يأخذك للتعرف على USB

كمصدر طاقة للمنتجات الإلكترونية منخفضة الطاقة (معظمها منتجات تعمل بالبطاريات)، يوفر USB المزيد والمزيد من فرص التطبيق، كما يوفر USB الموجود في كل مكان المزيد من الفرص وتحديات أكبر لتصميم الشاحن. تقدم هذه المقالة الاتصال البسيط بين شاحن البطارية ومصدر طاقة USB، وتشرح بالتفصيل خصائص ناقل الطاقة USB والتقنيات ذات الصلة، وطرق الشحن، وطرق إنهاء الشحن لبطاريات NiMH وLi+، وتقدم مثالاً كاملاً عن بطارية NiMH الذكية تشحن من خلال منفذ USB.

منفذ الناقل التسلسلي العالمي (USB) هو منفذ بيانات ثنائي الاتجاه مزود بالطاقة والأرض. يمكن لـ USB توصيل جميع أنواع الأجهزة الطرفية، بما في ذلك محركات الأقراص الخارجية وأجهزة التخزين ولوحات المفاتيح والفئران والواجهات اللاسلكية والكاميرات والكاميرات ومشغلات MP3 وعدد لا يحصى من الأجهزة الإلكترونية. يتم تشغيل العديد من هذه الأجهزة بواسطة البطاريات، وبعضها يأتي مزودًا ببطاريات مدمجة. بالنسبة لتصميم شحن البطارية، فإن USB المستخدم على نطاق واسع يجلب الفرص والتحديات. تشرح هذه المقالة كيفية توصيل شاحن بطارية بسيط بمصدر طاقة USB. تتناول المقالة خصائص ناقل الطاقة USB، بما في ذلك الجهد الكهربي، وحدود التيار، والتيار المفاجئ، والموصلات، ومشكلات توصيل الكابل. كما يقدم أيضًا تقنية بطارية هيدروجين النيكل (NiMH) وبطارية الليثيوم وطرق الشحن وتقنية إنهاء الشحن. يتم توفير دائرة نموذجية كاملة لتحقيق الشحن الذكي لبطاريات NiMH من خلال منافذ USB، ويتم توفير بيانات الشحن.

مميزات يو اس بي

يمكن لحافلة USB توفير الطاقة للأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة. مصدر طاقة الحافلة معزول عن شبكة الطاقة ويتمتع باستقرار جيد. ومع ذلك، فإن التيار المتاح محدود، وهناك مشكلات محتملة في إمكانية التشغيل البيني بين الحمل والمضيف أو مصدر الطاقة.

متطلبات شحن البطارية

1- بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الليثيوم بوليمر أحادية الخلية

في الوقت الحاضر، عندما يتم شحن بطاريات الليثيوم إلى أقصى سعتها المقدرة، يتراوح جهدها عادةً بين 4.1 فولت و4.2 فولت. يتراوح نطاق الجهد للبطاريات الأحدث والأكبر سعة الموجودة حاليًا في السوق بين 4.3 فولت و4.4 فولت. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون المنشورية (Li+) وبطاريات الليثيوم بوليمر (Li Poly) النموذجية بسعات تتراوح من 600 مللي أمبير إلى 1400 مللي أمبير في الساعة.

بالنسبة لبطاريات Li+ وLi Poly، فإن منحنى الشحن المفضل هو البدء من الشحن الحالي الثابت والاستمرار حتى يصل جهد البطارية إلى الجهد المقنن. ثم يقوم الشاحن بضبط الجهد عند طرفي البطارية. تشكل طريقتا التعديل هاتان طريقة الشحن بالتيار المستمر (CC) والجهد الثابت (CV). ولذلك، يُشار إلى هذا النوع من الشاحن عادةً باسم شاحن CCCV. بعد أن يدخل شاحن CCCV في وضع CV، يبدأ تيار شحن البطارية في الانخفاض. إذا تم استخدام معدل شحن نموذجي من 0.5 درجة مئوية إلى 1.5 درجة مئوية للشحن، فسيتحول الشاحن من وضع CC إلى وضع CV عندما تصل البطارية إلى 80% إلى 90% من سعتها الكاملة. بمجرد دخول الشاحن في وضع الشحن CV، فإنه يراقب تيار البطارية؛ عندما يصل التيار إلى الحد الأدنى (بضعة مللي أمبير أو عشرات المللي أمبير)، ينهي الشاحن الشحن. يظهر الشكل منحنى الشحن النموذجي لبطاريات الليثيوم.

من مؤشر انخفاض جهد USB، يمكن ملاحظة أن جهد المنفذ المنخفض الطاقة لمركز طاقة المنفذ لا يحتوي على هامش كافٍ، مما يجعل من الصعب شحن البطارية إلى 4.2 فولت. يمكن أن تؤدي كمية صغيرة من المقاومة الإضافية على مسار الشحن إلى إعاقة الشحن العادي. ينبغي شحن بطاريات Li+ وLi Poly في درجات حرارة مناسبة.

