Sapere quando fermarsi: trovare il picco che indica la carica completa

**US 5,196,780**, David R. Pacholok, depositato il **10 settembre 1991**, concesso il **23 marzo 1993**, scaduto. La figura in questa pagina è il suo foglio 1: FIG. 1 è la curva tensione-tempo con il picco contrassegnato, e FIG. 2 è lo schema a blocchi — FAST CHARGE e SLOW CHARGE blocchi, la rete RC verso un comparatore e, lungo il fondo, **TH** e **TIMER**. Scrivi le tre terminazioni prima di costruire qualsiasi cosa, perché la disposizione è l'invenzione, non una qualsiasi di esse: 1. **−ΔV**, rilevato da un condensatore caricato attraverso una resistenza dal terminale della batteria. Il condensatore è in ritardo. Quando *supera* la tensione della batteria, la batteria deve aver invertito la tendenza. Nessun differenziatore, nessun problema di rumore. 2. **Un timer**, circa diciotto minuti in carica rapida. Se il segnale di tensione non arriva mai, la carica termina comunque. 3. **Un termostato**, impostato tra **40 °C e 60 °C**, sulle celle stesse. Se si scaldano per qualsiasi motivo, la carica termina. Poi nota cosa succede dopo la terminazione: il circuito non si spegne, passa a una **carica lenta** che compensa l'autoscarica senza sovraccaricare. Un caricabatterie che semplicemente si ferma ti lascia con una batteria di nuovo scarica entro giovedì. Le fonti per questo punto sono affidabili e il numero è verificato. Dove un gradino successivo dice che un numero non è stato determinato, questo è un'affermazione su quel gradino, non un'abitudine.

Non si può ragionevolmente costruire un rilevatore per un segnale che non si è mai visto. Registra prima il segnale. Metti una cella NiMH scarica in un supporto. Imposta l'alimentatore da laboratorio a corrente costante a **1C** — 2 A per una cella da 2.000 mAh — con il limite di tensione a 1,8 V, così un cattivo collegamento non può produrre una sorpresa. Fissa la termocoppia al contenitore della cella con del nastro adesivo. Registra la tensione ai morsetti con **quattro cifre** e la temperatura del contenitore ogni minuto. Quattro cifre non è pignoleria: l'intero segnale che stai cercando è di circa 10 mV, quindi un multimetro a tre cifre che legge 1,48 V non può vederlo affatto. Aspettati, nell'arco di circa un'ora: - un rapido aumento nei primi minuti mentre la cella si polarizza; - una parte centrale lunga e a salita lenta; - un **picco**, poi una discesa dell'ordine di 5–15 mV per una singola cella; - una **temperatura che sale bruscamente** a partire più o meno dallo stesso momento. Fermati al picco, o a 45 °C, a seconda di quale arriva prima. Segna nel registro dove si trovava il picco e di quanti millivolt è stata la discesa. Quello è il numero che il tuo circuito deve riuscire a risolvere, e in un pacco da dodici celle è dodici volte più grande, ed è per questo che la terminazione −ΔV funziona molto meglio su un pacco che su una singola cella.

Ora costruisci il rilevatore di Pacholok sulla breadboard. Consta di quattro parti. 1. **L'RC.** Un resistore dal terminale della batteria a un condensatore verso massa. Scegli R e C in modo che R×C sia la costante di tempo scelta al passo 4 — 470 kΩ con 470 µF danno circa 220 secondi, quasi quattro minuti. Usa un condensatore a film o un elettrolitico a bassa dispersione; un condensatore con perdite è una seconda resistenza non prevista e terrà la copia bassa in modo permanente. 2. **Il comparatore.** Un LM393, con la tensione della batteria su un ingresso e il condensatore sull'altro. La sua uscita commuta nel momento in cui il condensatore prevale. 3. **Un po' di isteresi.** Un resistore di alto valore dall'uscita all'ingresso non invertente, un megaohm circa, così che l'uscita scatti di netto invece di oscillare attorno al punto di incrocio. Senza di esso scatterai ripetutamente per il rumore di millivolt. 4. **L'interruttore.** L'uscita del comparatore pilota il gate del MOSFET a livello logico, che conduce la corrente di carica. Il livello logico è importante: un MOSFET ordinario non si porta completamente in conduzione con un gate a 5 V e dissiperà la differenza come calore. Provalo prima senza batteria. Collega il generatore di funzioni all'ingresso con un triangolo molto lento — qualche minuto per ciclo, da uno a due volt picco-picco — e verifica che l'uscita commuti poco dopo ogni apice e non prima. Un generatore di segnali che puoi far invertire a piacere è un test di gran lunga migliore di una cella che si inverte una volta all'ora. Poi metti la curva della cella registrata davanti al circuito per davvero. Osserva la tensione del condensatore su un canale dell'oscilloscopio e la cella sull'altro; l'incrocio è visibile ed è proprio lo scopo del circuito.

