EDIT1: Vea a continuación algo más de información sobre su implementación y un viaje actual para poner dentro o bien fijado al paquete de baterías para evitar incendios o explosiones. Sólo ahora vi que proporcionó enlaces.
200W de LED... vas a ser más brillante que las piras. En fin, ten cuidado y disfruta. (Ah, y, error que se comete a menudo: Asegúrese de que hay un poco de cable altamente flexible conectado a cada componente en una chaqueta, el cable de prueba normal de un solo núcleo se romperá. El cable de los auriculares se puede conseguir, me encanta)
Lo que debes hacer es proteger las baterías con una placa o chip de gestión de celdas. Muchos paquetes de baterías de gama alta destinados a un coche/avión/helicóptero específico ya los llevan dentro, porque es bastante importante siempre y en todas partes.
Los paquetes baratos de eBay/Alibaba no los tendrán, a menudo aunque se diga que los tienen.
A continuación, añada cualquier tipo de protección de conmutación dura a 1,5 veces el límite de la unidad de protección.
Lo que hace este sistema es medir:
- La corriente que entra al cargar
- La corriente que sale al descargar
- La tensión de las celdas de cada batería
Y a veces, o incluso a menudo, también equilibran las células al final de la carga.
Puedes hacer tu propio disparo electrónico de corriente con un mosfet, una resistencia de bajo valor y un op-amp de carril a carril. O un op-amp doble si los cálculos tienen que ser un poco más fáciles. Sólo asegúrate de utilizar un cargador de equilibrio si quieres poder utilizarlo lo más a menudo posible. Desgraciadamente, ahora tengo que salir corriendo, si no, podría haber añadido el esquema completo como extra.
EDIT1, Contenido: Primero un poco de palabrería sobre baterías y convertidores DC-DC (salta al siguiente título si te aburre, pero puede resultar valioso).
Para poner algunas cosas en perspectiva, hay que darse cuenta de que el paquete de baterías es sólo 4,8Ah, y a menudo, si no siempre, ese contenido energético se mide con una corriente de descarga relativamente baja, quizá en este caso unos 2,4A. Si se descarga diez veces más, la capacidad utilizable disminuirá notablemente.
Pero, seamos optimistas y digamos que tendrá un consumo de 20A y mantendrá una capacidad utilizable de 4,5Ah. Esto significará que sólo durará 4,5Ah / 20A = 0,225horas = 13,5minutos. No puedo decir si estarás contento con eso, pero sólo quería asegurarme de que habías visto los números. Y recuerda que esos 4,5Ah serán probablemente bastante optimistas.
Sobre el convertidor DC-DC, no he podido conseguir datos gráficos reales o, en su defecto, tabulares, sobre los requisitos o especificaciones del rango de entrada a salida, así que asumiré la "eficiencia mínima" indicada, aunque no tengo información de si eso es con 0,2V entre la entrada y la salida, o con un mínimo de 2V, en este último caso, el convertidor puede funcionar peor una vez que la batería empiece a agotarse.
Así que, a partir de la curva de una batería media de polímero de litio, voy a generalizar muy groseramente a una tensión media de 7,1V a lo largo de la vida de la batería, para facilitar los cálculos. A modo de información: Una célula pasa de 2,5V a 4,25V durante su ciclo de carga y al revés durante la descarga, las curvas exactas y las densidades dependen de la corriente total de nuevo, por lo que esto se convierte rápidamente en un complejo conjunto de diferenciales, y ya que es sólo un "para su información", voy a generalizarlo a "digamos 7,1V de media a corriente constante".
Considerando todo, si el DC-DC hace 20A a 5V, eso es una potencia de salida de 100W. Esos 100W, con la menor eficiencia especificada, son el 82% de la potencia de entrada. Así que la potencia de entrada tiene que ser: 100W * (100/82) = 122W. Ten en cuenta que esto significa que 22W se pegan dentro del convertidor = ¡hawtness! Manténgalo en el exterior del equipo y razonablemente ventilado. 122W significa: 122W/7,1V = 17,2A. Con 4,5Ah (ligeramente rebajados, como arriba), son 4,5Ah/17,2A = 0,262 horas = 15,72 minutos = 15 minutos y 43,2 segundos.