عادة ما تتراوح درجة حرارة الشحن القصوى الموصى بها من قبل الشركة المصنعة بين 45 درجة مئوية و+55 درجة مئوية ، ويمكن زيادة درجة حرارة التصريف القصوى المسموح بها بحوالي 10 درجات مئوية. المواد المستخدمة في هذه البطاريات لها خصائص كيميائية نشطة للغاية ، وإذا تجاوزت درجة حرارة البطارية 70 درجة مئوية ، فسيحدث الاحتراق. يجب أن تحتوي أجهزة شحن بطارية الليثيوم على دائرة إغلاق حرارية تراقب درجة حرارة البطارية. إذا تجاوزت درجة حرارة البطارية أقصى درجة حرارة الشحن الموصى بها للشركة المصنعة ، فسيتم إنهاء الشحن.

2- بطاريات النيكل الهيدروجينية (NiMH)

بطاريات NiMH أثقل من بطاريات الليثيوم ولها كثافة طاقة أقل. كانت بطاريات NiMH دائمًا أرخص من بطاريات الليثيوم، ولكن في الآونة الأخيرة بدأ فرق السعر بين الاثنين في التضييق. تتميز بطاريات NiMH بأبعاد قياسية ويمكنها أن تحل محل البطاريات القلوية مباشرة في معظم التطبيقات. الجهد الاسمي لكل بطارية هو 1.2 فولت، والذي سيصل إلى 1.5 فولت عند شحنها بالكامل.

عادة ما يتم استخدام مصدر تيار ثابت لشحن بطاريات NIMH. عندما يصل إلى حالة مشحونة بالكامل ، يحدث تفاعل كيميائي طارد للحرارة ، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة البطارية وانخفاض في جهد طرف البطارية. يمكن أن يكتشف معدل ارتفاع درجة الحرارة أو تغيير الجهد السلبي للبطارية ويتم استخدامه لإنهاء الشحن. وتسمى طرق إنهاء الشحن هذه DT/DT و - Δ V. عندما يكون معدل الشحن منخفضًا جدًا ، DT/DT و - Δ V ليست واضحة للغاية ويصعب اكتشافها بدقة. عندما تبدأ البطارية في إدخال حالة شحن مفرط ، DT/DT و - Δ تبدأ استجابة V في الظهور. إذا استمرت في الشحن في هذا الوقت ، فسوف يلحق الضرر بالبطارية.

يكون الكشف عن الإنهاء أسهل بكثير عندما يكون معدل الشحن أكبر من C/3 مما كان عليه عندما يكون معدل الشحن أقل. معدل ارتفاع درجة الحرارة حوالي 1 درجة مئوية/دقيقة - Δ استجابة V هي أيضًا أكثر وضوحًا من معدلات الشحن المنخفضة. بعد اكتمال الشحن السريع ، يوصى بشحن البطارية في تيار أقل لفترة من الوقت لشحن البطارية بالكامل (للتعويض عن الشحن). بعد الانتهاء من مرحلة الشحن التكميلية ، يتم استخدام تيار شحن C/20 أو C/30 للتعويض عن تأثير التفريغ الذاتي والحفاظ على البطارية في حالة مشحونة بالكامل. يوضح الشكل 3 منحنى جهد البطارية لبطارية NIMH (مشحونة جزئيًا مقدمًا) مشحونة بشاحن NIMH DS2712. في هذا الشكل ، يتم الحصول على بيانات المنحنى العلوي عندما يتدفق تيار الشحن إلى البطارية ، بينما يتم قياس بيانات المنحنى السفلي عند قطع التيار. في DS2712 ، يتم استخدام هذا الفرق الجهد للتمييز بين بطاريات NIMH والبطاريات القلوية. إذا تم اكتشاف بطارية قلوية ، فلن يتم شحنها DS2712.

ملخص

لشحن بطاريات الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية الصغيرة، يعد منفذ USB مصدر طاقة اقتصادي وعملي. للامتثال الكامل لمواصفات USB 2.0، يجب أن يكون الحمل المتصل بمنفذ USB قادرًا على الاتصال بالمضيف في كلا الاتجاهين. يجب أن يتوافق الحمل أيضًا مع متطلبات إدارة الطاقة، بما في ذلك وضع استهلاك الطاقة المنخفض ووسائل المضيف لتحديد متى يتم سحب تيارات كبيرة من المنفذ. على الرغم من أن الأنظمة المتوافقة جزئيًا يمكنها استيعاب معظم مضيفات USB، فقد تحدث نتائج غير متوقعة في بعض الأحيان. فقط من خلال الفهم الجيد لمتطلبات مواصفات USB وتوقعات التحميل، يمكن تحقيق توازن جيد بين التوافق مع المواصفات وتعقيد التحميل.