Inhoudsopgave Batterijlader via USB

Transcriptie

1

2 Inhoudsopgave Inhoudsopgave...2 Batterijen...3 Wat zijn batterijen...3 Vormen van Batterijen...3 Capaciteit van een batterij...4 Batterijladers...4 Inleiding...4 Batterijlader met constante spanning...4 Batterijlader met constante stroom...4 Snellader...4 Druppellader...5 Batterijlader met timer...5 Intelligente batterijlader...5 Inleiding...5 Detecteren van een negatieve spanningsverandering...5 Detecteren van een spanningspiek...5 Project: Batterijlader via USB...6 Inleiding...6 Werking...6 Berekeningen...6 Voorschakelweerstand LED...6 Weerstand laadstroom...6 Schema...6 Componentenlijst...7 Datasheets...7 Blauwe LED...7 USB bus...7 LM Afbeeldingen Batterijlader via USB

3 Batterijen Wat zijn batterijen Een batterij of ook accu genaamd is een elektrotechnische component waarin elektrochemische energie is opgeslagen, die als elektrische energie, stroom, geleverd kan worden. Bij een batterij worden via een chemische reactie aan de negatieve pool elektronen vrijgemaakt, terwijl aan de positieve pool op hetzelfde moment via een andere chemische reactie elektronen worden gebonden. Bij een oplaadbare batterij zijn de chemische processen omkeerbaar: door het aanleggen van een elektrische spanning kan men een elektronenstroom in omgekeerde richting forceren en zullen de chemische reacties dan omgekeerd verlopen: er wordt dus energie opgeslagen. De spanning aan de klemmen van een batterij is afhankelijk van de ladingstoestand, de inwendige weerstand en de belasting van de batterij. Bij belasting heeft een batterij een lagere spanning dan onbelast doordat de geleverde stroom een spanningsval veroorzaakt over de inwendige weerstand. De inwendige weerstand kan veranderen door ontlading en veroudering van de batterij. De zware metalen kwik en cadmium, die in batterijen worden gebruikt, zijn schadelijk voor het milieu. Daarom moeten lege batterijen, en in het bijzonder cadmium- en kwikbatterijen, niet bij het gewone afval worden gegooid, maar ingeleverd als klein chemisch afval of bij een inzamelpunt voor lege batterijen. Vormen van Batterijen De afmetingen en elektrische eigenschappen van batterijen zijn gestandaardiseerd, zodat dezelfde batterij in verschillende apparaten kan worden gebruikt. Hieronder laten we de meest gebruikte van de Europese standaard zien. (IEC ). Code code bijnaam Vorm Span. N LR1 cilinder L 30.2mm, D 12mm 1,5V AAAA cilinder L 42mm, D 8mm 1,5V AAA (L)R03, MN4000, UM4 Minipenlite cilinder L 44.5mm, D 10.5mm 1,5V AA (L)R6, MN1500, UM3 Penlite cilinder L 50mm, D 14.2mm 1,5V C (L)R14, MN1400, UM2 Baby cilinder L 43mm, D 23mm 1,5V D (L)R20, MN1300, UM1 Monocel cilinder L 58mm, D 33mm 1,5V 3R12(U), 3LR12 rechthoek 62x22x67mm (plat) 4,5V PP3 6F22, 6R61, MN voltblokje rechthoekig 48x25x15mm 9V Batterijlader via USB

