|
โครงงาน Smart Charger |
|
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
|
เครื่องชาร์ตแบตเตอรี่ Smart Charger
การเล่นเครื่องบินบังคับวิทยุโดยเฉพาะเครื่องบินไฟฟ้า
นักบินเครื่องบินเล็กมักจะประสพกับปัญหาเรื่องการชาร์ตแบตเตอรี่อยู่เป็นประจำ
ถ้าได้เครื่องชาร์ตแบตเตอรี่สักเครื่องก็จะสามารถแก้ปัญหาไปได้ แต่เครื่องชาร์ตแบตเตอรี่ที่ดีๆก็มีราคาแพงพอสมควร
ส่วนเครื่องชาร์ตแบตเตอรี่ที่มีราคาถูกก็มักไม่ค่อยมีคุณภาพเท่าไร
และบางครั้งยังทำให้แบตเตอรี่เสียหายด้วย ผมใช้เวลาประมาณ 2 ปี กับทุนทรัพย์อีกพอสมควร
ทำการศึกษาหาข้อมูล และทดลองสร้างเครื่องชาร์ตแบตเตอรี่ขึ้นมาเพื่อแก้ปัญหาของการชาร์ตแบตเตอรี่
โดยเน้นว่าต้องมีราคาไม่แพง ใช้อุปกรณ์ไม่มากนัก
อุปกรณ์ที่ใช้ต้องหาซื้อได้ในประเทศไทย สร้างได้ง่าย ขนาดไม่ใหญ่มาก
และที่สำคัญคือต้องสามารถใช้งานได้ดี ในที่สุดผมก็ได้ออกแบบ สร้างและปรับปรุง
เครื่องชาร์ตแบตเตอรี่ขึ้นมาได้สำเร็จตามเป้าหมายที่ตั้งไว้
เรามาดูคุณสมบัติของเครื่องชาร์ตแบตเตอรี่กันดังนี้ คุณสมบัติของเครื่องชาร์ตแบตเตอรี่ Smart Charger ·
ใช้ได้กับแบตเตอรี่ชนิด Nickel Cadmium (NiCd),
Nickel Metal Hydride (NiMH), Lithium-Ion (Li-Ion),
Lithium Polymer (Li-Po) และ Sealed Lead Acid (SLA) o แบตเตอรี่ชนิด NiCd
และ NiMH
สามารถชาร์ตได้ตั้งแต่ 1 เซล ถึง 10 เซล o แบตเตอรี่ชนิด Li-Ion และ Li-Po
สามารถชาร์ตได้ตั้งแต่ 1 เซล ถึง 3 เซล o แบตเตอรี่ชนิด ·
สามารถตั้งกระแสชาร์ตได้ตั้งแต่ 0.1 แอมป์ ถึง 3.0 แอมป์
(ปรับได้ครั้งละ 0.1 แอมป์) ·
สำหรับแบตเตอรี่ชนิด NiCd และ NiMH จะสามารถดิสชาร์ตได้
โดยสามารถตั้งกระแสดิสชาร์ตได้ตั้งแต่ 0.1 แอมป์ ถึง 2.0 แอมป์ (ปรับได้ครั้งละ
0.1 แอมป์) พร้อมโปรแกรมทำ Cycle Charge ·
ต้องการแรงดันไฟฟ้าเข้า 16 โวลต์ ที่กระแสสูงสุด 4 แอมป์ ·
มีระบบตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าเข้า ว่าเพียงพอสำหรับการชาร์ตหรือไม่ ·
มีโปรแกรมสำหรับตั้งกระแสชาร์ตโดยอัตโนมัติ ตามความจุของแบตเตอรี่ ·
มีระบบการชาร์ตแบตเตอรี่แบบกระแสคงที่ (Constant Current)
