STICHELBAUT César Années 2001-2002 3EM Série 2 Mat. 98095 Laboratoire d'électronique 3EM-Bis & 4EM-Delta+ Travail de fin d année Chargeur - Déchargeur d'accus NiCd A l'attention de Monsieur GREGOIRE Remis le.. /.. /.. 1
1. Introduction Choix du circuit Amateur de modélisme, je possède un chargeur Graupner me permettant de sectionner différentes valeurs de courant de charge. Il permet également la charge de plusieurs pack d'accus en même temps. Cependant, il s'avère que les accus NiCd ont la fâcheuse tendance au vieillissement par effet "mémoire". Une façon d'éviter cet effet mémoire est de décharger les accus jusqu'à atteindre 1V par cellule avant de les recharger. De plus, il faut éviter la surcharge. Le chargeur dont je dispose ne me permet rien de ceci. Ainsi, il me faut décharger les accus manuellement et chronométrer la charge. Ma recherche était donc celle-ci : un chargeur d'accus NiCd déchargeant automatiquement les accus, déclenchant automatiquement la charge, une fois la décharge terminée et enfin, stoppant la charge après le temps adéquat. La plupart des circuits présentés dans les revues Elektor étaient soit des chargeurs très rudimentaires (dont je dispose déjà), soit des chargeurs rapides, de terrain (Alim. 12V), avec détection de fin de charges par Delta-Peak (-dv/dt). Cette détection n'est possible qu'en cas de charge rapide. Les accus que j'utilise ne permettent pas ce type de charge car ils sont de faibles capacités et ne supportent que de faibles courants de charge. C'est finalement un circuit proposé dans la revue de septembre 1979 qui a retenu mon attention (photocopies en annexe). Le chargeur décrit dans cet article a été conçu pour répondre aux caractéristiques suivantes : Il doit être utilisable pour tous les types de cellules disponibles dans le commerce. Le courant de charge doit être constant et égal au dixième de la capacité de l'accumulateur en Ah ; mais il faut aussi pouvoir choisir un courant plus grand pour les modèles se chargeant au tiers de leur capacité. Un temporisateur doit être intégré pour assurer un temps de charge correct. Pour éviter tout risque de dommage aux cellules, elles devront d'abord être déchargées à un niveau bien défini avant le cycle de charge. Le passage d'un cycle à un autre doit être automatique. Après le cycle de charge, il doit être possible de laisser les cellules connectées au chargeur. Dans ces conditions, elles devront être maintenues à un niveau de pleine charge. Enfin, le circuit doit être fiable et économique, facilement réalisable chez soi. Que demander de plus? Je lis l'article et tente de comprendre le fonctionnement. A première vue, le circuit est en effet assez simple et les composants le constituant facilement trouvables. Je ne me suis donc pas confronté aux problèmes des fournitures Cependant, trois choses m'ennuient. 2
La première concerne le courant de charge. Le circuit propose bien deux courants différents (50mA ou 150mA) mais ils sont associés, respectivement, à deux temps de charge imposés (14h ou 3h30). Or, le principe de charge des Accus NiCd est simple et fonction de la capacité des cellules et du courant de charge. Avec ces deux paramètres, on calcule le temps de charge par cette formule : (C [mah] / I [ma]) x 1,4 La valeur de 1,4 est assez incertaine. On retrouve parfois 1,2. En réalité, elle dépend du pourcentage de surcharge que l'on désire. Classiquement, on limite la surcharge à 10% de la tension nominale. Le circuit du chargeur proposé ne concernait donc que les accus classiques d'une capacité de 500mAh (charge au 1/10 de la capacité nominale) ou les accus permettant un courant plus important (à charge à 1/3 de la capacité