Cargador de Bateríapara UPS

Marder, Felipe - Lombardero, Oscar G. - Aquino, Carlos

Depto de Ingeniería Eléctrica - FACENA - UNNE9 de julio 1449 - 2º Piso Laboratorio Nº 10 - (3400) Corrientes - ArgentinaTel.: +54 (03783) 423126 - E-mail: fmarder@exa.unne.edu.arRESUMENEl presente trabajo con el carácter de desarrollo tecnológico, forma parte del proyecto aprobado por laSECYT PI Nº 454 titulado “Diseño de sistemas de control y automatización para la industria basado enmicro-controladores”. El mismo consiste en el diseño e implementación de un cargador de baterías, las que asu vez alimentan un sistema ininterrumpido de energía o UPS. Se propone como principio de funcionamientodel cargador el de fondo-flote, con limitación de corriente.INTRODUCCIÓNEn la actualidad existe un espectro muy amplio de baterías con distintas características eléctricas, de lascuales si las clasificamos en una primera instancia como descartables y recargables, son las del segundo grupolas que centran nuestra atención. Las llamadas baterías recargables son aquellas que permiten bajo un régimenadecuado de carga (y a veces descarga), recuperar la misma un número de veces que depende de variosparámetros, como ser los tipos de componentes electroquímicos que la componen, velocidad de carga,régimen bajo el cual estuvo trabajando, nivel de descarga residual, etc. Existen algunas baterías que inclusopresentan una condición de “memoria” y se vuelven reticentes a la recarga. En los últimos cuarenta años sehan empleado fundamentalmente dos tipos de baterías que son las de plomo-ácido y las de carbón-zinctambién llamadas secas. El inconveniente de las primeras es que liberaba gases y debía estar en posiciónhorizontal. Con las nuevas tecnologías se consiguió a costa de un volumen un poco mayor, tener baterías detipo sellada, para aplicaciones en telefonía y en las UPS.De las denominadas secas, un avance se produjo con la incorporación de dióxido de manganeso como ánodo,dando origen a las pilas alcalinas tipo Duracell. Otra de las baterías que más éxito tuvieron en el mercado sonlas alcalinas de Ni-Cd, que tienen la ventaja de ser recargables, pero con el inconveniente de que presentansolo 1.2V en vez de los 1.5V de las anteriores, y también el efecto memoria comentado.La gestión de carga de las baterías implica la medición del estado de carga y el mantenimiento de la misma enlas mejores condiciones. Se debe controlar la cantidad de energía mediante el cálculo de las corrientes decarga y descarga. Si bien el circuito propuesto está implementado con elementos discretos, la idea que sepersigue es el estudio de la filosofía de funcionamiento para a posteriori reformularla en un dispositivo basadoen microcontroladores, teniendo en cuenta los factores que limitan la vida útil de las baterías, sobre todo en elrégimen impuesto por los sistemas ininterrumpidos de energía. Lo interesante de esta propuesta desde elpunto de vista del diseño, es la metodología basada en un nomograma que se corresponde con la topología delcircuito considerado, y que facilita el cálculo de los componentes.MATERIALES Y MÉTODOSEl diagrama en bloques del sistema propuesto es el siguiente

Fig Nº 1 Diagrama en bloques del cargador

Limitador decorriente

control sensor

Fuente deenergía

yrectificador

En este diagrama podemos apreciar el elemento regulador de corriente que está comandado por el controldentro de un lazo de realimentación. De esta manera se regula la cantidad de corriente de carga que entrega elelemento de paso, como fuente constante y cuyo valor va a depender del grado de descarga de la batería. Elsistema de control es una bascula de Schmitt, que conecta la fuente para un valor Umin y desconecta paraUmax.

El circuito que se implementó como cargador de baterías fue el siguiente

Fig Nº2 Diagrama esquemático del circuito utilizado

El nomograma utilizado para el cálculo de los distintos componentes y del cual se desprenden las ecuacionesparamétricas, es el siguiente:

Fig Nº3 Nomograma paramétrico para cálculo de los componentes

Uref 5.1V

10V

0.6V

Va min

Va max

∆ VR11ϕ

L2L1

∆ VR12

Donde en el primer eje tenemos representada la variación del potencial en el punto Vb y en el segundo, lavariación en el punto Va. La tensión de referencia está dada por el diodo zener de 5,1V y que se ve reflejadaen la entrada no inversora del operacional.

