Protection d'un chargeur de batterie contre les inversions de polarité

[Yvan_Delaserge]

Bonjour,

Je me propose de réaliser le chargeur de batterie suivant, que je viens de trouver sur le Web:



Le fonctionnement est assez simple. Une fraction de la tension de la batterie à surveiller est comparée à une tension de référence. Si la tension de la batterie est inférieure à celle-ci, la sortie du comparateur CA3140 est au niveau haut, ce qui fait conduire la diode LED du photocoupleur 4N35, débloquant le phototransistor qui active le thyristor de puissance et permet un courant de charge à travers la batterie.

Le thyristor une fois activé conduit en permanence jusqu’à ce la tension à ses bornes ou que le courant qui le traverse devienne nul; cette configuration se reproduit 100 fois par seconde du fait du redressement du courant de charge par un pont de diodes à la sortie du transformateur. Si la tension est supérieure, la sortie est au niveau bas, le transistor et le thyristor ne conduisent pas, la batterie ne se surcharge pas.

Il est impératif pour le bon fonctionnement du montage de l’alimenter par une tension redressée et non stabilisée; c.à.d. pas de condensateur de filtrage, car sinon le thyristor une fois amorcé ne cesserait pas de conduire, entraînant la destruction de la batterie en charge. L’avantage est que cette configuration est la plus économique: un transformateur et un pont de diode.


Le réglage est simple: une fois la batterie connectée, puis le montage alimenté, on règle le potentiomètre de 47 K de manière à pratiquement éteindre la LED pour une tension de 13,8 V aux bornes de la batterie. Pour le réglage il est impératif qu’une batterie au plomb soit connectée sinon la tension aux bornes de sortie serait ininterprétable.

Le montage et son explication me paraissent clairs,
J'aimerais toutefois lui ajouter une protection contre les inversions accidentelles de polarité.
Comment pourrait-on faire cela?
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[Yvan_Delaserge]

Je pensais ajouter deux diodes comme ceci. Qu'en pensez-vous?

[Jeryko]

Bonsoir,

En cas d'inversion de la batterie, le CA3140 ne sera jamais alimenté puisque la diode verticale sera polarisée en inverse.
Donc le thyristor ne sera jamais commandé.

La diode horizontale est donc inutile.

[Yvan_Delaserge]

Super, merci Jeryko!

[A voir en vidéo sur Futura]

[penthode]

il est de bon ton de citer les source

http://jean.francois.pion.free.fr/Chargeur_pb_gros.html

[Yvan_Delaserge]

Merci Penthode.

[Yvan_Delaserge]

J'ai realise le montage et il y a deux questions que je me pose:

1) Avec le montage alimente sous 12 V et selon le reglage du potentiometre, la sortie du comparateur prend les valeurs 0 ou 6 V.
Est-ce bien ce que l'on doit obtenir? Ou bien est-ce que les tensions de sortie du comparateur devraient etre soit 0 V soit une valeur plus proche de 12 V?

2) Sur le montage, on voit que la resistance en serie avec la LED rouge et la LED de l'optocoupleur a une valeur de 5 KOhms. N'est-ce pas excessif? Il me semble que l'on devrait avoir un courant d'environ 15 mA dans les deux LEDs. Une resistance de 500 Ohms ne serait-elle pas mieux a sa place?

[Yvan_Delaserge]

Voila, j'ai remplace la resistance de 5 Kohms par une de 380 Ohms. La LED s'allume maintenant.

Mais je rencontre maintenant le probleme suivant: L'hysteresis du comparateur est beaucoup trop importante.
Si je regle le potentiometre pour que la charge de l'accumulateur s'arrete a 13,8 Volts, alors la recharge ne debute que lorsque l'accumulateur est decharge jusqu'a 11,4 Volts. C'est beaucoup trop bas.
Comment faire pour reduire cet enorme hysteresis de 2,4 Volts?