nominale) mais limités, alors, à 3 heures 30 de charge. Un site Internet francophone (http://erfred.free.fr/accus/index.htm) consacré aux accus NiCd et autres éclaircit les choses. Il existe différents types de charge, la plus classique étant celle de ce chargeur. Afin de l'améliorer, on pourrait (voir le point "modifications") stopper la charge non pas par une horloge mais par une mesure de tension. La formule est la suivante : 1.45 [V] x n [éléments] = U fin [V] La deuxième : un comparateur stoppe la décharge une fois atteint le Volt par cellules. Ce seuil est réglable par un seul potentiomètre et demande donc d'être réajusté à chaque fois qu'on change le nombre de cellules à charger par la formule suivante : 1 à 6 éléments : 1 [V] x n [éléments] = U fin [V] 7 à 10 éléments : 1.2 [V] x (n-1) [éléments] = U fin [V] La troisième : la charge à courant constant a un avantage : elle permet de charger indifféremment une à plusieurs cellules reliées en série. Cependant, cet avantage est réduit par le deuxième problème et le circuit proposé est limité à 6 cellules en série alors qu'un émetteur de modélisme est alimenté par 8 cellules. 3
2. Modifications Apports personnels Les modifications apportées permettent de contrer les trois problèmes précédents. Elles sont assez simples et ne modifient que très peu le circuit mais me permettent ainsi de passer d'un pack d'accus de 2, 4, 6 ou 8 éléments (seuil de décharge sélectionnable et alimentation plus élevée), de sélectionner le courant de charge (50, 100, 150, 250 ou 400mA) et d'ajuster le temps de charge nécessaire aux différents types d'accus (1, 3.5, 7, 14h ou 1.5, 6, 12, 24h). Le tableau suivant reprend les courants de charge suivant la capacité de l'accu (en mah) et le temps de charge : Capacité / Temps 110 250 350 600 800 1000 1100 1700 1800 2050 24h 60 60 100 100 14h 60 100 100 12h 100 100 250 7h 150 400 6h 60 150 250 400 3,5h 100 150 400 1,5h 100 250 52min 400 Le temps de charge sera choisi sur les différentes pins de IC3 et en fonction de la valeur de P5 et P6 : Pins P5 - Temps - P6 7 49'' 1,4' 5 1,6' 2,8' 4 3' 5,5' 6 6' 11' 14 13' 22' 13 26' 45' 15 52' 1,5h 1 3,5h 6h 2 7h 12h 3 14h 24h Les deux dernières modifications auraient pu être remplacées par une seule : un comparateur de tension stoppant la charge une fois atteint les 10% (par exemple) de surcharge. Sur le même sélecteur (rotacteur S1) de tension de décharge, mais disposant de deux fois X voies, une tension de référence serait choisie et ferait basculer le monostable IC2B (voir circuit schématique en annexe) une fois atteinte. Cette idée n'a pas été choisie pour plusieurs raisons. La première est que la tension de surcharge évolue avec l'âge de l'accu. L'idéal est l'arrêt de la charge à 1.45V par éléments. Si cette tension n'est pas atteinte par les éléments, la charge ne s'arrête pas mais l'élément n'accumule plus le courant le circulant. Ce dernier est donc dissipé en chaleur par l'accu, ce qui le détruit. Les autres raisons sont purement 4
temporelles. Le jour où l'idée m'est venue, je disposais déjà des composants et le PCB était achevé. Cependant, on peut l'essayer en ajoutant un circuit secondaire et en remplaçant l'entrée (pin 5) de IC5B par la sortie d'un ampli-op monté en comparateur. On peut également garder les deux idées (Horloge et Mesure de tension). Le système en devient même idéal. En liant la sortie sélectionnée de IC3 à un circuit secondaire contenant une porte AND et la sortie d'un comparateur (avec seuil sélectionné par S1, devenu un rotacteur à 2*X voies) à l'autre entrée de la porte AND. Enfin, la sortie de la porte serait liée à la pin 5 de IC5B. C'est pour cette option que la pin 11 de IC4D et la pin 5 de IC5B sont liées par un pont (voir PCB en annexe). Par cette option, il est possible d'arrêter la charge de manière optimale lorsque la tension de 1.45V par éléments (à 20 C) est atteinte et de sauvegarder la vie de l'accu si elle n'est jamais atteinte, en sélectionnant un temps maximum de charge. 5
