Muitos hobistas, estudantes e profissionais das áreas de Eletrônica e Robótica utilizam baterias de 12 V GEL (seladas) em seus projetos. Atualmente, estas baterias são distribuídas no mercado com uma diversidade muito grande na sua capacidade em Ah (ampère-hora). O carregador que propomos neste artigo usa apenas componentes discretos tem cinco faixas para a carga.
Nota: este artigo saiu numa Mecatrônica Fácil de 2007.
A proposta
Como dito anteriormente, a proposta deste artigo é demonstrar a montagem de um carregador que permita carregar baterias do tipo GEL (selada) com tensões de trabalho e a capacidade em Ah como segue:
- 12 V / 7 Ah;
- 12 V / 5,4 Ah;
- 12 V / 4,5 Ah;
- 12 V / 3,3 Ah;
- 12 V / 2,3 Ah;
- 12 V / 1,2 Ah.
Estas baterias (figura 1) são facilmente encontradas no mercado especializado e podem ser utilizadas em muitos projetos eletrônicos e robóticos pelo leitor. O projeto que apresentaremos emprega apenas componentes discretos e, por isso, pode ser montado pelo interessado em ter seu próprio carregador de baterias GEL.
Importante:
Este carregador não pode ser utilizado na carga de baterias automotivas, baterias GEL com tensões de trabalho diferentes de 12V e também baterias com capacidade em Ah diferente das anteriormente relacionadas.
Método de carga
Não desejamos entrar no mérito dos vários métodos de carga existentes para as baterias tipo "Ácido Chumbo". E também não discutiremos qual deles é o melhor.
O método escolhido para o carregador apresentado neste artigo é conhecido como "Método 1/10" ou ainda "Método 10%". Nele, a bateria é carregada com uma corrente constante igual a 10% do valor da corrente máxima da bateria (capacidade em Ah) por um tempo nunca superior a 12 horas.
O ideal é carregar este tipo de bateria (GEL) até que ela assuma o valor aproximado de 13,6 V, para evitar sobreaquecimento da mesma. Esse sobreaquecimento pode estragar o GEL interno, avariando irremediavelmente a bateria, uma vez que ela é selada (não é possível repor o GEL interno).
Nosso carregador foi projetado para carregar uma bateria (dentro das especificações já passadas) com 10% da corrente de capacidade da mesma, até que ela atinja 13,6 V. O tempo de carga depende muito da carga atual da bateria.
O circuito
O circuito do carregador pode ser visto na figura 2. O componente TRAFO (ligado aos pontos 1, 2 e 3) é responsável por abaixar a tensão da rede (110 ou 220 VAC) para uma tensão mais adequada para o circuito (18 VAC /2 A). Os diodos D1 e D2 fazem a retificação em onda completa da tensão AC presente no secundário do TRAFO. O capacitor C1 é o primeiro filtro presente no circuito e ajuda a eliminar o "ripple" que aparece após a retificação.
Cl2 é um regulador para 18 V. Em sua entrada de referência foi conectado um diodo (D5) que permite aumentar a saída regulada para 18,6VDC aproximadamente. Cl2 tem uma capacidade máxima de corrente da ordem de 1 A. A maior corrente de carga é de aproximadamente 0,7 A. Apesar do valor da corrente descrita estar dentro do limite máximo suportado pelo CI, o auxílio de um transistor nesta tarefa pode poupar Cl2 de sobreaquecimento além de permitir que, se o leitor assim o desejar, possa ajustar o circuito para cargas de baterias GEL 12V com maior capacidade de corrente do que as que foram originalmente previstas (com um limite máximo de 1,5 A). Assim Q1 fica com a maior parte da corrente a ser fornecida para um outro regulador: CI1.
CI1 foi configurado segundo o manual do fabricante para atuar como uma "fonte de corrente constante". A corrente máxima suportada por este Cl é da ordem de 1,5 A. Os resistores R4 a R9, permitem variar a corrente de saída. A chave seletora CH_SELECT foi ligada a estes resistores e seu "comum" ao ponto de carga "positivo" da bateria. A fórmula apresentada a seguir demonstra o método de cálculo para estes resistores, de acordo com a corrente desejada.
Rx = Vbat / Ibat
Com:
Rx => R4 a R9
VBAT => Tensão da bateria
IBAT => Corrente da bateria
Os resistores R2 e R3, juntamente com o trimpot P1 formam um divisor resistivo. Este divisor está conectado à entrada da bateria em carga. Sua função é "informar" ao comparador presente no circuito (Cl3) quando uma bateria em carga assumir valor igual a 13,6 VDC aproximadamente. Utilizando a equação a seguir, o leitor observará que a tensão presente na saída do divisor resistivo é de 2,57 V a 3,28 V (VCOMPARA).
Importante
Para o cálculo, VBAT deve ser igual a 13,6 V. Para obter o primeiro valor, P1 deve ser igual a O S/ e para o segundo valor, P1 deve ser igual a 3,3 kΩ.