En recherchant la datasheet, je me rends compte aussi que le CA3140 peut etre utilise en comparateur, mais n'est pas vraiment un comparateur. C'est un ampli op.

[Antoane]

Bonjour,

My 2 cents :
- 1er cent : le courant dans ce montage n'est limité que par les éléments parasites, il n'est pas du tout maitrisé -- ni en RMS, ni en moyen, ni en peak.
- 2e cent : le CA8140 est un ancètre avec des performances "assez" mauvaise pour un tel projet. Par exemple, la led indicatrice de sortie n'est pas qu'un voyant, c'est un élément fonctionnel permettant de compenser la tension de saturation de l'AOP

[Yvan_Delaserge]

Hello Antoane.
Tu veux parler du courant a travers le thyristor?
C'est vrai. On compte sans doute sur le fait que le courant fourni par le chargeur est limite d'origine. D'apres la page web, il s'agit d'un montage a ajouter a un chargeur de batterie ancien, ceux qui etaient constitues d'un transfo, un pont de diodes et un amperemetre, plus un disjoncteur.

Meme un AOP antique devrait etre capable de comparer deux tensions d'entree 100 fois par seconde, non?
La LED, on pourrait la mettre en serie avec le circuit de sortie de l'optocoupleur. Tu crois qu'elle a un effet sur l'hysteresis du comparateur?

[Yvan_Delaserge]

Je me demande si le probleme ne pourrait pas venir de la resistance de 10 kOhm qui alimente la zener?
On a moins de 1 milliampere qui circule dans la Zener. Est-ce suffisant pour assurer que la tension aux bornes de la Zener reste constante lorsque la tension d'alimentation varie?
Parce que si ce n'est pas le cas, les deux tensions a l'entree du comparateur vont varier. L'une juste un peu plus vite que l'autre, ce qui expliquerait le fort hysteresis.

[lutshur]

Bonjour,

Est-ce suffisant pour assurer que la tension aux bornes de la Zener reste constante lorsque la tension d'alimentation varie?

Il y a un bon moyen de le savoir : mesurer.
Calcul, en admettant que la zener garde une tension constante, ce qui est vraisemblablement faux :
- à une tension de batterie de 11,4V, la 10k voit à ses bornes 11,4-0,7-6.2 = 4.5V
- à une tension de batterie de 13,8V, elle voit 13,8-0,7-6,2 = 6,9V
Le courant qui la traverse est augmenté de 1,5 fois.
Sinon, tu peux alimenter cette zener par du courant (relativement plus) constant. Ou bien tu changes de zener

[Yvan_Delaserge]

Voilà, j'ai fait les mesures.

Le montage est alimenté en connectant une alimentation de laboratoire à la place de la batterie. Le thyristor et le chargeur (à gauche sur le schéma) ne sont pas connectés.

La tension aux bornes de la Zener reste stable à 6,1 V pour une tension d'alimentation comprise entre 7,2 et plus de 15 V. Donc le problème ne vient pas de là.

La LED s'allume si la tension de l'alimentation (là où se trouverait la batterie) est inférieure à 10,9 V.
Elle s'éteint si la tension est supérieure à 13,4 V.

Ce n'est pas satisfaisant. C'est bien de stopper la recharge dès que la batterie atteint 13,4 V ou même un peu plus. Mais on ne peut pas laisser la batterie se décharger jusqu'à 10,9 V avant de la recharger.

[lutshur]

Donc le problème ne vient pas de là.

Les symptomes montrent pourtant que l'hystérésis non voulue pourraient être consécutifs à une tension de référence instable.
Tu as obtenu le même résultat avec l'alim de labo qu'avec le montage réel ?
Au sujet de la LED, tu demande au CA3140 de débiter plus que ce pourquoi il est prévu (voir son datasheet). Si tu veux absolument qu'elle s'éclaire pour être bien visible, il faudra amplifier le courant de sortie de l'AOP.