3. Fonctionnement Les paramètres d'entrées peuvent être considérés comme la tension VNICD (tension de l'accu) et les réglages choisis par les interrupteurs S1 à S3. Les poussoirs S5 à S7 permettent d'enclencher la décharge (début du cycle), la charge ou l'arrêt du cycle. Les sorties sont le courant de décharge et de charge. En "interne", ce sont les différents états des monostables et de l'horloge qui permettent de passer de bloc en bloc. + Décharge (T2,T3) (Led Rouge) "Goutte à goutte" (R3) Charge (T1) (Led Verte) (S3) Accus - Comparat. (IC1) (S1) Monostable (IC2A) (S5) Comparat. (Optionnel) Horloge (IC4A- B,IC3) (S2) Une poussée sur S5 excite un monostable qui commence le cycle de décharge. Une led rouge s'allume. Se faisant, un comparateur compare la tension de l'accu à la tension de référence choisie par S1 et fonction du nombre d'éléments constituants l'accu. Cette tension atteinte, le monostable IC2A change d'état et IC2B également, commençant ainsi le cycle de charge et de comptage (horloge). T1 passe un courant choisi par S3 et une led verte s'allume. Une fois le temps écoulé, IC3 bascule le monostable IC2B coupant la charge. Seul reste alors le courant du goutte à goutte constitué d'une simple résistance. L'option de fin de charge par comparateur de tension remplace l'horloge ou travaille en parallèle (via porte AND). 6
4. Circuit schématique L'ajout de résistance permettant la sélection du courant de charge ainsi que des potentiomètres pour régler le seuil du comparateur IC1 m'ont obligé à redessiner le PCB. L'usage de l'outil schématique de Protel m'a permis d'être sûr de tout relier, lors de l'implantation des composants sur le PCB ("élastiques"). Le schéma se trouve en annexe. Il a été dessiné de manière à respecter tant que possible le schéma bloc précédent. Il est donc fort "éclaté". Alimentation Afin de permettre la charge de pack d'accus de 8 éléments, la tension d'alimentation est montée à 12V. Les précautions à prendre sont de vérifier si tous les composants supportent cette tension d'alimentation, ce qui est le cas (max. 15V). J'ai choisi un transformateur à monter sur PCB de 10VA. Le courant de charge maximum étant de 400mA, sous 12V, cela donne une puissance d'environ 5VA, plus le reste du circuit. La sortie est redressée (B) et lissée par C5. Un problème sera certainement rencontré lors de la charge des packs à 8 cellules. Si les éléments doivent atteindre 1.45V par cellules, cela donne une tension générale de 11.6V. La différence de tension entre l'alimentation et l'accu est alors de 0.4V, tension trop faible pour le circuit de charge (tension entre D1). Il est donc probable que les packs à 8 cellules atteignent au maximum 12-1.6 (différence de potentiel entre D1 et T1) soit 10.4V, correspondant à 1.3V par cellule. La seule solution est d'augmenter la tension d'alimentation à 15V (maximum accepté par les composants) ou espérer une sortie du transformateur légèrement supérieure à (1.45 x 8) + 1.6 = 13.2 Volt. Le goutte à goutte pourrait permettre d'élever un peu la tension. Choix Tension Décharge Constituant la première modification, il permet, par un rotacteur (changer par un 3 x 4 voies pour permettre, éventuellement, l'installation du circuit secondaire), de sélectionner le seuil de tension de décharge. Il est composé de 5 résistances de 1K en série dont 4 sont des potentiomètres. La