Vcompara = [ (R3 + P1) / (R3 + P1 + R2) ] x VBAT
Na entrada negativa do comparador foi ligado um diodo zener (D3) de 2,7 V. O resistor R10 atua como limitador de corrente para este mesmo zener. A entrada positiva do comparador foi ligada à saída do divisor resistivo. Se a tensão de uma bateria em carga for menor que 13,6 VDC, a saída do comparador será levada a 0 VDC aproximadamente. Com este valor, o transistor Q2 é levado à saturação, e o relé RL1 é então ligado. Porém se a tensão da bateria for maior ou igual a 13,6 VDC, o valor da tensão na saída do divisor resistivo será maior que 2,7 VDC, e consequentemente, a tensão presente na entrada positiva do comparador será maior que a presente em sua entrada negativa. Com isso, a tensão presente na saída do comparador será igual à tensão de alimentação do mesmo (5 VDC). Desta forma, Q1 permanecerá cortado e o relé RL, desligado.
Os contatos NA (Normalmente Aberto) e C (Comum) do relé RL1 foram conectados em paralelo com a chave S1. Sendo assim ao pressionar S, (início da carga), se uma bateria a ser carregada possui tensão menor a 13,6 VDC, o relé será acionado permitindo que a bateria entre em carga. Contudo se a tensão for maior ou igual a mesma não entrará em carga, pois o relé permanecerá cortado.
CI4 é um regulador de 5 VDC e foi inserido no circuito para permitir a alimentação de Cl3. Os capacitores C2, C3, C4, C5, C6, C7 e C8 atuam como filtros para o circuito. LED, indica circuito "ligado" e LED2 "bateria em carga". Os resistores R13 e R14 são resistores limitadores de corrente para os LEDs 1 e 2, respectivamente.
Montagem
Na figura 3 o leitor tem nossa sugestão para o layout de circuito impresso para a montagem. Caso possua alguma experiência no assunto, poderá refazer este desenho visando adequá-lo as suas necessidades. Uma outra alternativa, é o uso de uma placa padrão. A escolha pelo método da montagem é livre. Neste artigo será exemplificada apenas a montagem utilizando o layout oferecido.
Deve-se tomar muito cuidado para não inverter os componentes polarizados, como diodos, transistores, Cls e capacitores eletrolíticos. Os resistores utilizados são todos de 1/8 watt, com exceção a R, que possui dissipação de 2W1 e R4, R6, R6, R7, R8 e R9 que devem ter dissipação de 1 watt devido às correntes presentes nos mesmos. Os capacitores C2, C3, C4 C6 e C7 são de poliéster, enquanto C5 deve ser cerâmico.
Os valores para os resistores R, a R9 são pouco comuns. O uso de resistores de precisão pode ser uma boa alternativa, porém encontrá-los no mercado e com a dissipação requerida não é tarefa fácil. Se o leitor não encontrar os resistores no valor indicado, poderá fazer associações que o levarão a obter o valor desejado. Isso, foi feito pelo autor em seu protótipo. Veja a figura 4.
A tabela 1 mostra os valores associados, em série, para se obter os valores requeridos. Muitas outras associações poderiam ser feitas. Na hipótese de que o leitor tenha em mente outra, poderá usá-la desde que esta o leve a obter o valor requerido.
Os resistores utilizados em tal associação possuem tolerância de 5% e como seus valores são baixos, tal fator não influenciou no funcionamento do circuito e, portanto, na carga das baterias usadas nos testes.
Os diodos D1 e D2 devem suportar correntes de até 2 A. Os especificados na lista de material são para 3 A.
Todos os Cls devem receber um radiador de calor, exceto Cl3. O transistor Q1 também necessita de um radiador de calor. Um cuidado especial deve ser tomado com CI1, pois este terá uma tendência maior ao aquecimento.
Observe no detalhe da figura 5 que foram utilizados dois tipos de radiadores em conjunto para um maior arrefecimento. É aconselhável o uso de um suporte para Cl3. Isso facilitará no caso de uma troca. O relé utilizado deve ter bobina para 5 VDC.
A chave S1 deve ser do tipo aérea para montagem no gabinete. Na placa foi inserido um conector para a sua ligação. Caso o leitor não possua este tipo de conector (barra de pinos) poderá soldar o fio diretamente na placa.
Foram utilizados também conectores para a ligação do transformador, bateria e chave seletora. O uso destes conectores é opcional. Na falta dos mesmos, é possível soldar os fios diretamente na placa.
A chave seletora é do tipo rotativa com um polo e seis posições. Ao comprar esta chave no mercado especializado, tenha muito cuidado para não obter uma chave que não servirá ao projeto. Confira o número de polos e posições para ter certeza que ela poderá ser utilizada neste projeto.
P1 é um trimpot mini horizontal. LED1 pode ser vermelho e LED2, verde. As cores são livres e o leitor poderá escolhê-las como preferir. O uso de LEDs de alto brilho não afetará o sistema.