Como nota: Puedes mejorar la eficiencia en varios puntos consiguiendo una célula 3S de 11,1V, para dar al pack de baterías un menor consumo de corriente y al convertidor DC-DC más espacio para operar eficientemente. (O un DC/DC diferente con un paquete de 22,2V, que realmente va a tomar el peso del consumo de corriente en el paquete, pero presumiblemente, esos no son tan asequibles si usted no está comprando 200 a la vez).
Ahora, ¡algunos cálculos actuales de Trippy! ¡Sí!
Ahora, si quieres estar seguro, toma una corriente de disparo de 25A por paquete de baterías. Esto ya puede calentarlas, aunque puedan soportar 140A, así que prepárate para resolver algunas ligeras molestias. De hecho, si lo haces bien, te anticipas a lo peor: El fracaso de la protección y la explosión y llevar las baterías en el exterior con dos o tres capas de tela de los pantalones vaqueros resistentes entre usted y ellos, posiblemente una fina capa de tela más suave entre dos capas para difundir la presión. Sólo una precaución, no puede hacer daño, ¿verdad?
Voy a caminar a través de los cálculos después del diagrama del circuito, utilizando 25A. Si quieres 40A o más, bajo tu propio riesgo, puedes sustituir esa corriente por 25A y recorrer los cálculos y búsquedas para encontrar tus nuevos componentes. (O si alguna vez necesitas un disparo de 4A en una batería eso es posible con las mismas instrucciones también).
![schematic]()
simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab
Ahora, como si esto no fuera lo suficientemente largo, ¡hay más!
OP-AMPS:
Primero: Encontrar el op-amp adecuado. Eso es un poco difícil, porque, o bien el proveedor no incluye un parámetro interesante, como la indicación del coste (lo que te obliga a ir de un sitio a otro de los proveedores), o bien no hay una búsqueda amplia, lo que te obliga a bucear en pequeñas subcategorías. De forma ligeramente arbitraria, elegí Texas Instruments. Con la estrategia de "Haz clic en el número más grande hasta que llegues a la búsqueda por parámetros". Como he dicho, esta gente necesita aprender un poco sobre la búsqueda todavía.
Así que vine aquí: TI OpAmp preconfigurado Parametric
He puesto:
- Tensión de alimentación total mínima <= 4,5V (batería muy baja)
- Tensión de alimentación total máxima >= 10V (picos de carga, permita unos pocos voltios por encima de la Vmax de la batería
- GBW(MHz) >= 0.152 (Gain BandWidth es, para simplificar un poco, el punto en el que el amplificador deja de amplificar, 152kHz todavía permite una reacción muy por debajo de 1ms, 1ms debería estar bien, así que no necesitamos un GBW de muchos MHz.
- Iq(perChannel) <= 0.45mA (Esta es la corriente de suministro por Amp. 1/10000 de la capacidad de la batería probablemente va a estar muy por debajo de la autodescarga de la batería, por lo que este valor máximo debería estar bien.
- Vos <= 3mV (Esto es bastante conservador/restrictivo, pero da bastantes resultados. Cuanto más bajo sea, mejor, pero 3mV ya es bastante decente. Vos es, para simplificar de nuevo, el voltaje por debajo del cual el amplificador puede no "notar" la diferencia de voltaje de entrada. Elegí un objetivo de 125mV, por lo que 3mV sería un 2 %. Ver la elección de la resistencia para más información).
A continuación, lo ordené por coste unitario (primero el más bajo) y me desplacé hacia abajo hasta que encontré un modelo de doble canal de carril a carril. Riel a riel significa que las salidas y/o las entradas pueden llegar hasta la tensión de alimentación. Los Op-Amps normales no siempre permiten llegar hasta la tensión de alimentación con una respuesta de salida fiable. Rail to rail ahorra mucho en pruebas, ensayos y lecturas, con un coste adicional máximo de sólo 1$. Yo digo: ¡Vale la pena para esta aplicación! Especialmente porque usted quiere empujar tan fuertemente en la puerta del mosfet como usted puede (más sobre esto más adelante).