4 Capaciteit van een batterij Elke batterij bezit een bepaalde capaciteit. Dit is de hoeveelheid stroom (I) die de batterij kan leveren gedurende een bepaalde tijd. Deze wordt algemeen uitgedrukt in0milliampére per uur (mah). Een batterij met een capaciteit van 1000mAh kan dus gedurende 1 uur een stroom leveren van 1000milliAmpére. Batterijen kunnen ook hogere stromen leveren, maar dit gaat wel ten koste van de tijd. Een batterij met een capaciteit van 1000mAh kan een stroom leveren van 2Ampére gedurende 30 minuten. Als meerdere batterijen parallel geschakeld worden (alle positieve polen met elkaar verbonden en alle negatieve polen met elkaar verbonden) zal de capaciteit van het geheel toenemen. Om de totale capaciteit te kennen moet men de capaciteiten van alle, met elkaar verbonden, batterijen optellen. Batterijladers Inleiding Een batterijlader is een apparaat om oplaadbare batterijen of accu's op te laden. Een batterijlader is enkel geschikt voor oplaadbare batterijen of accu's. Wanneer gewone (niet-oplaadbare) batterijen in een batterijlader worden gedaan dan kunnen deze gaan lekken of zelfs ontploffen. Hierbij kunnen bijtende chemische stoffen vrij komen (zuren). Er zijn verschillende typen batterijladers. De batterijlader met constante spanning, de batterijlader met constante stroom, de snellader, de druppellader, de batterijlader met timer en tot slot de intelligente batterijlader. Hieronder zullen we alle vier even kort bespreken. Batterijlader met constante spanning Een batterijlader die enkel een spanning afgeeft. Deze spanning mag niet te groot zijn, want wanneer een accu teveel spanning krijgt dan neemt capaciteit van de accu af en kan er zelfs toxisch gas vrijkomen. Er wordt daarom een spanning gebruikt die iets hoger ligt dan de spanning van een volle accu (bij 12V accu s ligt de laadspanning meestal rond de 14V). Het zijn vooral loodaccu s die geladen worden met dit type lader. Batterijlader met constante stroom Een batterijlader die enkel een constante stroom afgeeft. Als de cellen vol zijn moet het uitschakelen handmatig gebeuren. Het zijn vooral NiCd (NiCad) accu s die worden geladen met dit type lader. Snellader Een snellader laadt de batterijen met een grotere stroom, zodat de batterij in kortere tijd opgeladen worden. De meeste snelladers voor batterijen meten ook de temperatuur van de batterijen, omdat de batterijen kunnen beschadigen bij een te hoge temperatuur. Het zijn vooral NiMH die geladen worden met dit type lader Batterijlader via USB

5 Druppellader Een druppellader is een batterijlader, die een batterij oplaadt tot een vooraf ingesteld punt, vaak met 1/10 van de accucapaciteit. Nemen we aan dat een oplaadbare batterij van 1,2 volt en capaciteit 1000mA dan 5 uur geladen wordt met 200 milliampère per uur dan moet die voor 100% geladen zijn. De druppellader meet het punt waar de spanning van de batterij terug naar onder zakt (zie ook detecteren van een negatieve spanningsverandering) en schakelt dan over naar een lagere laadspanning die voldoende is om zelfontlading tegen te gaan. Voor NiMH batterijen blijkt deze methode nadelig te zijn, omdat de batterijen dan toch overladen worden. Batterijlader met timer De laadwijze va deze batterijlader is afhankelijk van de fabrikant. De fabrikant kiest voor een van de twee voorgaande methodes. Het speciale aan dit type lader is dat de lader stopt met het laden van de aangesloten batterijen na een vooraf bepaalde tijdsduur. De timer in de lader is hiervoor verantwoordelijk. Intelligente batterijlader Inleiding Een intelligente batterijlader is een batterijlader met een microprocessor aan boord. Deze microprocessor kan dan allerlei taken vervullen. Zoals het meten van de temperatuur van een batterij, het stopzetten van het laden wanneer een batterij opgeladen is volgens de microprocessor, interne weerstand van een batterij, enzovoort. Voor het detecteren wanneer een batterij opgeladen is zijn er verschillende methodes. Het detecteren van een negatieve spanningsverandering, het detecteren van een spanningspiek en nog vele anderen. Detecteren van een negatieve spanningsverandering Ook wel minus-delta-v genaamd (- V). Bij het laden van een accu stijgt de eigen spanning van de batterij naar zijn maximale waarde. Eenmaal deze waarde is bereikt en het laden gaat nog steeds door zal de eigen spanning van de batterij terug enkele millivolt dalen, een negatieve spanningsverandering. Deze spanningsdaling wordt door de microprocessor gedetecteerd en deze laatste zal dan het laden van de batterij stopzetten. Detecteren van een spanningspiek De PVD (Peak Voltage Detection) detecteert de piekspanning van een batterij die aan het opladen is. Van zodra de maximale spanning van een batterij bereikt is zal deze spanning niet meer stijgen en is dus de piek bereikt. De regelelektronica zal er dan voor zorgen dat het laden wordt uitgeschakeld. Deze methode is vooral aanbevolen bij NiMH batterijen Batterijlader via USB

