با آی‌سی CN3767 یک شارژر هوشمند باتری سرب‌اسیدی ۱۲ ولت بساز

داشتن یک موتور سیکلت یا دستگاهی که با باتری اسیدی کار می‌کنه، همیشه دردسر خوابیدن باتری رو هم به همراه داره. وقتی وسیله نقلیه برای یکی دو هفته استفاده نشه، باتری دشارژ می‌شه و روشن کردنش مکافاته.

باتری‌های سرب‌اسیدی در طول زمان به صورت خودکار دشارژ می‌شن و اگر دیربه‌دیر شارژ بشن، کلا از کار می‌افتن. از اونجایی که خرید مداوم باتری جدید اصلا منطقی نیست، داشتن یک شارژر اختصاصی تو خونه یه نیاز ضروریه.

مشکل اینجاست که اکثر شارژرهای معمولی بازار، هیچ سیستم کنترل یا محافظتی ندارن و فقط ولتاژ خام رو به باتری اعمال می‌کنن. اما ما به عنوان یک علاقه‌مند به الکترونیک، قرار نیست به این روش‌های غیراصولی راضی بشیم.

شارژر استاندارد باید باتری به شدت تخلیه‌شده رو اول با جریان خیلی کم (شارژ قطره‌ای) بیدار کنه، بعد با جریان ثابت شارژش کنه و در نهایت روی حالت شناور نگه‌داردش تا از شارژ بیش از حد (Over-charge) جلوگیری بشه.

اینجاست که آیسی CN3767 وارد عمل می‌شه. این تراشه، یک کنترلر اختصاصی باتری‌های 12 ولت سرب‌اسیدی از شرکت Consonance هست که تمام این فرآیندها رو خودش انجام می‌ده. من برای این پروژه یک برد مدار چاپی (PCB) اختصاصی طراحی کردم تا همه قطعات به شکل اصولی روی اون قرار بگیرن.

تو بازار آیسی‌های شارژر زیادی وجود داره، اما بیشترشون برای باتری‌های لیتیوم-یون و لیتیوم-پلیمر ساخته شدن. پیدا کردن یک کنترلر مخصوص باتری سرب‌اسیدی 12 ولتی کار راحتی نیست و CN3767 دقیقا برای همین هدف طراحی شده که کار طراحی رو به شدت تمیز و راحت می‌کنه. برخی از ویژگی‌های کلیدی این تراشه عبارتند از:

1. پشتیبانی کامل از پروفایل شارژ 4 مرحله‌ای
2. محدوده وسیع ولتاژ ورودی: از 6.6 تا 30 ولت
3. توانایی کنترل جریان شارژ تا 4 آمپر
4. سیستم ردیابی نقطه توان بیشینه (MPPT) برای پنل خورشیدی
5. ولتاژهای تنظیم‌شده و دقیق ثابت
6. پین‌های نشانگر وضعیت شارژ
7. فرکانس سوئیچینگ بالا: 300 کیلوهرتز
8. شروع شارژ مجدد به صورت خودکار
9. پشتیبانی از حالت خواب (Sleep Mode)

این آیسی از توپولوژی باک (کاهنده) مبتنی بر PWM استفاده می‌کنه و سوئیچ زدن رو به کمک یک ماسفت کانال P خارجی انجام می‌ده. بنابراین این تراشه فقط نقش "مغز متفکر" رو داره و تو می‌تونی ماسفت، دیودها و سلف رو بر اساس توان و جریان دلخواهت انتخاب کنی.

باتری‌های سرب‌اسیدی خیلی حساسن و اگر درست شارژ نشن، یا ظرفیتشون افت می‌کنه یا به کلی خراب می‌شن. تراشه CN3767 این چهار مرحله رو به صورت کاملا خودکار برای محافظت از باتری اجرا می‌کنه. مرحله اول: شارژ قطره‌ای (Trickle Charge)

وقتی باتری به شدت خالی شده و ولتاژش زیر 75 درصد ولتاژ شارژ کامل (یعنی زیر 11.1 ولت) باشه، شارژر وارد حالت قطره‌ای می‌شه. تزریق جریان کامل به باتری‌ای که کاملا تخلیه شده، به صفحات اون آسیب می‌زنه؛ برای همین تو این حالت فقط 17.5 درصد از جریان تنظیم‌شده به باتری وارد می‌شه. این جریان کم و ملایم، ولتاژ باتری رو تا یک سطح امن بالا میاره تا شرایط برای شارژ اصلی مهیا بشه.