Así que vine a TLC2262 con un offset de 1mV, baja corriente de polarización de entrada, un ancho de banda de ganancia decente, etc. Y la hoja de datos (¡compruébalo siempre!) dice claramente que la "tensión de entrada en modo común" incluye el carril negativo. Eso significa que el opAmp nos permitirá medir las tensiones muy bajas a través de la resistencia.
RESISTOR R1:
Lo siguiente es la resistencia de medición, R1. Elegí un voltaje de disparo superior de 125mV. Cuanto más bajo sea, menos energía se desperdicia. Pero, si vas demasiado bajo, obtendrás valores de resistencia locos. Creo que, posiblemente, 5mOhm ya es muy bajo para un diseño de bricolaje, pero es probable que se pueda conseguir con conexiones fiables. Lo que necesitarás es una resistencia con alguna forma de conectar el camino de la corriente a dos pines principales, y conectar tu medición en dos puntos exactamente donde empieza la resistencia. Porque los cables de la resistencia distorsionarán rápidamente su medición. Imagina una resistencia de potencia como esta:
![schematic]()
simular este circuito
Si se mide en los extremos de los cables, se miden más de 9mOhm, donde se esperan 5mOhm, ¡es casi el doble! Por lo tanto, se conecta el opAmp tan cerca de la resistencia real como sea posible, con tan poco como el cable que lleva la corriente entre ellos.
Ahora, elegimos 5mOhm. Con una corriente máxima de 25A, podemos calcular la disipación de potencia de la resistencia, mediante P = I^2 * R = 25A * 25A * 0.005Ohm = 3.125W. El esquema muestra 5W con seguridad.
Asumiré en los próximos cálculos que puedes conseguir conexiones fiables. Si no es así, podrías probar con una fuente de laboratorio de alta corriente (10A por ejemplo) y un multímetro decente para ver cuál sería el voltaje por 25A (2,5 veces lo que mides a 10A).
Así, con R = 0,005 Ohm (5mOhm), podemos calcular la caída de tensión como sigue V = I * R = 25A * 0,005Ohm = 0,125V = 125mV. Lo llamaremos V(r1) más adelante.
DIODO
Entonces tenemos que mirar a la D1. Si estimamos que el voltaje a través de D1 es de unos 0,5V, podemos calcular la corriente que lo atraviesa utilizando nuestro voltaje medio estimado de la batería de 7,1V y la resistencia R4, de 120kOhm.: V(r4) = Vbat - Vdiode = 7,1 - 0,5 = 6,6V. Idiode = I(r4) = 6,6V / 120kOhm = 55uA. (es bonito y bajo). Ahora para terminar bien los cálculos, tenemos que mirar la hoja de datos del 1N4148. El 1N4148 de Vishay es barato, fácil de conseguir y muy bueno para este propósito, así que miramos: 1N4148
En la página 2, en la Figura 2, podemos ver cuál es la tensión de avance (Vdiode) para una corriente de avance. Desgraciadamente, el gráfico sólo llega a 100uA, pero como el diodo responde bien y suavemente en la región inferior, acercándose a una cierta asíntota a 0,00001uA, podemos extrapolar alrededor de Vf(diodo) = 0,45V a 55uA. Parece que nos equivocamos por unos 50mV. Podemos seguir iterando, pero la resistencia es bastante grande y también lo es la tensión a través de ella, así que en conjunto, estaremos "lo suficientemente cerca" para una ventana de disparo de 24A a 27A, por así decirlo. En la figura 1 podemos ver que el Vf(diodo) disminuye con la temperatura, por lo que si las baterías se calientan, el monitor de corriente se apagará antes, parece una buena característica.
OP-AMP Función y matemáticas
Ahora, el Op-Amp OA1-B (2ª parte del Op-Amp dual TLC) se utiliza como comperador. No hay retroalimentación de la salida a las entradas. Esto significa que si la entrada negativa (-) está por encima de la entrada positiva (+), el amplificador oscilará su salida hacia abajo. Cuando la entrada + es más alta, el amplificador oscilará en alto. Así que si el voltaje que viene de OA1-A es marginalmente más alto (conectado a la entrada -) que el voltaje del diodo de 0.45V (conectado a la entrada +) el Op-Amp apagará el MOSFET.