différence de potentiel aux bornes est donc de (12V / 5K) x 1K = 2.4V. Suivant la formule du point 2, les potentiomètres sont ajustés pour donner 2V, 4V, 6V et 8.4V. La consommation de cette branche est d'environ 30-35 mw. Sélection Temps et Courant de charge Il s'agit des autres modifications. Confié également à deux rotacteurs, le choix du temps de charge est fonction des sorites choisies sur IC3 (voir tableau précédent) ; le courant de charge est imposé par la différence de potentiel aux bornes de D1 (2.4V car led verte) et T1 (U BE ) divisée par la valeur des résistances choisies. Ainsi, les résistances R1, R2, R16, R17, R18 passe un courant d'environ 60, 100, 160, 240, 400mA. Des potentiomètres auraient pu être préférés pour ajuster précisément les courants de charge. 7
Circuit Charge Lorsque la sortie Q du monostable IC2B devient haute (fin de la décharge ou poussée sur S6), T4 devient passant. La led verte s'allume et impose 12 2.4 = 9.6V comme tension de base de T1. Il devient passant et laisse le courant sélectionné atteindre l'accu. Le goutte à goutte (résistance R3) maintiendra l'accu à pleine charge lorsque le cycle est terminé. En supposant que les cellules aient 1.45V de différence de potentiel en fin de charge, le courant est de 4.1, 2.8, 1.5 ou 0.2 ma pour un accu de 2, 4, 6 ou 8 éléments. T1 ne passe que 1.5A au maximum. Comme le courant maximum sélectionnable est de 400mA, il est probable qu'il ne chauffe pas trop. Circuit Décharge Lorsqu'on pousse sur S5 (départ cycle), la sortie Q du monostable IC2A devient haute rendant passant T3 et T2. La led rouge s'allume et l'accu est vidé par une grosse résistance R7. Le choix du dimensionnement de celle-ci est important. La courant ne doit pas être trop important (risque d'endommager l'accu ou T2, qui ne supporte que 1.5A). Il ne faut pas non plus devoir attendre trop longtemps avant de charger (question pratique). Mon premier choix était une résistance de 8.2Ω 10W. Supposons que le système décharge un pack de 8 éléments (tension maximum) assez frais. La tension aux bornes de la résistance est alors d'environ 11V. Le courant passant est de 11 / 8.2 = 1.34A et est bien trop élevé pour de petits éléments. De plus, le transistor T2 risque de chauffer et il faudra alors monter un dissipateur. Signalons également que la résistance dissipe alors 1.34A x 11V = 15W, valeur trop élevée pour celle-ci. Le tableau suivant permet de choisir : Temps de décharge (heures) en fonction de R7 et nombre d'éléments de 600mAh Valeur du courant (A) Puissance dissipée 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 6,8 1,7 0,9 0,6 0,4 0,353 0,706 1,059 1,412 0,847 3,388 7,624 13,553 8,2 2,1 1,0 0,7 0,5 0,293 0,585 0,878 1,171 0,702 2,810 6,322 11,239 10 2,5 1,3 0,8 0,6 0,240 0,480 0,720 0,960 0,576 2,304 5,184 9,216 12 3,0 1,5 1,0 0,8 0,200 0,400 0,600 0,800 0,480 1,920 4,320 7,680 15 3,8 1,9 1,3 0,9 0,160 0,320 0,480 0,640 0,384 1,536 3,456 6,144 18 4,5 2,3 1,5 1,1 0,133 0,267 0,400 0,533 0,320 1,280 2,880 5,120 22 5,5 2,8 1,8 1,4 0,109 0,218 0,327 0,436 0,262 1,047 2,356 4,189 27 6,8 3,4 2,3 1,7 0,089 0,178 0,267 0,356 0,213 0,853 1,920 3,413 33 8,3 4,1 2,8 2,1 0,073 0,145 0,218 0,291 0,175 0,698 1,571 2,793 Il est établi en considérant les éléments à leur tension nominale. Le choix est une résistance de 10Ω 10W qu il faudra monter assez décollée du PCB pour que la chaleur soit bien dissipée. 8
