список комплектующих слева направо:

• контроллер Arduino;
• держатель батареи размера AA;
• NiMH аккумулятор;
• мощный резистор 10 Ом (минимум 5 ватт);
• резистор 1 МОм;
• конденсатор 1 мкФ;
• MOSFET транзистор IRF510;
• датчик температуры TMP36;
• источник питания 5 вольт;
• макетная плата;
• перемычки.

Как заряжать NiMH AA аккумуляторы

Существует много способов зарядки NiMH аккумуляторов. Выбор используемого вами метода главным образом зависит от того, как быстро вы хотите зарядить аккумулятор. Скорость заряда измеряется по отношению к емкости батареи. Если ваша батарея обладает емкостью 2500 мАч, и вы заряжаете ее током 2500 мА, то вы заряжаете ее со скоростью 1C. Если вы заряжаете этот же аккумулятор током 250 мА, то вы заряжаете его со скоростью C/10.

Во время быстрой зарядки аккумулятора (со скоростью выше C/10), вам необходимо тщательно контролировать напряжение на батарее и ее температуру, чтобы не перезарядить ее. Это может серьезно повредить аккумулятор. Тем не менее, когда вы заряжаете аккумулятор медленно (со скоростью ниже C/10), у вас гораздо меньше шансов повредить батарею, если случайно перезарядите ее. Поэтому медленные методы зарядки, как правило, считаются более безопасными и помогут вам увеличить срок службы батареи. Поэтому в нашем самодельном зарядном устройстве мы будем использовать скорость заряда C/10.

Цепь заряда

Для данного зарядного устройства основой является схема для управления источником питания с помощью Arduino. Схема питается от источника напряжения 5 вольт, например, от адаптера переменного тока или компьютерного блока питания. Большинство USB портов не подходит для данного проекта из-за ограничений по току. Источник 5В заряжает батарею через мощный резистор 10 Ом и мощный MOSFET транзистор. MOSFET транзистор устанавливает величину тока, протекающего через батарею. Резистор добавлен как простой способ контроля тока. Контроль величины тока выполняется подключением каждого вывода резистора к аналоговым входным выводам Arduino и измерением напряжения с каждой стороны. MOSFET транзистор управляется выходным ШИМ выводом Arduino. Импульсы сигнала широтно-импульсной модуляции сглаживаются до постоянного напряжения фильтром на резисторе 1 МОм и конденсаторе 1 мкФ. Данная схема позволяет Arduino отслеживать и управлять током, протекающим через батарею.

Датчик температуры

В качестве дополнительной меры предосторожности в зарядное устройство добавлен датчик температуры TMP36 для контроля температуры батареи. Данный датчик выдает напряжение, которое линейно зависит от температуры. Поэтому он, в отличие от термисторов, не требует калибровки или балансировки. Датчик устанавливается в просверленном отверстии в корпусе держателя батареи и приклеивается в отверстии так, чтобы он прижимался к батарее, когда та будет установлена в держатель. Выводы датчика подключаются к шине 5В, к корпусу и к аналоговому входному выводу Arduino.

Держатель AA батареи перед и после установки на макетную плату

Код для данного проекта довольно прост. Переменные в начале исходного кода позволяют настроить зарядное устройство путем ввода значений емкости батареи и точного сопротивления мощного резистора. Также добавлены и переменные безопасных порогов. Максимально допустимое напряжение на батарее устанавливается в значение 1,6 вольта. Максимальная температура батареи установлена на 35 градусов по Цельсию. Максимальное время заряда установлено на 13 часов. Если какой-либо из этих порогов безопасности будет превышен, зарядное устройство выключается.

В теле программы вы можете увидеть, что система постоянно измеряет напряжения на выводах мощного резистора. Это используется для расчета значений напряжения на батарее и протекающего через нее тока. Ток сравнивается с целевым значением, которое составляет C/10. Если рассчитанный ток отличается от целевого значения более, чем на 10 мА, система автоматически подстраивает выходное значение, чтобы подкорректировать его.

Arduino использует последовательный интерфейс для отображения всех текущих данных. Если вы хотите проконтролировать работу вашего зарядного устройства, то можете подключить Arduino к USB порту компьютера, но это необязательно, так как Arduino питается от источника напряжения 5В зарядного устройства.

Скачиваемую версию исходного кода вы можете найти по ссылке, приведенной ниже.

Теперь вы можете создать собственное зарядное устройство. Но обязательно контролируйте скорость заряда и соблюдайте технику безопасности, так как избыточная зарядка аккумулятора может быть опасна.

Источник