NiMh fast charger

Realizzato a: luglio 2004

Ancora un caricabatterie con Max712/713

Forse tutti conoscono i chip max712 e max713, espressamente progettati per la costruzione di un caricabatteria NiCd o NiMh, rispettivamente. Basta leggere il data-sheet reperibile sul sito della maxim http://www.maxim-ic.com/ e seguire pedissequamente le istruzioni per realizzare un caricabatterie rapido con termine carica automatico e passaggio in modalità di mantenimento. Su internet trovate tantissimi schemi e pcb di caricabatterie realizzati con questo integrato. Io ho voluto realizzarne uno ex-novo, per adattarlo alle mie esigenze.

Innanzitutto ho voluto realizzare una basetta compatta e ordinata: sul lato sinistro l'ingresso della tensione di alimentazione, e il led indicatore di tensione presente. Sul lato destro l'uscita per i pacchi pile da ricaricare, e il led indicatore di carica rapida piuttosto che di mantenimento. In basso ponticelli per impostare il numero di celle nella batteria e la corrente di carica, in alto il transistor PNP con il suo dissipatore. Ho poi voluto prevedere più di un connettore sia per l'alimentazione che per le pile. Ho usato i diffusissimi 2,5x5,5x9,5mm e morsetti a vite da c.s. a due posti, da entrambi i lati (alimentazione e pile), più un header a 4 pin per collegare direttamente i pacchi pile di Robot III. Ho pensato di utilizzare l'header a 4 pin così: i due centrali positivo, i due esterni negativo, così che anche inserendolo rigirato funzioni lo stesso.

Per rendere più universale il circuito, ho lasciato completamente configurabile con ponticelli il numero di pacchi pile da ricaricare (da 1 a 16) e ho previsto la possibilità di scegliere tra due correnti di ricarica, nella mia esecuzione 500 mA (per pile di grossa capacità) oppure 250 mA (per le vecchie NiCd da 800 mAh che ho ancora in casa). Il time-out, invece, è impostato al massimo possibile: 4 ore e 24 minuti. Se al termine la batteria non è ancora carica, il circuito comunque sospenderà la carica, e occorrerà spegnerlo e riaccenderlo per riprenderla.

Eagle Cad

Ho realizzato la basetta lasciandomi assistere da un cad gratuito per uso personale (unica limitazione le dimensioni della basetta finale, e la possibilità di usare al massimo due layer di piste in rame, più che sufficienti per uso hobbistico) secondo me il migliore tra i gratuiti, e sicuramente molto veloce da imparare e usare: eagle, della eaglesoft. Lo schema elettrico è preso pari pari dal data-sheet del circuito integrato, con piccolissime personalizzazioni. Una delle differenze, è la resistenza RSense, che anziché essere unica, sono due, e tramite un ponticello si può scegliere se inserire l'una o l'altra. Altra differenza, un ulteriore ponticello che collega Temp a DcIn, per disattivare la carica veloce, e lasciare permanentemente il circuito in carica di mantenimento.

Schema elettrico

Dal lato sinistro entra la corrente di alimentazione DcIn. Il led Pwr è collegato a questa tensione con una resistenza in serie da 1k5, così che possa funzionare in un ampio range di tensioni: 6V-30V. Questo led indicherà la presenza di alimentazione al circuito. Sempre alla tensione di alimentazione, è collegato C1 da 10uF per addolcirne eventuali variazioni o disturbi. Continuo ora la descrizione osservando cosa è collegato a ciacun piedino dell'integrato Max712/713:
Il piedino V+ è collegato verso DcIn con una resistenza Rshunt. L'integrato sviluppa 5V positivi regolati sul piedino V+ e ha bisogno di assorbire 5mA minimi da questo piedino per funzionare correttamente, e di non assorbire più di 20mA per non scaldarsi troppo. RShunt = (DcIn - 5V) / IV+ RShunt va quindi scelta in base alla tensione di alimentazione. Ho scelto per RShunt 1 kiloOhm, che mi consente di usare il circuito alimentandolo tra 10V e 25V. Io lo userò sempre con una delle due tensioni: 12V e 24V, facilmente recuperabili da un alimentatore per PC. Per maggiori ragguagli sul valore di Rshunt, consultare le tabelle più sotto.
Il piedino FastCharge/ è il collettore di un transistor che va in saturazione quando il Max712/713 è in fase di ricarica rapida. Il Max712/713 può stare solo in due stati: ricarica rapida o corrente di mantenimento. Collegando a questo piedino un altro led con la sua resistenza di limitazione, otterrò l'indicazione di carica rapida; il led si spegne quando il Max712/713 passa in carica di mantenimento.
Il piedino Drv va collegato alla base del transistor di potenza PNP che caricherà la batteria. La resistenza da 150 ohm e il condensatore da 0,01 uF (10 nF) sono suggeriti sul data-sheet del componente. Anche il diodo dietro il transistor è suggerito sul data-sheet.
Al piedino Batt+ va collegato il polo positivo della batteria
Al piedino Batt- va invece collegato il polo negativo della batteria. Chiamerò questa linea dello schema elettrico Batt- poiché molti altri componenti andranno collegati a questa linea. Il Max712/713 cerca di mantenere Batt- a 0,25 Volt più su di GND, durante la carica rapida, così che il valore della resistenza RSense obbligherà la corrente di ricarica. Vedere tabelle più sotto per i valori da scegliere per RSense.
Al piedino CC va collegato il condensatore da 10 nF verso Batt-, come indicato nel data-sheet del componente.
Al piedino GND va collegata la massa del circuito (GND)
I piedini THi TLo settano con due livelli di tensione, due limiti di temperatura superiore e inferiore. Io li ho collegati rispettivamente a V+ (5V) e Batt- (0,25V). Il piedino Temp deve avere un valore di tensione proporzionale alla temperatura della batteria. Se Temp va sopra THi o sotto TLo, il Max712/713 passerà in carica di mantenimento anziché carica rapida. Normalmente Temp è prelevata dal partitore resistivo R2-R3, partitore alimentato da Ref (2,5V) e Batt- (0,25V), quindi la funzione di temperatura è disabilitata in questo circuito e il Max712/713 non terrà conto della temperatura. Ho inserito un ponticello che permette di collegare Temp a DcIn (superiore a THi), così da inibire la carica rapida e lasciare sempre il circuito in carica di mantenimento.
Dal piedino Ref esce un riferimento di tensione a 2,5V
Il piedino VLimit stabilisce la massima tensione per cella di batteria ammissibile. Normalmente si collega VLimit a VRef, così da impedire di fornire più di 2,5V per cella al pacco di batterie.
I piedini PGM2 e PGM3 settano, in base a dove vengono collegati, il tempo massimo di ricarica, e possono disabilitare la funzione di auto-spegnimento a carica raggiunta. Collegati entrambi a Batt-, impostano il tempo più lungo disponibile: 4 ore e 24 minuti, e lasciano attivata la funzione di termine carica.
I piedini PGM0 e PGM1 settano, in base a dove vengono collegati (possono essere collegati a Batt-, V+, Ref, o lasciati aperti) il numero di celle da ricaricare. Vedere tabella più in basso per come impostare i ponticelli in base al numero di celle da ricaricare.