และแรงดันคงที่ (Constant Voltage) ·
มีอัลกอลิทึ่มสำหรับตรวจจับแบตเตอรี่เต็มดังนี้ o Negative Delta Voltage
สำหรับแบตเตอรี่ NiCd และ NiMH o Zero Delta Voltage
สำหรับแบตเตอรี่ NiMH o Current Drop สำหรับแบตเตอรี่
Li-Ion, Li-Po และ o Timer และ Exceed Voltage
เป็นระบบสำรองสำหรับแบตเตอรี่ทุกชนิด ·
ควบคุมการทำงานด้วย Microcontroller ของ Phillips เบอร์ P89V51RD2 ·
มีหน่วยความจำที่สามารถเก็บข้อมูลของแบตเตอรี่ได้ 10 ชุด ·
แสดงข้อมูลการชาร์ตบนจอ LCD ขนาด 2 บรรทัดๆละ 16 ตัวอักษร อัลกอลิทึ่มสำหรับดิสชาร์ตแบตเตอรี่ NiCD และ NiMH แรงดันปกติของแบตเตอรี่ชนิด NiCD และ NiMH
จะอยู่ที่ 1.2 โวล์ตต่อเซล เมื่อทำการดิสชาร์ตจนแรงดันต่ำกว่า 1 โวลต์ต่อเซล ก็จะถือว่าแบตเตอรี่หมดแล้ว
เครื่องชาร์ตแบตเตอรี่ Smart Charger จะตรวจจับแรงดันของแบตเตอรี่ ถ้าต่ำกว่า
0.95 โวลต์ต่อเซล
ก็จะหยุดการดิสชาร์ต สาเหตุที่ใช้ค่า 0.95 โวลต์ต่อเซล เพราะต้องชดเชยแรงดันตกคล่อมในสายไฟด้วย อัลกอลิทึ่มสำหรับตรวจจับแบตเตอรี่เต็ม โปรแกรมที่บรรจุอยู่ใน Microcontroller
จะมีอัลกอลิทึ่มสำหรับใช้ในการตรวจจับจุดสิ้นสุดการชาร์ตดังนี้ 1.
Negative Delta-Voltage ใช้กับแบตเตอรี่ชนิด NiCD
และ NiMH โดยเมื่อแบตเตอรี่ชาร์ตจนเต็มจะเกิดก๊าซออกซิเจนขึ้นภายในเซล
มีผลทำให้แรงดันของแบตเตอรี่ตกลง เครื่องชาร์ตแบตเตอรี่ Smart Charger
จะตรวจหาแรงดันแบตเตอรี่สูงสุดและแรงดันแบตเตอรี่ที่ลดลง
ถ้าแรงดันที่ลดลงมีค่าต่ำกว่า 15 mV ต่อเซล แสดงว่าแบตเตอรี่เต็มแล้ว 2.
Zero Delta-Voltage ใช้กับแบตเตอรี่ชนิด NiMH
โดยตรวจหาค่าแรงดันของแบตเตอรี่ในช่วงเวลาที่กำหนด ถ้าแรงดันเปลี่ยนไปน้อยกว่า 0.01 โวล์ต
เครื่องชาร์ตจะเก็บค่าไว้ แล้วทำการตรวจสอบอีก 2 ครั้ง
ถ้าค่าแรงดันของแบตเตอรี่ยังคงที่ แสดงว่าแบตเตอรี่เต็มแล้ว 3.
Current Drop ใช้กับแบตเตอรี่ชนิด LiPo LiIon และ 4.
Timer ใช้เป็นระบบสำรอง เผื่อไว้ในกรณีที่การตรวจหาจุดสิ้นสุดการชาร์ตตามวิธีข้างบนล้มเหลว
โดยการจับเวลาที่ใช้ในการชาร์ต ถ้าเกินค่าที่กำหนดไว้
เครื่องก็จะหยุดการชาร์ตทันที 5.