Circuit de Commandes Concrètement, la mise en route du cycle complet, de la charge ou l arrêt de l une ou l autre se fait par des boutons poussoir. Ceux-ci modifient l état des mono stables IC2A et IC2B. Lorsqu on pousse sur S5 (Départ), IC2A voit son entrée SET haute et sa sortie devient donc également haute. Celle-ci rend le transistor T3 passant et active le circuit de décharge. Lorsque le comparateur IC1 compare les mêmes tensions, sa sortie devient basse, ce qui rend la sortie de IC5A haute et provoque un RESET de IC2A. Sa sortie devient basse, coupant le circuit de décharge et, par un différentiateur (R12 / C2) provoque un pic bas sur IC4C. Sa sortie devient haute un court instant et lance un SET à IC2B. La sortie de IC2B devient haute et active le circuit de charge ainsi que le début du comptage de IC3. Une action sur S7 provoque un RESET sur les deux mono stables, coupant ainsi les deux circuits. Remarquons qu il est possible de sauter la décharge et d activer tout de suite la charge et poussant sur S6. Cependant, si le circuit de charge est actif, il faut impérativement pousser d abord sur STOP avant d amorcer la charge. Dans le cas contraire, les deux circuits se trouvent actifs et le courant débité est directement dissipé dans R7. Horloge L horloge est constituée d un générateur d horloge (IC4A et IC4B), un inverseur compris dans IC3, diviseur de fréquence. Suivant la valeur des couples C4 / P5 ou C4 / P6, la sortie de IC4A (signal carré) a une période basse différente de la période haute. Ainsi, le temps nécessaire pour voir l une des sorties de IC3 hautes est réglable via les potentiomètres P5 et P6. 9
5. Réalisations Calibration Après de longues heures passées sur Protel pour dessiner le PCB de façon optimale, j ai pu percer les différents trous et souder les composants. Commençant par les plus petits jusqu aux plus gros (transformateur). Diverses aventures ont été rencontrées comme l agrandissement des trous prévus pour l implantation du transformateur alors que la plupart des composants étaient déjà installés, une pastille qui a souffert de la chaleur et qui s est décollée, m obligeant à souder sur la piste. L implantation choisie m a obligé à effectuer des ponts (trop à mon goût) que j ai préféré faire en fil isolé car ils étaient fort proches. Après vérification, j ai enfin introduit la prise dans le secteur! Surpris, aucun Pchuttt Rapidement, j ajuste les potentiomètre pour régler mes seuils de tension. Malheur, impossible d obtenir 4V sur le deuxième potentiomètre J ai commis une énorme erreur! Les 12V efficace du transformateur, une fois redressés, donnent évidemment plus que 12V! En effet, il aurait à vide 12V * 1.4 la chute de tension sur le pont de diodes, ce qui donne une quinzaine de volts. La série de potentiomètre n a donc plus la même tension à leurs bornes. La solution la plus simple est alors de dire que le chargeur est prévu pour des pack de 4, 6, 8 ou 10 cellules J ai donc ajusté les potentiomètres pour 4, 6, 8.4 et 10.8V. 10
6. Essais Commentaires Problèmes rencontrés Essais Circuit Alimentation Les mesures ont été faites après redressement. A vide, la tension mesurée est de 18.6V. Le signal est plus ou moins continu et oscille entre 18.5 et 18.6V à 100Hz (double redressement). Le transformateur débiterait donc environ 13V. Le courant circulant étant presque nul, la chute de tension sur les diodes est négligeable. Lorsque la charge est active et suivant le courant sélectionné, la tension oscille à 100Hz entre 18 et 17.7V pour 0mA (juste T4), 17.4 et 16.5V pour 70mA, 17 et 15.9V pour 140mA, 16.7 et 15.1V pour 200mA, 16.2 et 14.2V pour 275mA et enfin 15 et 12.1V pour 400mA. Afin de garantir une alimentation constante, il aurait été préférable d ajouter un régulateur de tension à 15V. Aucune dérive de courant et tension n existerait alors et les courants de charge sélectionnés auraient été plus constant et fiables. Essais Circuit Choix Tension Décharge