Un rilevatore −ΔV da solo è un circuito che può guastarsi silenziosamente, e la modalità di guasto è una carica che non finisce mai. Aggiungi gli altri due. **Il termostato.** Usa il termistore proprio del pacco se hai il pin TH dal gradino 3, oppure una NTC da 10 kΩ fissata con nastro alla cella. Collegalo in un partitore con una resistenza fissa e invia il punto di giunzione alla seconda metà del LM393; imposta il riferimento con il potenziometro in modo che il comparatore scatti a circa **45 °C**. Calibralo, non darlo per scontato: riscalda il termistore con la pistola termica sulla impostazione più bassa mentre osservi il termometro a infrarossi, e regola finché lo scatto non avviene dove desideri. Collega l'uscita di questo comparatore in modo che possa interrompere il gate del MOSFET **indipendentemente** da ciò che dice la metà −ΔV. **Il timer.** Il 555 in modalità monostabile con un RC lungo ti fornisce i diciotto minuti di Pacholok. Calcola R e C per la tua velocità di carica invece di copiare i suoi: diciotto minuti sono corretti per la velocità usata dal suo caricabatterie, e un timer impostato per la velocità sbagliata è peggio di nessun timer, perché interromperà ogni carica buona in anticipo. Ora testa ciascuno **da solo**. Scollega la metà −ΔV e dimostra che il termostato arresta la carica. Scollega il termostato e dimostra che lo fa il timer. Una ridondanza che non hai mai testato individualmente non è ridondanza, sono tre circuiti e una speranza. Infine, aggiungi il percorso di carica lenta: una resistenza che mantiene un flusso minimo dopo la terminazione, a circa C/40. Misurala con il multimetro e confrontala con il tasso di autoscarica della cella.

**Attribuzione.** US 5,196,780, David R. Pacholok, depositato il 10 settembre 1991, concesso il 23 marzo 1993, scaduto. Il disegno in questa pagina è quello del brevetto stesso. **Perché nel 1991 e non nel 1961.** L'effetto −ΔV era compreso molto prima di questo brevetto; i produttori di celle lo descrivevano nelle note applicative da anni. Ciò che mancava era un modo per rilevare una caduta di pochi millivolt su un segnale che si sovrappone a più di un volt, abbastanza economico da essere inserito in un caricabatterie di consumo, senza un microcontrollore. Il trucco del ritardo RC è la risposta alla parte 'abbastanza economico', ed è davvero elegante: sostituisce un derivatore, che amplifica il rumore, con un ritardo, che lo sopprime. **Cosa ha cambiato per chi costruisce.** Prima di una terminazione affidabile, la velocità di carica sicura era C/10 per tutta la notte, perché il ciclo di ricombinazione poteva assorbirla indefinitamente. Dopo, la ricarica rapida è diventata normale, e un caricabatterie rapido è ciò che rende possibile un flusso di lavoro a due batterie: una nello utensile, una sul caricabatterie, senza attese. La batteria del gradino 3 e il caricabatterie di questo gradino hanno senso solo insieme. **Limiti onesti.** −ΔV è un segnale tipico della chimica al nichel e non esiste nelle celle agli ioni di litio, la cui tensione sale sempre; le celle al litio terminano con corrente costante fino a tensione costante e poi con corrente decrescente, un metodo completamente diverso. −ΔV diventa anche più difficile man mano che una batteria invecchia, perché il picco si appiattisce, ed è quasi inutilizzabile su una singola cella per il motivo indicato nel gradino 2. Inoltre, l'intero schema si basa sull'ipotesi che le celle di una batteria raggiungano la carica completa insieme, cosa che, come mostra il gradino 7, non accade.