Por ahora, ignora R8, R9, LED1 y Q1, por el momento, no tienen ningún efecto suficientemente significativo.
Aquí vienen algunas matemáticas mágicas de OpAmp para OA1-A. Un OpAmp, en su definición más simple (que podemos permitirnos razonablemente asumir en este caso específico de OA1-A), trata de conseguir que su entrada negativa (-) obtenga el mismo voltaje que su entrada positiva (+), ajustando la salida.
Entonces, si el disparo de corriente se activa, el voltaje de la resistencia, V(r1) es de 125mV como lo calculamos antes usando el valor de la resistencia y la corriente de disparo. Asumiendo este punto, la entrada del OpAmp + será 125mV mayor que el terminal negativo de la batería. Ahora el OpAmp intenta que V- tenga el mismo voltaje. Suponiendo que lo consiga, el voltaje a través de R2 es también de 125mV. Ahora, un OpAmp no puede poner ninguna corriente significativa fuera o dentro de sus entradas, por lo que la corriente tiene que venir de la salida del OpAmp a través de la resistencia de retroalimentación, R3. Así que la corriente a través de R2 y R3 es (aproximadamente) la misma.
R2 y R3 (Como continuación de OP-Amp Math)
Corriente a través de R2 y R3:
I(r3) = I(r2) = V(r2) / R2 = V(r1) / R2 = 125mV / 7,5kOhm = 16,7uA. (V(r2) puede sustituirse por V(r1) debido al deseo del Op-Amp de que su entrada - y + tengan la misma tensión).
Ahora queremos que la salida se convierta en el mismo voltaje del diodo en el punto exacto de disparo, de modo que un poco por encima apagará el MOSFET. Por lo tanto, la tensión a través de R3 tiene que ser:
V(r3) = Vf(diodo) - V(r2) = Vf(diodo) - V(r1) = 0,45V - 0,125V = 0,325V (de nuevo la sustitución debido al comportamiento de retroalimentación del Op-Amp).
Lo que da: R3 = V(r3) / I(r3) = 0,325V / 16,7uA = 19,5kOhm.
Así que la relación entre R3 y R2 es R3/R2 = 2,6
así que en el esquema anterior podemos sustituir los valores dados por cualquier valor estándar/encontrable que esté a un factor de 2,6 de distancia, porque eso mantendrá el mismo equilibrio. Pero trata de mantener el R2 entre 1kOhm y 10kOhm, para que te mantengas dentro de la zona de baja fuga, pero de señal razonable (10uA a 150uA). 1,5kOhm y 3,9kOhm sería una opción, o 2,0kOhm y 5,2kOhm, o, posiblemente, 10kOhm y 26kOhm.
¿POR QUÉ R5?
El R5 de 220Ohm es sólo una precaución. Evita que el OpAmp trate rápidamente de generar una gran corriente en la puerta, protegiendo tanto al OpAmp que utilices como al MOSFET.
El MOSFET
El MOSFET: Esto también es un poco complicado. Viene de años de experiencia en el desarrollo para elegir un MOSFET de alta potencia. Hace 10 o 15 años, podría haber dicho "eche un vistazo a los transistores bipolares, porque probablemente sean más adecuados", pero hoy en día, para una conducción estable de alta corriente: ¡MOSFET!
Ahora, lo que quieres principalmente: Una baja resistencia de encendido (R(ds)-on) en sus condiciones de funcionamiento. Cuanto más alta sea la resistencia de encendido, más potencia se desperdiciará en el MOSFET. Desperdiciar potencia = no es favorable. Por lo tanto, si puede conseguir 0 en su presupuesto, consiga 0. Por supuesto, conseguir 0 no es posible, y en su presupuesto la constricción puede empujarle hasta 3mOhm R(ds)On en condiciones óptimas, o 10mOhm a 20mOhm R(ds)On con una tensión de puerta máxima obtenible de unos 7V. Cuanto más alto sea el voltaje de puerta (hasta un límite: cada hoja de datos le dirá a qué voltaje de puerta se romperá "V(gs) Max"), mejor. Así que con una batería de 3S en lugar de una batería de 2S obtendrás también una mejor conducción del MOSFET.