Con relación a la Fig Nº2 , tenemos que la relación de tensiones en el punto Va, el cual tendrá valorescomprendidos entre Va max y Va min dados por los valores máximos y mínimos aceptables de la tensión enbornes de la batería

El factor Ko es un factor de diseño. El comparador tiene la función de detectar en que estado está la batería, yexcitar la fuente de corriente mientras la VA sea menor que Uref , o sea mientras ∆ VR1 es distinta de cero.Según el nomograma tenemos

De estas ecuaciones se desprende que

K0 puede ser fijado en función de la corriente que circula por la rama de RA y RB la cual adoptamos comomucho mayor que la que circula por R1 y R2. Además el valor de K0 me debe permitir una correctapolarización del zener de 7,5V, aun en la peor condición, o sea cuando tenemos Umin (4,8V). En definitiva, elvalor de ∆VR11 + ∆VR12 señala el margen de histéresis con el que va a funcionar el dispositivo, y estáacondicionado por el margen preestablecido de carga máxima y mínima, y fijado circuitalmente por lasresistencias R1 y R2.El TIP147 fue adoptado por la condición de la corriente máxima de carga, fijada en 4A.El valor de K1 = 1,088 está dado por la ecuación (3) y nos permite calcular el valor de Ko teniendo en cuentala ecuación (4).

10 51

1

51 0 6

1

2

1

2

1

1

2

− =

− =

.

. .

∆

∆

VR

L

L

VR

L

L

VaU R

R RU K

VaU R

R RU K

maxmax B

A Bmax

minmin B

A Bmin

=⋅

+= ⋅

=⋅

+= ⋅

0

0

10 51

51 0 6

1

1

51 1

51 1

2

11

1

2

−−

= =

= += −

.

. .

.

.

∆∆

∆∆

VR

VRK

Va VR

Va VRmax

min

∆∆

VR Vamax K U R K

VR Vamin K U Rmax B

min B

1 51 51

1 51 511 0 0

2 0

= − = ⋅ ⋅ − ⋅= − = − ⋅ ⋅

. .

. .

con KR

R RB

A B0 =

+

(1)

(2)

(3)

(4)

Si fijamos el valor de RB = 2K2, tenemos que RA = 180, habiendo adoptado valores normalizados para ambasresistencias. Como la corriente de realimentación tiene que ser mucho menor que la de polarización del zener,se la toma como 250 veces menor, lo que además facilita el cálculo. Se adopta entonces para R2 un valor de560K.Para el cálculo de R1 se emplea la ecuación (4).

Este circuito fue implementado y ensayado en nuestro laboratorio, habiendo trabajado correctamente y segúnlo estimado. Se elabora actualmente, un sistema similar pero utilizando un microcontrolador de la familiaPIC16F84 de Microchip, en el cual se prevé ingresar las señale analógicas a través de un conversor ADC detipo serial.

REFERENCIAS

Texas Manual de semiconductores Tomo I y II.Texas . Transistores, Circuitos. Diseño Ed CEACSABonin, Forteza Fuentes de Alimentación Reguladas Electrónicamente Ed ParaninfoRivero R. Reguladores de tensión y Corriente Ed ARBOMcMichell F, Recycling batteries IEEE Spectrum, pp 35-42 1998.National Semiconductor Applications Manual 1994Dahlman, J.; Girard, S.; Miller, G.; Beede, D.; Curatolo, T. A microprocessor based intelligent battery chargerBattery Conference on Applications and Advances, 1994., Proceed of the Ninth Annual on Pages: 185 - 190

( )K

K

K U Umax min0

1

1

51 10 922=

++

=.

,

R RVamin

adoptamos R K1 2 1

51

10 5134285 33= −

−

= =,

,