Como cortar a energia quando uma certa tensão de um sensor é atingida?

Eu construí um carregador simples de Ni-Cd (basicamente uma fonte de corrente de 0.1C) para algumas células de 1300mAh, que quero parar quando uma certa tensão for atingida na célula. Tentei projetar o comutador com um amplificador operacional, mas tudo o que faz é limitar a voltagem que a fonte de corrente está aplicando na célula, à voltagem que deveria acionar o corte. Sei que poderia usar um relé, que seria acionado pelo Op Amp, mas prefiro não usá-lo.

Então, como cortar a energia quando uma certa tensão é atingida?

Aqui está um esquema do que eu fiz, para lhe dar uma idéia.

Você não deseja usar terminação de carga de voltagem fixa para baterias NiCd. Você precisa ter algum limite de tensão superior como segurança, mas a terminação da carga é feita com inclinação e / ou temperatura da tensão.

Os NiCds exibem um "aumento" de tensão quando quase totalmente carregados com uma corrente razoável. A tensão realmente diminui um pouco. Portanto, procure o cruzamento zero da derivada de tensão e adicione um pouco de carga de corrente baixa por um tempo fixo para recarregar a bateria. Por exemplo, aqui está um ciclo completo de descarga e carga de uma bateria de 3 células NiCd:

A bateria está descarregada para esvaziar efetivamente às 3,4 horas. Até cerca de 4,2 h, uma corrente de carga baixa é usada até que as células atinjam uma voltagem suficientemente alta para poder receber corrente de carga "completa". Observe como a tensão aumenta, exibe um solavanco e depois diminui novamente em cerca de 6,4 h. O algoritmo de carga detecta isso pelo cruzamento zero da linha azul e muda para o modo de pico de baixa corrente por um período fixo de 2 horas.

Você está cobrando a uma taxa muito baixa (.1C), portanto, partes disso podem não se aplicar. Seria uma boa ideia medir uma curva de carga para ver onde você está. Deixe funcionar por tempo suficiente para saber que você carregou totalmente a célula e ver como são a voltagem e a derivada da voltagem. A uma taxa de carga tão lenta, uma tensão final fixa pode ser a única opção, mas seria bom ver os dados antes de decidir isso.

A maneira de medir e detectar isso é em um microcontrolador. Cada medição terá algum ruído, mas os sinais são tão lentos que você pode aplicar muita filtragem de passa-baixo. Os sinais são tão lentos que a filtragem significativa em analógico será difícil devido às impedâncias muito altas necessárias para realizá-los e ao erro resultante causado por correntes de fuga. Os valores digitais não sofrem degradação ao longo do tempo; portanto, você pode fazer coisas como calcular a inclinação em volts / hora, como fiz na linha azul no gráfico acima.

Parece que seu circuito deve fazer exatamente o que você deseja
E, em sua resposta à Chintalagirl, você diz que faz o que pretende: tensão de corte e histerese, para que
eu não possa entender o que você deseja e que ainda não possui.

Eu recentemente implementei um circuito comercial para produção de alto volume usando um circuito semelhante a este. Ele usou um diodo para permitir que a tensão de baixo nível sob feedback de histerese fosse definida sem alterar a tensão de disparo e usou um TL431 para fornecer uma tensão de referência mais estável - ambas como mencionado abaixo.

O V_USB não pode ser garantidamente confiável como 5V e pode ser maior ou menor e pode variar, sendo necessária uma referência adequada. Você pode, por exemplo, dividir R8 em duas partes e ajustar o ponto do meio em, digamos, 4V usando, por exemplo, um regulador TL431 "zener programável" / shunt. Estes são baratos e eficazes nesse papel. O uso de um TLV431 permite 1,25V na configuração de referência.

Melhor - você pode definir o pino 3 do U1A na tensão de disparo desejada com o TL431 MAS, em seguida, o feedback da histerese não funciona e você pode, por exemplo. Use um TL * V * 431 com dois resistores para configurá-lo no Vtrip desejado.
Alimente o TLV431 com cerca de 1k ao cátodo de V_USB.
Alimente o TLV431 via digitar 10k para opamp a entrada não inversora.
Use 100k ou qualquer resistor de histerese como antes com diodo em série. Ver abaixo.

O uso de R1, como mostrado, torna difícil definir limites altos e baixos, conforme desejado, pois R1 fica paralelo a R8 antes que a bateria atinja o ponto de disparo e paralelo a R9 depois que o ponto de disparo é atingido, para que os pontos de ajuste altos e baixos sejam afetados. Além disso, se o amplificador operacional não balançar totalmente para o trilho alto, isso afetará o cálculo do ponto de disparo. Mais fácil e eficaz é colocar um diodo em série com R1 para que ele conduza com apenas uma polaridade opamp, de modo que o limiar alto ou baixo seja definido apenas por R8 e R9. O melhor é provavelmente conectar o cátodo do diodo à saída U1A, para que o diodo seja conduzido quando o limite for atingido e, então, abaixe o limite quando a saída U1A for baixa. Dessa forma, você pode definir com precisão o ponto de disparo desejado com R8 e R9 (que é o que mais lhe interessa) e, em seguida, R1 diminuirá isso um pouco em um valor que você possa calcular. O diodo adiciona uma pequena quantidade de complexidade ao cálculo do limite reduzido, mas não é muito importante, pois o objetivo principal é encerrar o carregamento.