A continuación, debes asegurarte de que puede conducir realmente las corrientes que quieres hacer pasar por él y de que tienes un paquete con el que te sientes cómodo enfriando si es necesario. En este punto elegí International Rectifier, porque nunca he comprado un MOSFET IR y me entristeció una vez que empecé a usarlo. En mi opinión, realmente cumplen con las especificaciones y los gráficos que suministran, por lo que es una buena cualidad cuando se busca poner altas corrientes a través de algo.
Así que fui aquí: Tabla "StrongIRFET" de International Rectifier
Ahora, IR tiene diferentes series, y otra serie bien puede dar opciones más asequibles de lo que estoy haciendo, pero voy a dejar un poco de investigación (en este punto estoy 3 horas en) a usted también :-). Me gustaron mis posibilidades con el nombre "StrongIRFET" y los resultados no decepcionaron.
Así que ordené por R(ds)On, porque hay que elegir algo y en este caso es tan bueno como cualquiera.
Entonces, me desplacé hacia abajo para encontrar un paquete bonito, con 20 años de experiencia en el mundo de los juegos mis ojos filtran los nombres de los paquetes casi instantáneamente en "Esto es SMD", "Esto es un agujero pasante" y "Esto es una tontería" (y muchas subcategorías). Pero para hacer una pequeña guía, si dice "TO2**?", donde los * son números y el ? no está presente o es una letra, es muy probable que sea un paquete de orificio pasante con un bonito agujero de tornillo para montarlo en un pedazo de metal, para deshacerse del calor. Estos, para la gente que empieza con los MOSFETS, son probablemente su mejor opción. Haz clic en uno de ellos, comprueba la hoja de datos, comprueba el precio en mouser, comprueba si has conseguido un equilibrio de felicidad entre $$$ y HAWT-HAWT-HAWT. ¿Cómo? Fácil... más o menos.
El ejemplo del MOSFET: IRFP7430 . En la hoja de datos (<-- haga clic en ), en la página 2 dice algo bastante impresionante. Segunda tabla (para 25degrees C), tercera línea, R(ds)On es 1.2mOhm con Id = 50A y Vgs = 6V. ¡Eso parece alcanzable! Pero, en el diseño de la electrónica te ves obligado a una vida de pesimismo, así que buscamos las gráficas. Los gráficos son nuestros amigos.
En la página 4 compare la Fig 3 y la Fig 4. Si hace más calor, ¡se sale de las gráficas! Bueno, hay algunas cosas que pasan ahí, en las que no voy a entrar, pero básicamente, si usamos la gráfica para 25degree C, es probable que esté bien.
Así que. Suponemos que el voltaje más bajo de nuestra batería es de 5V, por lo que V(gs) estará cerca de la marca de 4,8V. En efecto, el pesimismo nos lleva de nuevo a utilizar la curva de 4,8V (Una arriba de la inferior). La Fig 3 nos muestra entonces que a 20A, en el peor de los casos, estaremos "bajando" 0,25V. ¡Eso es mucho! Pero recuerda que en este caso la batería ya está bastante vacía, así que no tardará mucho en llegar.
Calculando la potencia perdida: P = I * V = 20A * 0,25V = 5W. Así que necesitarás un disipador u otra pieza de metal para deshacerte de parte del calor.
Ahora, durante el "funcionamiento medio", con 7,1V el V(gs) probablemente alcanzará cerca de 6,8V. Como los 6,0V y los 7,0V no están tan alejados en la gráfica, estimaremos que están a mitad de camino. Problema. La corriente frente al voltaje está fuera de nuestro rango de límite superior de 25A.
Pero, podemos hacer una estimación, que con la escala logarítmica de ambos ejes y un comportamiento ligeramente sub-lineal a 25A la caída de tensión será de unos 55mV. Hago esto usando una regla y un poco de interpolación del cerebro humano (los artistas llaman a esto imaginación, pero creo que suena a algo insípido). Así que en su zona de funcionamiento de corriente de disparo media estará disipando P = V * I = 0,055V * 25A = 1,38W. Eso es mejor que la diminuta resistencia que elegimos. ¡Estupendo!