مرحله دوم: شارژ با جریان ثابت (CC) به محض اینکه ولتاژ باتری از 11.1 ولت عبور کرد، شارژر وارد حالت جریان ثابت می‌شه. این فاز اصلی شارژ هست که باتری تمام جریان تنظیم‌شده رو دریافت می‌کنه. مقدار این جریان از طریق مقاومت سنس با این فرمول تعیین می‌شه: ICH = 0.12 ولت / RCS

تو این مدار، ما از یک مقاومت 0.12 اهم استفاده می‌کنیم که دقیقا 1 آمپر جریان به ما می‌ده. این یک جریان کاملا امن و استاندارد برای باتری‌های 7 تا 12 آمپرساعتی موتور سیکلت هست. در طول این فاز، در حالی که جریان ثابته، ولتاژ باتری به طور پیوسته بالا می‌ره.

تو این وضعیت ال‌ای‌دی CHRG روشن می‌مونه تا نشون بده عملیات شارژ در جریانه. مرحله سوم: شارژ با ولتاژ ثابت (CV - Over-Charge)

وقتی ولتاژ باتری به مرز 14.8 ولت (ولتاژ نهایی شارژ) نزدیک می‌شه، مدار به حالت ولتاژ ثابت تغییر وضعیت می‌ده. حالا ولتاژ روی 14.8 ولت قفل می‌شه و به مرور جریان کاهش پیدا می‌کنه.

این روند تا زمانی ادامه داره که جریان به 38 درصد مقدار اولیه برسه. یعنی برای شارژر 1 آمپری ما، وقتی جریان به زیر 0.38 آمپر رسید، این مرحله تموم می‌شه و به این معنیه که باتری تقریبا پر شده. مرحله چهارم: شارژ شناور (Float Charge)

بعد از پایان فاز CV، شارژر وارد حالت شناور یا نگه‌دارنده می‌شه. حالا ولتاژ باتری روی 13.55 ولت تنظیم می‌شه. این ولتاژ دقیقا مقداریه که باتری رو بدون اینکه آسیبی بهش بزنه، در حالت 100 درصد شارژ نگه می‌داره.

حالت شناور در واقع افت ولتاژ طبیعی باتری یا بارهای کوچیک متصل به اون رو جبران می‌کنه. در این لحظه ال‌ای‌دی DONE روشن می‌شه تا بهت خبر بده باتری آماده استفاده است.

وقتی پین DRV آیسی فرمان می‌ده، گیت ماسفت Q2 صفر شده و ماسفت روشن می‌شه تا جریان از طریق سلف وارد باتری بشه. با خاموش شدن ماسفت، جریان ذخیره‌شده تو سلف از طریق دیود D2 به مسیر خودش ادامه می‌ده (Freewheeling). ماسفت AO3401A یک گزینه عالی از نوع کانال P هست که با ولتاژهای منطقی سازگاره.

مقاومت حالت روشن (Rds-on) این ماسفت پایینه و به راحتی می‌تونه جریان‌های بین 1 تا 5 آمپر رو بدون داغ کردن بیش از حد مدیریت کنه.

دیود D1 تو ورودی مدار قرار گرفته تا وقتی منبع تغذیه قطع می‌شه، جریان از باتری به عقب برنگرده. بدون این دیود، آیسی تو حالت خواب حدود 52 میکروآمپر از باتری جریان می‌کشه و باتری رو آروم‌آروم خالی می‌کنه. دیود SS34F-AT یک دیود شاتکی با تحمل 3 آمپر و 40 ولته که افت ولتاژ کمی داره و تلفات رو پایین نگه می‌داره.

خازن‌های C10، C4 و C3 در کنار هم نوسانات فرکانس بالای ناشی از سوئیچینگ ماسفت رو فیلتر می‌کنن. مقاومت R1 مقاومت سنس جریان مدار هست که بین خروجی سلف و باتری قرار گرفته. آیسی ولتاژ دو سر این مقاومت رو از طریق پین‌های CSP و BAT اندازه می‌گیره. اگر مقاومت R1 برابر 0.1 اهم باشه: ICH = 0.12 ولت / 0.10 ohm = 1.2A (جریان شارژ 1.2 آمپر می‌شه).