6 Project: Batterijlader via USB Inleiding We bouwen hier zelf een batterijlader voor NiCd batterijen. Het type lader dat we hier zullen bouwen is van het type constante stroom. Om van dit project een leuke gadget te maken zullen we de batterijlader laten functioneren met de USB bus van een computer of laptop. Zo kan je door een kleine lader mee te nemen snel de batterijen van bijvoorbeeld je digitaal fototoestel opladen. Werking Met deze schakeling kunnen we batterijen laden van het type NiCd en het type Nimh (hoewel deze laatste minder aangeraden wordt met dit type lader). De spanningregelaar LM317 is in deze schakeling geschakeld als een constante stroombron. De stroom die gaat lopen wanneer de keten gesloten wordt (plaatsen van oplaadbare batterij), wordt bepaald door de laadweerstand die zich in serie (achter) met de adjust- en de outpennen bevindt. Deze stroom zal dan de batterij opladen. Berekeningen Voorschakelweerstand LED Daar een LED werkt op stroom en niet op spanning moeten we ervoor zorgen dat de bij maximale spanning van de USB bus een vooraf bepaalde maximale stroom door de LED vloeit. Dit wordt gerealiseerd door een voorschakelweerstand (Rv). Rv = (U-ULED)/ILED = (5V 3,8V)/20mA = 60Ω Bij een spanning van 5V en een voorschakelweerstand van 60Ω zal er een stroom van 20mA vloeien door de blauwe LED. Weerstand laadstroom De gekozen NiCd batterij heeft een capaciteit van 750mAh en een spanning van 1,25V. We zullen deze batterij opladen met 1/10 van zijn capaciteit. De laadstroom (IL) bedraagt dus 75mA. De berekende laadweerstand bedraagt 16,667Ω. Omdat deze weerstand geen standaardweerstand is nemen we een weerstand die zich in de buurt van deze waarde bevindt, namelijk 15Ω. IL = capaciteit * 1/10 = 750mAh * 1/10 = 75mA RL = Ubat / IL = 1,25V / 75mA = 16,667Ω Schema Batterijlader via USB

7 Componentenlijst 1x USB connector mannelijk 1x weerstand 60Ω 1x weerstand 15Ω 1x diode 1N4001 1x spanningsregulator LM317 1x blauwe LED 1x batterijhouder (voor 1 of 2 batterijen) Datasheets Blauwe LED Grootte 5mm DC stroom duty 100% 20mA Spanning 3,8V Lichtsterkte 5000mcd Golflengte 470nm Behuizing water clear Schijnhoek 25 Sperspanning 5V Sperstroom bij 5V 10µA Bedrijfstemperatuur -40 / +80 C Opslagtemperatuur -40 / +100 C Soldeertemperatuur 260 C (fig. 1) USB bus Uitgangsspanning 5V Maximale uitgangsstroom 500mA Snelheid USB 1.0 1,5Mbit/s Snelheid USB Mbit/s Snelheid USB Mbit/s Maximale kabellengte 5M Maximale kabellengte (hubs) 30M Vcc +5V pen 1 D- Data- pen 2 (fig. 2) D+ D pen 3 GND ground/massa pen 4 LM317 Vin max 40V Iout max (< 15V) 2,2A Iout max (< 40V) 0,3A Iout min 3,5 ma Bedrijfstemperatuur 0 / +125 C Opslagtemperatuur -65 / +125 C (fig. 3) Batterijlader via USB

8 Afbeeldingen (fig. 4) (fig. 5) Batterijlader via USB