Exceed Voltage ใช้เป็นระบบสำรองเช่นกัน โดยตรวจสอบแรงดันของแบตเตอรี่
ถ้ามีค่าเกินกว่าค่าที่กำหนดไว้ เครื่องก็จะหยุดการชาร์ตทันที วงจร Buck Converter การควบคุมกระแสและแรงดันที่ใช้ในการการชาร์ตแบตเตอรี่
เราจะใช้หลักการของวงจรที่เรียกว่า Buck Converter ซึ่งวงจรพื้นฐานจะประกอบด้วย
MOSFET, SCHOTTKY DIODE, ขดลวด (INDUCTOR) และตัวเก็บประจุ (CAPACITOR)
ดังรูปที่ 1
รูปที่ 1 วงจร Buck Converter พื้นฐาน MOSFET ทำหน้าที่เป็นสวิทช์เปิด-ปิดวงจร
ซึ่งถูกควบคุมด้วยสัญญาณ PWM ที่สร้างจาก Microcontroller เบอร์ P89V51RD2
โดยเมื่อ MOSFET นำกระแส (ปิดวงจร) จะมีกระแสไหลผ่านวงจร Buck Converter
ดังรูปที่ 2 โดยมีกระแสไฟส่วนหนึ่งไปชาร์ตตัวเก็บประจุ
รูปที่ 2 การทำงานของวงจร Buck Converter ขณะที่ MOSFET นำกระแส เมื่อ MOSFET หยุดนำกระแส (เปิดวงจร)
ก็จะยังคงมีกระแสไหลผ่าน LOAD อยู่อีกชั่วขณะหนึ่ง โดยกระแสไฟที่ไหลผ่าน Load
ได้มาจากสองแหล่งคือ ตัวเก็บประจุ และการที่ขดลวดปล่อยพลังงานออกมา
แสดงดังรูปที่ 3
รูปที่ 3 การทำงานของวงจร Buck Converter ขณะที่ MOSFET หยุดนำกระแส การเปิด-ปิดวงจรของ MOSFET จะรวดเร็วมาก (ประมาณ 20,000 ครั้งต่อวินาที
หรือ 20 KHz ไปจนถึง 300,000 ครั้งต่อวินาที หรือ 300 KHz)
เพื่อลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้า
สำหรับการควบคุมกระแสทำได้โดยการเปลี่ยนช่วงเวลา (Duty Cycle) ที่ให้ MOSFET
นำกระแสและหยุดนำกระแส ถ้าให้ MOSFET นำกระแสเป็นเวลานานก็จะมีกระแสไฟไหลผ่าน LOAD
มาก ถ้าให้ MOSFET นำกระแสเป็นเวลาน้อยก็จะมีกระแสไฟไหลผ่าน LOAD
น้อยลงตามไปด้วย ส่วนการควบคุมแรงดันทำได้ด้วยวิธีการเดียวกัน
แต่จะมีการตรวจสอบแรงดันอยู่ตลอดเวลา
ถ้าแรงดันเปลี่ยนแปลงก็จะทำการปรับเปลี่ยนช่วงเวลา (Duty Cycle)
ให้กระแสไหลมากขึ้นหรือน้อยลง ผลก็คือแรงดันที่ได้ก็จะคงที่ สำหรับค่า Duty Cycle
ที่ให้ประสิทธิภาพการทำงานสูงสุดจะอยู่ที่ 50% และความถี่ของ
PWM ที่ผลิดได้จาก Microcontroller P89V51RD2 ที่ทำงานแบบ 6 clock cycle ความถี่ 18.432
MHz จะอยู่ที่ 36 KHz เราสามารถหาค่า INDUCTOR
ได้จากสูตรต่อไปนี้ L = (Vi Vsat Vo) ton 2 Imax เมื่อ
ดังนั้นจะได้ L = (16
0.5 1.0) x 26.39 2 x 3 L = 63.77 uH * คิดจากคาบเวลาช่วงที่
MOSFET นำกระแสสูงสุดที่ 95% Note: Best viewed
with Internet Explorer 5 or later version at 800 x 600 pixels |
||||||||||||||||||||