[Yvan_Delaserge]

Les symptomes montrent pourtant que l'hystérésis non voulue pourraient être consécutifs à une tension de référence instable.
Tu as obtenu le même résultat avec l'alim de labo qu'avec le montage réel ?

Le montage réel n'est pas encore réalisé. Je vérifie les choses au fur et à mesure.

Au sujet de la LED, tu demande au CA3140 de débiter plus que ce pourquoi il est prévu (voir son datasheet). Si tu veux absolument qu'elle s'éclaire pour être bien visible, il faudra amplifier le courant de sortie de l'AOP.

Je ne crois pas. Selon la datasheet, le courant de sortie maximum est de 10 mA.



La chute de tension dans la LED rouge est de 1,58 V.
Celle dans la LED de l'optocoupleur est de 1,08 V.
On a donc 3,84 V de chute de tension dans la résistance. Si la valeur de la résistance est de 380 Ohms, on aura un courant de 10 mA.
On est donc au maximum de ce que peut fournir le CA3140, mais comment faire fonctionner une LED ou un optocoupleur avec moins de 10 mA?

[Yvan_Delaserge]

L'optocoupleur peut certes fonctionner avec un courant de diode inférieur à 10 mA, mais les mesures de référence de la datasheet sont spécifiées avec un If de 10 mA.

[umfred]

il faut peut-être remettre la valeur d'origine de la résistance à la sortie de l'AOP

[lutshur]

Je ne crois pas. Selon la datasheet, le courant de sortie maximum est de 10 mA.

Tes calculs ont été faits pour une tension batterie de 7,2V. Encore que... d'après ton tableau, la tension de sortie est à 2 V du rail positif.
On aurait Vbatt - Vdiode - VLed - Vopto - 2V = 1,84V. Donc courant de 5mA.
Juste en dessous de 13,4V pour la batterie, la tension sur la résistance serait de 8V et le courant de 21mA.

Citation Envoyé par lutshur Voir le message
Les symptomes montrent pourtant que l'hystérésis non voulue pourraient être consécutifs à une tension de référence instable.
Tu as obtenu le même résultat avec l'alim de labo qu'avec le montage réel ?
Le montage réel n'est pas encore réalisé. Je vérifie les choses au fur et à mesure.

Par montage réel, il fallait comprendre le montage, même expérimental, qui n'est pas alimenté par l'alim de labo. Celui qui te pose problème

[lutshur]

1) Avec le montage alimente sous 12 V et selon le reglage du potentiometre, la sortie du comparateur prend les valeurs 0 ou 6 V.

Souci, là. Ca devrait être 0 (ou presque) et 10V. A moins d'avoir surchargé la sortie.

[Yvan_Delaserge]

Souci, là. Ca devrait être 0 (ou presque) et 10V. A moins d'avoir surchargé la sortie.

En effet. C'est bien la question que je me posais en #7.

Je vous communique avec plaisir que le montage fonctionne maintenant.
J'ai commencé par refaire le même montage sur une plaque d'expérimentation sur laquelle on peut enficher les composants. J'ai pu me rendre compte que le montage fonctionne avec un hystérésis négligeable. Et que la tension de sortie du comparateur au niveau haut est de 10 V.

Retour donc au premier montage, réalisé sur plaque d'expérimentation avec composants soudés. En regardant de très près, je me rends compte qu'il y a un contact entre les broches 5 et 6 ( respectivement output et offset null) de l'IC!



Une fois le problème réglé, le premier montage fonctionne correctement lui aussi. L'hystérésis est maintenant d'une dizaine de mV.

Merci à tous pour votre aide et désolé pour cette erreur de débutant (que je suis, à n'en pas douter!)

[Antoane]

Bonjour,

- la relation entre toutes les grandeurs situées en amont du comparateur (tension de seuil de la zener, courant dans la zener, etc) et la tension délivrée par la batterie sont continues,
- l'hystérésis constitue une discontinuité
- il ne peut pas se créer de discontinuité ex nihilo,
- donc la dépendance de Vz avec Iz (i.e. Vbat) ne pouvait expliquer l'hystérésis.