O transformador colocado no circuito deve ter primário de acordo com a rede em que o equipamento será ligado (110 V ou 220 V) e secundário 18 + 18 V com corrente de trabalho de 2 A. Essa "folga" na corrente evitará o aquecimento do transformador quando da carga com corrente constante de 0,7 A (corrente de carga para a bateria de 12V / 7 Ah).
O gabinete
A montagem da placa e transformador em um gabinete são altamente recomendáveis. Isso garantirá um bom acabamento ao projeto e também a devida proteção às suas partes. O protótipo apresentado pelo autor foi montado em um gabinete plástico da Patola modelo PB 209. A imagem do protótipo pode ser vista na abertura deste artigo.
No site da Revista o leitor encontrará para download as etiquetas utilizadas na confecção do nosso protótipo. Se o leitor utilizar o gabinete descrito e as etiquetas fornecidas, não terá que se preocupar em desenhar seu próprio gabinete. A etiqueta foi disponibilizada em tamanho real. Basta colocá-la sobre as faces do gabinete para obter, inclusive, a posição da furação.
O uso de outros materiais para o gabinete como alumínio, madeira ou mesmo chapa de ferro também é possível. Neste caso, as etiquetas fornecidas poderão não ser as mais adequadas e então o leitor terá de providenciar mais este item. A escolha do material a ser utilizado na montagem do gabinete é livre e deverá ser feita de acordo com os materiais e recursos disponíveis.
Na figura 6 o leitor pode ver a imagem do protótipo com suas ligações internas.
O circuito da figura 7 mostra as ligações elétricas para uma chave "liga/desliga" para o circuito, uma chave seletora para tensão da rede (110 V/220 V) e um fusível de proteção.
A ligação da saída do carregador na bateria deverá ser feita através de fios preferencialmente vermelho e preto. O comprimento adequado está entre 1,0 e 1,5 metros. O uso de garras tipo jacaré é recomendável, pois facilita a conexão com os terminais da bateria. O emprego de bornes tipo "banana" no gabinete para a ligação dos fios é opcional. Os fios podem ser soldados diretamente na placa e passados por furos no gabinete. A figura 8 demonstra o cabo usado no protótipo apresentado pelo autor.
O leitor deve ter um cuidado especial se o seu gabinete for de metal. Neste caso, todo cuidado é pouco com a isolação de fios, chaves e placa. Para a entrada do cabo AC é recomendável o uso de um anel de borracha isolante. Se, porventura a saída do carregador não for feita através de bornes, o uso de um anel de borracha também será necessário para a saída dos fios. Os gabinetes metálicos podem cortar a capa protetora dos fios e causar um curto-circuito. Nas figuras 9 e 10 o leitor pode observar as imagens do painel frontal e traseiro do nosso protótipo.
Teste, calibração e uso do circuito
Para calibrar o circuito, o leitor precisará apenas de um multímetro. Conecte o carregador a rede elétrica e a uma bateria que deve estar dentro das especificações passadas no início do artigo. Cuidado com a polaridade da bateria. A inversão poderá danificá-la.
Ligue o carregador. O LED1 (vermelho) deverá acender. Selecione a capacidade da bateria em Ah. Coloque o multímetro na posição para medir tensões DC e ligue-o aos terminais da bateria, sempre respeitando a polaridade. Veja o que foi dito na figura 11.
Gire o trimpot todo para um dos lados. Verifique a tensão da bateria, que deverá estar abaixo de 13,6 V. Pressione S1 para dar início à carga. O relé deve ligar e o LED2 (verde) acender. Solte S1. Se neste momento o relé desligar, gire o trimpot para o lado contrário que girou da primeira vez. Pressione novamente S1. O relé deverá ligar e ao soltar a chave, o mesmo deverá permanecer ligado.
Dependendo da carga atual da bateria, ela poderá levar um tempo para carregar. Note que a tensão indicada pelo multímetro terá a tendência de subir. Quando chegar a 13,6 V, gire o trimpot lentamente até que o relé desligue. Neste momento pare de girá-lo. Este é o ponto de calibração.
Para comprovar o funcionamento do circuito, basta conectar à sua saída baterias preferencialmente descarregadas e sempre com tensão de trabalho e capacidade de corrente de acordo com o apresentado no início deste artigo. Conecte o multímetro conforme a figura 12 para verificar a corrente de carga da bateria. Esta deverá estar em torno de 10% da capacidade da mesma. Nunca carregue uma bateria fora desta faixa (10%), pois ela poderá ser danificada irremediavelmente.
Com todos os testes feitos, o gabinete poderá ser fechado e o equipamento colocado em uso pelo leitor.
Conclusão
A montagem deste carregador de baterias é extremamente simples e os leitores serão muitos que poderão se beneficiar deste projeto. O circuito demonstrou o uso da eletrônica considerada de "base". Muito se pode fazer com alguns poucos componentes "comuns", sem a necessidade de um microcontrolador. Esperamos que este circuito ajude a todos, sejam iniciantes ou aqueles que se encontram em um nível mais avançado. Boa montagem e até a próxima!