Así que, ahora al ratonero (sólo una indicación): IRFP7430PBF
¡Uf! $6.86? Puede ser aceptable, pero aún así, ¡PRÓXIMO! (por cierto, se puede hacer el ratonero primero si se tiene un presupuesto ajustado, se ahorra un montón de gráficos, pero para un ejemplo decente elegí hacerlo al revés).
Siguiente MOSFET: irfp7537
Se ve bonito y robusto. Hemos aprendido de nuestro error, primero el ratón.
Mouser: IRFP7537PBF
Hm, 3,22 dólares. Mucho mejor.
Ahora los gráficos, haz clic en el enlace de arriba para la hoja de datos (después de "Next MOSFET"). Comparando la Fig. 1 de este con la Fig. 1 del anterior, ya está claro por qué este cuesta la mitad. ¡Es el doble de resistencia! Pero aún así, algunos cálculos rápidos usando los métodos mostrados anteriormente:
Batería ultra baja, V(gs) = 4,8V, estimada a medio camino entre la línea de 4,5V y 5,0V, en el peor de los casos a 20A: V(ds) = 0,25V. ¡Hay! Lo mismo. Así que estos MOSFETs tienen algunos puntos en común. Así que de nuevo, añadir metal.
Batería media: V(gs) = 6,8V, gráfico entre 6,0V y 7,0V. Esta vez el borde está en 30A con 0,1V, por lo que 25A es probablemente alrededor de 0,08V en lugar de 0,055V. Así que con este la disipación media de la corriente de disparo es: P = 0,08V * 25A = 2W. Todavía menos que la resistencia.
Así que, en efecto, también puedes elegir la segunda, porque el convertidor DC/DC, los cables, la resistencia interna de la batería y la resistencia de medición, todos juntos, siguen gastando mucha más energía que tu MOSFET.
R6, R7, R8, R9, Q1, SW1
Ahora sólo hay un problema que arreglar: Una vez que la corriente se dispara, el MOSFET se apaga, esto es bueno. Pero, entonces ya no hay corriente. Así que el Op-Amp OA1-A pasa de nuevo al modo "no se mide la sobrecorriente". Esto significa que el Op-Amp OA1-B vuelve a encender el MOSFET. Pero muy rápidamente. En el lapso de fracciones de milisegundo. Así que empezaría a oscilar y a limitar efectivamente la corriente de forma continua, pero aumentando el calor en el MOSFET rápidamente.
Para solucionarlo, se ha colocado Q1 y algunas resistencias como "memoria". Si el Op-Amp OA1-B baja, para apagar el MOSFET, el transistor Q1 se enciende. Q1 entonces alimenta la corriente en el negativo del Op-Amp OA1-B y el LED a través de R9. R8 asegura que el Op-Amp OA1-A no sea molestado por esto (ya que OA1-A quiere que su salida sea 0V).
Esta situación significa que el Op-Amp OA1-B sigue viendo un voltaje mucho mayor en su entrada - que en la entrada +, manteniendo la salida baja, y el MOSFET apagado. Además, el LED se enciende para notificarle: "¡He disparado una sobrecorriente!". (Sin embargo, usa un LED de baja corriente o de alto brillo, ya que yo elegí mantener la corriente pequeña).
Ahora, si pulsas el SW1, conectarás la base del Q1 al + de la batería, apagando así el transistor y restableciendo el esquema a su estado normal. A no ser que la sobrecorriente siga ahí, en cuyo caso pulsar el interruptor provocará la oscilación descrita anteriormente. Así que es una buena idea no mantener el botón pulsado durante mucho tiempo, por si acaso.
NOTA1: Es posible que el sistema se desvíe a Q1 cuando se conecta la batería por primera vez, una rápida pulsación del botón debería solucionarlo.
NOTA2: También se puede cargar la batería a través del MOSFET en circunstancias ideales, pero para evitar comportamientos extraños en los Op-Amps, es mejor cargar la batería directamente, sin este esquema de conmutación de por medio.
SIN RESUMEN ...... ¡YA ESTOY CANSADO! Son las 6:10AM otra vez.
Pensaba resumir todas las fórmulas, pero como ya llevo más de 5 horas en este post, creo que se lo dejaré al lector.