Evidement, c'est toujours plus facile a expliquer et d'être sûr de soi a posteriori ; bravo à ceux qui ont trouvé

Tu veux parler du courant a travers le thyristor?
C'est vrai. On compte sans doute sur le fait que le courant fourni par le chargeur est limite d'origine. D'apres la page web, il s'agit d'un montage a ajouter a un chargeur de batterie ancien, ceux qui etaient constitues d'un transfo, un pont de diodes et un amperemetre, plus un disjoncteur.

Oui, merci pour l'explication. J'imagine que ce transfo en question est concu pour avoir une grande inductance de fuite, qui limite donc le courant de charge.

Meme un AOP antique devrait etre capable de comparer deux tensions d'entree 100 fois par seconde, non?

Oui. Ce n'est même pas nécessaire cependant, les tensions d'entrées du conparateurs sont dérivées de la batterie, donc DC.

La LED, on pourrait la mettre en serie avec le circuit de sortie de l'optocoupleur. Tu crois qu'elle a un effet sur l'hysteresis du comparateur?

Non, puisqu'elle est de l'autre côté du comparateur, sans lien avec l'entrée (cf. ma précédente conclusion évidente" ).

[Yvan_Delaserge]

Il y a encore un point qui me chiffonne comme disait Columbo.

Contrôler un thyristor par l'intermédiaire d'un optocoupleur est une pratique courante lorsque le thyristor doit traiter de la haute tension.
Mais dans notre cas, on travaille autour de 12 V.
Dans ce cas, ne pourrait-on pas se passer de l'optocoupleur?
Le CA 3040 présente un courant de sortie maximal de 10 mA, ce qui suffirait à commander le thyristor, non?

[Yvan_Delaserge]

Décidément, il y a des choses à améliorer dans ce montage.
Le circuit de sortie de l'optocoupleur fournit seulement 2 mA à la gâchette du thyristor.
Mais 2 mA, c'est le gate trigger current. Or,

The thyristor remains turned on only if anode current is above latching current IL. If the gate trigger current is too low, the thyristor may be damaged because of limited spreading of conducting area. This is called “soft firing”.

Le latching current est de 10 à 40 mA pour le thyristor BT 151-650. La résistance en série avec le transistor de sortie de l'optocoupleur doit être de 250 Ohms, et non de 5 K. On aura ainsi un courant de gâchette d'une quarantaine de mA. Le transistor de sortie de l'optocoupleur a un courant maximal de collecteur de 50 mA.



Je me demande s'il ne serait pas plus simple (et plus performant) de remplacer l'optocoupleur par un simple 2N 2222. Avec ses 800 mA de courant collecteur, il serait capable d'activer correctement le thyristor. Ce dernier a un courant de gâchette maximal de 2 A.

[Antoane]

Bonjour,

C'est un détail, mais :
"Gate trigger current: MIN: - ******** - ******** TYP.: 2 mA ******** - ******** MAX: 15 mA"
Signifie que la plupart des SCR seront rendu passant avec seulement 2 mA de courant de gate, mais que certains pourront demander jusqu`à 15 mA. Il faudrait donc prévoir un circuit de commande capable de délivrer 15 mA pour avoir un design robuste.

Les 40 mA de latching current sont le courant minimal devant circuler par l'anode au moment ou on coupe de courant de grille pour que le SCR reste passant. Le courant d'anode doit ensuite rester au dessus du holding current pour que le SCR reste passant.

> https://forums.futura-sciences.com/a...e-chargeu4.jpg
ne fonctionne pas car la gate est à un potentiel inférieur (et même significativemnet inférieur lorsque le SCR est bloqué) a potentiel de l'alimentation négative du comparateur. Il existe probablement des composants tolérant ce fonctionnement (en particulier chez AD), mais il sont spécifiques et a priori relativement récents et peu courants. Un PNP en remplacement de l'opto devrait être possible.
On pourrait aussi placer le SCR sur le fil d'alimentation positif et le commander avec un petit BJT -- voir même peut-être en commande directe... il faudrait réfléchir un peu

J'imagine que l'ídée de l'opto était de simplifier le design au maximum avec un composant somme-toute relativement courant.