Les potentiomètres sont ajustés alors que le circuit de décharge est actif afin de tenir compte de la chute de tension générale d alimentation. Ils sont ajustés suivant les valeurs dites plus haut. Essais Circuit Sélection Temps et Courant de Charge Le courant de charge est sélectionnable mais pas ajustable. J ai pu constater une dérive assez importante sous 400mA due à l échauffement des transistors et de la résistance. Les valeurs indiquées sur le chargeur sont celle mesurées après un certain temps et sont donc fiables. Le temps de charge n a pas pu être ajusté comme voulu car les couples C4 / P5 ou C4 / P6 ne modifiaient que très peu le signal à la sortie de IC4A. J aurais dû choisir une valeur plus petite pour P5 ou P6 On pourrait envisager de couper la pin d entrée des potentiomètres mais le réglage serait alors très difficile Essais Circuit Commandes Aucun problème rencontré. Seul le fait de devoir passer par un STOP complet pour passer de la décharge à la charge directement. Essais Circuit Décharge La résistance R7 de 10R choisie au départ était trop faible et les accus de 8 éléments se déchargeaient bien trop rapidement, rendant leur décharge que partielle. J ai modifié celle-ci par une 33R. La décharge est plus constante et meilleure pour les accus. Cependant, les packs de 4 se déchargent très lentement, en 3.5h maximum. Le transistor chauffe modestement. 11
Essais Circuit Charge Aucun problème particulier si ce n est la dérive du courant suivant la température des résistances. Essais Circuit Horloge Suivant le réglage des potentiomètres, le signal carré à la sortie de IC4A a une tension nulle pendant 3.2s et haute pendant 3.8s à 3.8s et 3.2s respectivement. 12
7. Conclusions La réalisation de ce circuit m a permis de mieux me rendre compte des difficultés inhérentes à la mise en place physique des composants. Non seulement, il existe une multitude de composants mais surtout sous différentes formes. Ainsi, le comparateur IC1 était prévu en DIP-6 mais lors des fournitures, je disposais d un DIP-14. Il m a donc fallu redessiner l implantation des composants. Il est certains que Protel constitue une aide énorme à la mise en place des composants et à l exactitude des liaisons (pistes). Il m a été d une grande aide. Notons cependant qu il est encore lourd à utiliser car peu intuitif. Si l occasion se représentait, je pense que j apporterais les modifications suivantes : - Un régulateur de tension afin de garantir une alimentation constante du circuit et une référence sure pour la source de courant. - La possibilité de charger plusieurs packs d accus en même temps, c est-àdire en doublant ou triplant le circuit. - Une fin de charge plus ajustable tant au niveau du temps qu au niveau de la tension de surcharge. - La possibilité de rendre l appareil portatif (alimentation par batterie automobile) - Et enfin, en gadget, mais cependant bien pratique, un voltmètre et ampèremètre afin de vérifier la tension des accus, des seuils réglés, des courants de charge, de manière sélective (un poussoir par exemple ; ceci afin de ne pas perturber le courant de charge ) L ensemble du chargeur m a coûté environ 42. Mais ce sont surtout les interrupteurs et connectiques (~15 ), le transformateur (12 ) et le boîtier (7 ) qui ont coûté le plus. 13
8. Annexes Circuit schématique page 15 PCB page 16 Implantation des composants page 17 Listes des composants page 18 Article d'origine page 19 Datasheets des circuits intégrés page 23 14
Circuit schématique 15
PCB 16
Implantation des composants 17
Listes des composants 18
Article d'origine 19
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21
22
Datasheets des circuits intégrés. 23