Luigi_C - Recensione tecnica del caricabatteria-analizzatore Maha Powerex MH-C9000
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Premessa
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Descrizione del caricabatteria-analizzatore
Il caricabatteria in oggetto è costituito da un unico circuito stampato (PCB), contenente sia la logica di controllo che la sezione di potenza. Non è prevista una sezione di alimentazione, in quanto il caricabatteria è alimentato da una tensione continua di 12 V nominali, e l’alimentazione da rete elettrica avviene tramite un alimentatore esterno. Tale scelta consente di utilizzare il caricabatteria anche in auto mediante l’impiego di un opportuno cavo di alimentazione. In Figura 2-1 è riportata la fotografia della faccia inferiore del PCB, una volta che il guscio inferiore del contenitore plastico sia stato rimosso. Si noti la pulizia del progetto del PCB e l’ordine della disposizione dei componenti. Figura 2-1 – Vista della faccia inferiore del PCB
Sulla faccia inferiore del PCB sono montati la maggior parte dei componenti elettronici che costituiscono il caricabatterie; tra questi si distinguono: •
Il microcontrollore (U1) ad 8 bit Sonix SN8P1808QB, del quale sono riportate di seguito le principali caratteristiche: • Set di 59 istruzioni, tutte di lunghezza pari ad 1 word, moltiplicazione hardware • OTP ROM 4 k * 16 bit • RAM 256 * 8 bit (2 banchi) • LCD RAM 24 * 3 bit • 7 porte di I/O • Real time clock timer • Timer 8 bit con funzione di wake-up Pag. 2
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• • • • •
• Due timer/contatori 8 bit con funzione PWM • ADC ad 8 canali con risoluzione di 8/12 bit • Funzione SIO • Driver LCD (3 pin comuni e 24 pin di segmento) • Clock principale a cristallo max 16 MHz • Clock a bassa velocità a cristallo 32768 Hz • 3 comparatori quadrupli LM339 (U3, U4, U14) della ST • Un amplificatore operazionale (op-amp) quadruplo LM324 (U2) della ST Un regolatore di tensione 78D05AL (U6) della UTC Unisonic Technologies, tensione nominale di uscita 5 V e corrente di picco di uscita 1 A 4 MOSFET di potenza a canale P ad arricchimento AP9435GH (MP1…MP4) della Advanced Power Electronics, VDSmax 30 V, RDSon 50 mΩ, ID 20 A 4 MOSFET di potenza a canale N ad arricchimento logic level P2504BDG (MN1…MN4), VDSmax 40 V, RDSon 25 mΩ, ID 12 A 4 diodi Schottky SK34 (D1…D4) della Panjit Semiconductor, 40 V 3 A Un diodo Schottky SX34 (D5) della Panjit Semiconductor, 40 V 3 A.
Una volta rimosse le tre viti visibili in Figura 1 è possibile separare il PCB dal guscio superiore, in quanto né i contatti per le batterie né il display a cristalli liquidi (LCD) sono vincolati in alcun modo al guscio. Il PCB completo di LCD è visibile in Figura 2-2. Figura 2-2 – Vista della faccia superiore del PCB con LCD montato
I componenti che saltano immediatamente all’occhio sono, oltre al LCD, i quattro induttori toroidali L1…L4 impiegati nei quattro stadi finali switching per il pilotaggio delle batterie. Si possono notare inoltre i contatti Pag. 3
Luigi_C - Recensione tecnica del caricabatteria-analizzatore Maha Powerex MH-C9000 per le batterie, i quattro pulsanti SW1…SW4 per la programmazione del caricabatterie, due condensatori elettrolitici, il connettore di alimentazione sull’estrema destra della foto e i quattro sensori termici TS1…TS4, utilizzati per rilevare un’eventuale condizione di sovratemperatura delle batterie. L’accoppiamento termico tra ciascun sensore e la corrispondente lamina metallica, vincolata al guscio superiore del contenitore plastico e quindi non visibile nella foto, è migliorato tramite l’utilizzo di pasta termica spalmata sul sensore. Il LCD non è vincolato meccanicamente al PCB se non per la presenza del cavetto di alimentazione del sistema di retroilluminazione del LCD, ottenuto tramite l’impiego di LED bianchi ad elevata luminosità. La rimozione del LCD avviene pertanto in modo molto semplice sollevando il display e scollegando il relativo spinotto di alimentazione dal connettore montato sul PCB. Il risultato è visibile in Figura 2-3. Figura 2-3 – Vista della faccia superiore del PCB senza LCD
La rimozione del display rende visibili pochi altri componenti, tra i quali due quarzi utilizzati per generare i segnali di clock per il microcontrollore U1: • •
X1: Clock principale 12 MHz X2: Clock a bassa velocità 32768 Hz.
Come si nota dalle figure il montaggio del caricabatterie è stato eseguito senza l’utilizzo di filature o cavetti, con la sola esclusione del cavetto di alimentazione della retroilluminazione del LCD.
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Misurazione della corrente di carica e della tensione di batteria
Batteria di prova: Auchan Ready to use, AA 2100 mAh, ID #1 Strumentazione utilizzata: • • • •
Tektronix digital storage oscilloscope modello TDS220 Fluke digital multimeter modello 87 Meterman digital L-C-R meter modello LCR55 Resistore 0,47 Ω 5 W.