[Yvan_Delaserge]

Bonjour,

C'est un détail, mais :
"Gate trigger current: MIN: - ******** - ******** TYP.: 2 mA ******** - ******** MAX: 15 mA"
Signifie que la plupart des SCR seront rendu passant avec seulement 2 mA de courant de gate, mais que certains pourront demander jusqu`à 15 mA. Il faudrait donc prévoir un circuit de commande capable de délivrer 15 mA pour avoir un design robuste.

Les 40 mA de latching current sont le courant minimal devant circuler par l'anode au moment ou on coupe de courant de grille pour que le SCR reste passant. Le courant d'anode doit ensuite rester au dessus du holding current pour que le SCR reste passant.

OK, je comprends mieux maintenant. J'avais essayé de rechercher la signification précise de ces termes sur le Web, mais ce n'est pas évident à trouver.

> https://forums.futura-sciences.com/a...e-chargeu4.jpg
ne fonctionne pas car la gate est à un potentiel inférieur (et même significativemnet inférieur lorsque le SCR est bloqué) a potentiel de l'alimentation négative du comparateur. Il existe probablement des composants tolérant ce fonctionnement (en particulier chez AD), mais il sont spécifiques et a priori relativement récents et peu courants. Un PNP en remplacement de l'opto devrait être possible.
On pourrait aussi placer le SCR sur le fil d'alimentation positif et le commander avec un petit BJT -- voir même peut-être en commande directe... il faudrait réfléchir un peu

J'imagine que l'ídée de l'opto était de simplifier le design au maximum avec un composant somme-toute relativement courant.

J'avoue ne pas saisir. Dans l'optocoupleur, on a bien un NPN. Qu'est-ce qui nous empêcherait de remplacer l'optocoupleur par un NPN?

[Antoane]

Bonjour,

J'avoue ne pas saisir. Dans l'optocoupleur, on a bien un NPN. Qu'est-ce qui nous empêcherait de remplacer l'optocoupleur par un NPN?

Je ne dis pas que c'est impossible... propose un schéma
Garde a l'esprit que la gate est ~0.7 V au-dessus du potentiel de la cathode du SCR, et que la base du NPN est ~700 mV au dessus du potentiel de l'emetteur.

[Yvan_Delaserge]

Et donc le PNP serait à monter comme ceci?



Mais dans ce cas, lorsque la sortie du comparateur sera au niveau haut, le transistor PNP sera bloqué. Il faudrait donc inverser les entrées du comparateur?

[Antoane]

Bonjour,
Ca devrait le faire, à condition d'inverser le sens de la led et, effectivement les entrées.
On pourrait ajouter une résistance entr base et émetteur de manière à assurer un bon blocage en dépit de la tension de déchet du comparateur (même si la led fait déjà un peu ce travail).

Attention aussi au courant sink maximum du comparateur / AOP

[Yvan_Delaserge]

Voila deja le montage a optocoupleur. Il marche bien. Je viens de recharger ma premiere batterie. Je n'ai plus qu'a fermer le boitier.



Ce montage est destine a etre branche en permanence sur une batterie, pour l'empecher de se decharger. Le montage est alimente avec un petit transfo, ceux qui ont la forme d'une grosse prise a brancher au mur.

J'ai aussi un gros chargeur de batterie de voiture, de type ancien et je vais l'equiper avec un autre montage a thyristor. C'est pour cette raison que j'aimerais ameliorer un peu le montage si c'est possible.

[Pascal071]

Confirmé, le 4N35 ne fournira pas assez de courant, 1/20e seulement entre entrée et sortie:
Avec un transistor ce sera mieux.