برای دریافت دقیقا 1 آمپر، همون‌طور که قبلا گفتم، باید از مقاومت 0.12 اهم استفاده کنی. ال‌ای‌دی اول (قرمز) موقع شارژ فعال (مراحل قطره‌ای، CC و CV) روشن می‌مونه.

ال‌ای‌دی دوم (سبز) وقتی روشن می‌شه که باتری فول‌شارژ شده و رفته رو حالت شناور. مقاومت R4 (10 اهم) در مسیر دیود D2 قرار گرفته تا نوسانات شدید فرکانس بالا (بالای 10 مگاهرتز) رو در زمان خاموش و روشن شدن ماسفت مهار کنه.

برای فیلتر کردن خروجی هم از خازن‌های C2 و C8 استفاده کردیم. پین COM برای پایداری حلقه فیدبک به یک شبکه RC نیاز داره. ما از مقاومت R3 (120 اهم) سری‌شده با خازن‌های C5 و C6 استفاده کردیم که به گراند متصل شدن. این ترکیب، باعث می‌شه حلقه‌های کنترل جریان و ولتاژ آیسی تو تمام شرایط کاری کاملا پایدار بمونن.

سعی کردم ابعاد برد رو تا حد امکان کوچک و جمع‌وجور طراحی کنم. با اینکه مدار فعلی ما فقط قراره 1 آمپر رو مدیریت کنه، اما وقتی با یک مبدل سوئیچینگ طرف هستیم، باید اصول طراحی PCB رو به شدت رعایت کنیم. حلقه‌های سوئیچینگ باید کاملا کوتاه باشن؛ یعنی ترک‌های متصل‌کننده D1، D2، ماسفت، سلف و خازن‌های بای‌پس ورودی باید ضخیم و تا جای ممکن به هم نزدیک باشن.

این مسیرها جریان‌های فرکانس بالا رو از خودشون عبور می‌دن و اگر ترک‌ها طولانی باشن، مثل آنتن عمل کرده و تو مدار نویز ایجاد می‌کنن. در هر دو سمت برد از پلی‌گان (محدوده مسی) گراند استفاده شده و تعداد ویاها (Via) تو مسیر ترک‌های اصلی به حداقل رسیده. مسیر اتصال پین DRV به گیت ماسفت هم خیلی کوتاه طراحی شده تا زنگ‌زدگی سیگنال (Ringing) و تلفات درایو گیت مهار بشه.

خازن‌های دی‌کوپلینگ هم باید دقیقا تو نزدیک‌ترین فاصله ممکن به پدهای ورودی و خروجی قرار بگیرن. طراحی این برد با دقت بالایی انجام شده تا هیچ تداخلی تو کارکرد آیسی پیش نیاد و دستگاه تو طولانی‌مدت پایداری خودش رو حفظ کنه. با رعایت این اصول ساده اما حیاتی، یه مدار کاملا بدون نویز و حرفه‌ای خواهی داشت.

بعد از آماده‌سازی فیبر مدار چاپی، وقتشه قطعات رو روی اون لحیم کنیم. لحیم‌کاری دستی این قطعات نصب سطحی (SMD) با دقت و کمی حوصله کاملا امکان‌پذیره و نهایتا دو سه ساعت زمان می‌بره.

اگر قصد داری تعداد بالایی از این شارژر بسازی، استفاده از خمیر قلع و شابلون کار رو به مراتب سریع‌تر و تمیزتر می‌کنه. یک ترفند خوب برای مونتاژ اینه که اول تمام قطعات SMD رو روی برد لحیم کنی. این‌طوری تست کردن و دیباگ برد خیلی راحت‌تر می‌شه و قطعات بزرگ دست‌وپاگیر نیستن. بعد از اینکه از صحت نصب قطعات ریز مطمئن شدی، برو سراغ قطعات پایه‌دار (TH) مثل خازن‌های الکترولیت و ترمینال‌ها.