Il resistore da 0,47 Ω è stato misurato con il LCR55, la sua resistenza è 0,46 Ω. Il resistore è stato collegato in serie con il terminale negativo dell’alimentazione a 12 V del MH-C9000. Ai capi del resistore è stata collegata la sonda del canale CH1 del TDS220; in tal modo CH1 misura la corrente fornita dall’alimentatore al MH-C9000, che è legata alla corrente erogata alla batteria di prova sotto carica. Per la misura diretta della corrente nella batteria sarebbe necessaria una sonda di corrente, in modo da evitare di interferire con il controllo di carica. La tensione sulla batteria di test è stata monitorata tramite la sonda del canale CH2 del TDS220, collegando la sonda stessa al terminale positivo della batteria. Per evitare corto circuiti il coccodrillo di massa non è stato collegato. La tensione così misurata è in effetti la tensione di batteria più la tensione ai capi del parallelo di due resistori da 0,1 Ω, interni al caricabatteria; nel caso peggiore, con una corrente di carica di 2 A tale tensione è pari a 0,1 V. Sono state eseguite misurazioni a correnti di carica pari a 200 mA, 500 mA, 1 A, 1,5 A e 2 A; per ciascun valore di corrente sono state eseguite due acquisizioni: • •
25 s, in modo da acquisire sia il test iniziale della batteria che I primi 6-7 impulsi di carica 5 s, in modo da acquisire 2-3 impulsi di carica e misurare la larghezza di tali impulsi (il periodo è sempre 2 s).
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Luigi_C - Recensione tecnica del caricabatteria-analizzatore Maha Powerex MH-C9000 Figura 3-1 – Corrente di carica 200 mA
Figura 3-2 – Corrente di carica 200 mA – Zoom e misura della larghezza degli impulsi
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Luigi_C - Recensione tecnica del caricabatteria-analizzatore Maha Powerex MH-C9000 Figura 3-3 – Corrente di carica 200 mA – Zoom e misura del periodo degli impulsi
Figura 3-4 – Corrente di carica 500 mA
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Luigi_C - Recensione tecnica del caricabatteria-analizzatore Maha Powerex MH-C9000 Figura 3-5 – Corrente di carica 500 mA – Zoom e misura della larghezza degli impulsi
Figura 3-6 – Corrente di carica 1000 mA
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Luigi_C - Recensione tecnica del caricabatteria-analizzatore Maha Powerex MH-C9000 Figura 3-7 – Corrente di carica 1000 mA – Zoom e misura della larghezza degli impulsi
Figura 3-8 – Corrente di carica 1500 mA
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Luigi_C - Recensione tecnica del caricabatteria-analizzatore Maha Powerex MH-C9000 Figura 3-9 – Corrente di carica 1500 mA – Zoom e misura della larghezza degli impulsi
Figura 3-10 – Corrente di carica 2000 mA
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Luigi_C - Recensione tecnica del caricabatteria-analizzatore Maha Powerex MH-C9000 Figura 3-11 – Corrente di carica 2000 mA – Zoom e misura della larghezza degli impulsi
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Misura della corrente di alimentazione e di carica in funzione della tensione di alimentazione
In carica 4 batterie Ni-MH LSD (a bassa auto-scarica) 2000 mAh. Corrente di carica impostata: 2 A. Tabella 4-1 – Corrente di alimentazione e di carica in funzione della tensione di alimentazione
Vcc (V) 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0
Icc-pk (A) 2,2 2,05 1,95 1,85 1,75 1,7 1,65 1,6 1,5 1,45 1,4
I1 (A) 1,948 1,959 1,971 1,981 1,989 1,998 2,008 2,017 2,030 2,044 2,060
I2 (A) 1,943 1,952 1,967 1,977 1,988 1,996 2,005 2,008 2,018 2,026 2,036
I3 (A) 1,947 1,957 1,968 1,977 1,988 1,995 2,007 2,011 2,017 2,027 2,035
I4 (A) 1,938 1,953 1,965 1,974 1,984 1,994 2,002 2,004 2,013 2,021 2,029
Figura 4-1 - Corrente di alimentazione e di carica in funzione della tensione di alimentazione
Caricabatterie/analizzatore Maha-Powerex MH-C9000 2,4
2,080
2,2
2,060
Icc-pk (A)
2,020
1,8
2,000 1,6
1,980
1,4
I1...4 (A)
2,040
2
1,960
1,2
1,940
1
1,920 9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
15,0
Vcc (V) Icc-pk (A)
I1 (A)
I2 (A)
I3 (A)
I4 (A)
Per tensioni inferiori a 9 V il la corrente assorbita aumenta velocemente e pericolosamente verso i 3 A, mentre la corrente erogata diminuisce. Per tensioni superiori a 14 V il caricabatteria inizia a “fischiare”. Dai risultati del test si deduce che: Pag. 12
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È fortemente sconsigliabile alimentare il MH-C9000 con una tensione inferiore a 9 V o superiore a 14 V Allo scopo di proteggere la batteria da sovra-scarica e prevenire un funzionamento anomalo o un guasto del caricabatteria, è consigliabile dotare la batteria di un circuito che scolleghi il caricabatteria se la tensione di batteria scende al di sotto dei 10 V È consigliabile, qualora la tensione di batteria possa superare i limiti indicati, interporre tra la batteria e il caricabatteria un convertitore DC/DC con uscita 12 V stabilizzata e corrente massima di uscita di almeno 2 A.
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