Se R1 for muito grande, o limite não será reduzido o suficiente e a tensão da bateria poderá "ceder" o suficiente depois que a carga for removida, fazendo com que a carga reinicie. Se você observar isso com um medidor e não com um osciloscópio, poderá pensar que está vendo uma tensão contínua de CC, mas realmente o circuito está oscilando. (Pergunte-me como eu sei :-)).

A inspeção com um osciloscópio é sempre uma idéia extremamente boa para circuitos como esse, pois a oscilação pode ocorrer facilmente.

Não deve importar aqui, mas esteja ciente de que a faixa do modo comum de entrada para o LM358 é de 1,5V abaixo de Vdd, portanto aqui Vin max ~ = 3,5.

Depois de adicionar o diodo sugerido acima, você pode testar o ponto de disparo medindo no pino U1A 3. Você pode ter R8 ou R9 ajustável para definir o ponto de disparo. Você pode verificar a operação correta usando um capacitor de baixo vazamento no lugar da bateria. Isso deve ser carregado no Vtrip e o circuito deve desligar e o Vcap deve ser igual à tensão alvo. Se a tampa vazar, você a recarregará ocasionalmente, pois o Vcap fica abaixo do limite mais baixo.

Q1 / R5 é uma maneira desagradável de fazer a configuração atual, pois a referência Vbe é muito imprecisa - mas é boa o suficiente nesta aplicação. D3 provavelmente não é estritamente necessário aqui, mas não deve causar danos. Sem D3, Q1 e Q2 são potencialmente influenciados pela bateria quando o transistor está desligado, mas não deve ser um problema aqui.

A histerese R1 deve impedir que este circuito se instale no modo liner quando o ponto de ajuste for atingido, especialmente com o diodo adicionado, mas verifique a oscilação. Normalmente, adicionar um capacitor em algum lugar do circuito ou nos loops de feedback ajudará. por exemplo, aqui o pino 3 do U1A pode ter uma tampa para aterrar, mas um lugar melhor seria o pino 2, com a alimentação do pino 2 da bateria sendo, por exemplo, um resistor de 10k. Você pode expressar isso na nomenclatura formal de pólo / zero da teoria do circuito ou pode vê-lo como um atraso na taxa na qual a tensão da bateria detectada pode mudar.

Peça conforme necessário ...

Uma solução, embora possivelmente não seja ideal, poderia ser o uso de um comparador ou de um amplificador operacional configurado como comparador. Tenha a entrada negativa como tensão definida e positiva como PWRBAT +. Quando a tensão da célula ultrapassa esse limite, a saída do comparador que flutuava anteriormente será puxada para o solo. Conectar esta saída à junção de R2 e R4 deve desligar o transistor Q2 e tornar Q1 irrelevante e, portanto, interromper o carregamento.

A tensão definida pode ser gerada usando um divisor de resistor simples, pois as entradas do comparador são de alta impedância.

O comparador deve poder absorver a quantidade de corrente necessária para a queda do opamp de saída para 0 através do resistor de saída, o que provavelmente é bom para a maioria dos comparadores comuns.

Este método terá a vantagem de poder trabalhar com o circuito que você já possui sem muita modificação.

Eu finalmente fiz funcionar. Russell, tentei adicionar esse diodo, mas isso não funcionou. Não entendo por que você diz que adicionar esse diodo faria o OA mudar de Vcc para GND. O TL431, no entanto, foi uma sugestão muito boa. Depois de adicionar esse relé (que consome 150mA), eu precisava de uma referência de tensão mais confiável do que um divisor de tensão de alimentação. Um brinde por isso! De qualquer forma, encontrei na loja de eletrônicos local um relé de 12V muito pequeno e selado, que eu tive que abrir e ajustar a bobina para fazer funcionar com 5V. Foi um inferno .. Acabei rebobinando a bobina manualmente. Mas valeu a pena, agora ele faz exatamente o que eu queria:

   - initial battery level is somewhere bellow 1.3V
   - USB is plugged in
   - battery is charged at ~150mA until the voltage applied by the current source is 1.49V
   - 1.49V is reached, the relay goes off, and the battery voltage drops to ~1.44V
   - charger won't start again until cell goes bellow 1.38V

Aqui está o esquema final:

Obrigado a todos pela ajuda!