برای تست مدار، یک منبع تغذیه آزمایشگاهی رو روی 18 ولت تنظیم کردم و خروجی مدار رو به یک باتری موتور سیکلت 12 ولت 7 آمپرساعت وصل کردم. یک مولتی‌متر روی پایانه‌های باتری و یک آمپرمتر کلمپی هم روی سیم شارژ قرار دادم تا روند رو دقیق مانیتور کنم. یادت باشه که به خاطر مقاومت سیم‌ها، ولتاژ نمایش‌داده‌شده روی منبع تغذیه با ولتاژی که به باتری می‌رسه ممکنه کمی تفاوت داشته باشه.

تست حالت جریان ثابت (CC): ولتاژ باتری در ابتدا حدود 12 ولت بود. وقتی شارژر رو متصل کردم، ال‌ای‌دی قرمز رنگ فورا روشن شد. جریان دقیقا روی 1 آمپر قفل شده بود و کاملا ثابت موند. این نشون می‌ده که فیدبک مقاومت سنسور و کنترلر CN3767 دارن بی‌نقص کار می‌کنن. تست حالت ولتاژ ثابت (CV):

وقتی ولتاژ باتری کم‌کم بالا اومد و به مرز 14.8 ولت رسید، دیدم که مدار خیلی نرم وارد حالت شارژ CV می‌شه. ولتاژ روی 14.8 ولت قفل شد و جریان از 1 آمپر شروع به افت کرد. این دقیقا همون مرحله‌ایه که شارژر داره ظرفیت نهایی باتری رو پر می‌کنه. ولتاژ کاملا ثابت باقی می‌مونه و جریان متناسب با پر شدن باتری آروم‌آروم به سمت صفر میل می‌کنه.

یکی از جذاب‌ترین و دست‌کم گرفته‌شده‌ترین ویژگی‌های این مدار، قابلیت MPPT (ردیابی نقطه توان بیشینه) هست که تو این رنج قیمتی واقعا فوق‌العاده‌ست. پین 6 آیسی (MPPT) از طریق یک مقسم ولتاژ شامل مقاومت‌های R2 (120 کیلواهم) و R5 (10 کیلواهم) کنترل می‌شه. آیسی ولتاژ این پین رو روی 1.205 ولت تنظیم می‌کنه که با این مقاومت‌ها، ولتاژ کاری مدار این‌طور محاسبه می‌شه: VMPPT = 1.205 x (1 + 120/10) = 15.66 ولت

این ولتاژ 15.66 ولت، دقیقا بهترین نقطه توان (Sweet spot) برای یک پنل خورشیدی استاندارد 18 ولتیه. جالبه بدونی حتی اگر قرار نیست از پنل خورشیدی استفاده کنی و فقط یک آداپتور معمولی بهش وصل می‌کنی، این مقسم ولتاژ هیچ اختلالی تو کارکرد مدار ایجاد نمی‌کنه و سیستم خیلی عادی به شارژ باتری ادامه می‌ده.

وقتی آیسی قدرتمندی مثل CN3767 رو در اختیار داری، ساخت یک شارژر اصولی و حرفه‌ای اصلا کار سختی نیست، چون خودش تمام الگوریتم‌های پیچیده شارژ رو به عهده می‌گیره. این مدار یه گزینه عالی برای نجات باتری‌های ماشین و موتور سیکلته.

برای ارتقای این پروژه تو آینده می‌تونی با تغییر مقاومت سنس جریان، خروجی رو به 3 آمپر افزایش بدی تا باتری‌ها خیلی سریع‌تر شارژ بشن (باتری موتور به راحتی تا 5 آمپر شارژ رو هم تحمل می‌کنه). انتقال نرم و پایدار بین حالت‌های جریان ثابت به ولتاژ ثابت و کارکرد دقیق ال‌ای‌دی‌های نشانگر، نشون می‌ده که این طراحی چقدر پایداره.

بهترین بخش داستان اینه که با وجود سیستم MPPT، می‌تونی یه پنل خورشیدی کوچیک روی موتور، ماشین یا سقف خونه نصب کنی و یک سیستم شارژر باتری کاملا مستقل و خودکار داشته باشی! امیدوارم از این پروژه تو آیسی‌مدار لذت برده باشی. اگر ایده‌ای برای ارتقاش داری، حتما تو بخش کامنت‌ها برامون بنویس.