Realizzala anche tu!

Una volta fatto lo schema elettrico, EagleCad aiuta nello sbroglio delle piste sulla basetta. Dovrete quindi incidere e forare la basetta col metodo che preferite, e quindi saldare i componenti. Se vuoi realizzare anche tu questo circuito, puoi ridisegnarlo e personalizzarlo, cosa che ti consiglio, oppure puoi usare direttamente il mio: ecco tutto quel che ti serve:

tabelle.txt	Una guida rapida con tabelle e formule. Indica come impostare i ponticelli in base al numero di celle nel pacco-pile collegato, e stabilire la tensione minima di alimentazione per ricaricare quel numero di celle. Indica come determinare Rshunt e perché 1k ohm può andare bene un po' sempre. Indica come determinare Rsense per la corrente di ricarica desiderata. Indica quanta potenza dissiperà il transistor in base alla tensione di alimentazione e al numero di celle: occorre comunque una aletta molto grande e probabilmente anche una ventola, per condizioni particolarmente critiche. Infine l'ultima tabella con il tempo di ricarica. alla determinazione di Rshunt e Rsense, nonché al settaggio dei ponticelli.
	Lato piste (già specchiato) da stampare a 300 dpi. Mi dispiace che sia in formato BMP, se qualcuno ha bisogno di .jpg o altri formati più portabili mi scriva una mail.
	Lato componenti. E' necessario anche effettuare i ponticelli segnati in rosso nello schema

Galleria di foto

	Lato piste della mia schedina. Il ponticello sul lato piste è dovuto ad una pista che mi si è interrotta durante la foratura. Le piste sono state stagnate quasi integralmente poiché il rame nudo col tempo si ossida e assume un colore scuro che non mi piace. Invece lo stagno resta lucido molto a lungo.
	Test del circuito con due multimetri: corrente verso la pila (0,50 A = 500 mA) e tensione ai suoi capi (7,39V per un pacco da 5 pile) sono valori corretti. (Capito perché servono due multimetri, e non uno, all'hobbista elettronico?). Ho anche monitorato come cambiava la tensione man mano che il pacco pile di ricaricava e ho potuto ammirare che il max712 stacca quando si raggiunge un ΔV/ΔT=0, cioè quando la tensione non varia più (corretto per pile NiCd), mentre il max713 stacca quando ΔV/ΔT<0, cioè la tensione decresce (corretto per pile NiMh). Ho controllato anche con la manina la temperatura del pacco pile: l'istante di termine carica coincide con quello in cui la batteria comincia a riscaldarsi un bel po'. Perfetto!
	Contento che il circuito funzionava per bene, l'ho reso più robusto proteggendo il lato piste montando l'intera scheda su un'altra basetta, tramite distanziatori esagonali. Ho fissato il dissipatore oltre che sul corpo del transistor anche ad una staffa ad L, così che sia questa e non i piedini del transistor ad assorbire eventuali sollecitazioni meccaniche. Ho montato anche una ventola, così che il dissipatore resti sempre freddo anche in caso di condizioni di utilizzo estreme (alta corrente di alimentazione per pacchi pile a poche celle in ricarica, oppure utilizzo 24h/24h non monitorato, come accadrà quando porterò RobotIII ad una fiera e vorrò pile cariche tutto il tempo). Naturalmente ho messo un regolatore di tensione prima della ventola, così che possa continuare ad usare il circuito con alimentazioni da 11 a 25 volt. Ho anche scambiato di posto i led verde e rosso: adesso verde indica alimentazione presente, e rosso ricarica rapida.

Sito in costruzione