proyects

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIN

Titulacin :

INGENIERO TCNICO DE TELECOMUNICACIN, ESPECIALIDAD EN SONIDO E IMAGEN

Ttulo del proyecto:

DISEO DEL CARGADOR PARA LA BATERA LiPo EASY PACK S

Luis ngel Roncal Romero Santiago J. Led Ramos

Pamplona, 10/4/2014

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INDICE 1.INTRODUCCION......................................................................................................... 3 2.OBJETIVOS.................................................................................................................. 6 3.BATERAS RECARGABLES LiPo, CARACTERSTICAS Y CONTROLADORES DE CARGA...................................................................................................................... 7

3.1.Bateras de Ltio Polmero...................................................................................... 7 3.2 Estudio de bateras.................................................................................................. 9 3.3.Controladores de carga, circuito integrado........................................................... 12

3.3.1 Funcionamiento BQ24100............................................................................. 13 4.ESPECIFICACIONES DEL DISEO........................................................................ 14

4.1. Diseo terico...................................................................................................... 15 5.MONTAJE DE LOS COMPONENTES ..................................................................... 22

5.1.Lista de componentes ........................................................................................... 22 5.2.Diseo PCB .......................................................................................................... 25

5.2.1Creacin de componentes............................................................................... 25 5.2.2.Diseo esquemtico....................................................................................... 27 5.2.3.Montaje PCB ................................................................................................. 30 5.2.3.1.Conexiones del esquemtico. ..................................................................... 31 5.2.3.2.Dimensin de los componentes. ................................................................. 32 5.2.3.3.Suministro de materiales. ........................................................................... 34 5.2.3.4.Posibles diseos de carcasa ........................................................................ 34 5.2.3.5.Montaje final .............................................................................................. 34

6.DISEO DE LA CARCASA...................................................................................... 36 6.1 Prototipos.............................................................................................................. 37 6.2 Diseo final .......................................................................................................... 37

7.PRESUPUESTO.......................................................................................................... 39 8.CONCLUSIONES....................................................................................................... 39 9.LINEAS FUTURAS.................................................................................................... 40 10.ANEXOS................................................................................................................... 41

8.1. Batera EASY PACK S de varta.......................................................................... 41 8.2. BQ24100.............................................................................................................. 42 8.3. Fuente de transformacin MYRRA 47153......................................................... 82 8.4. Conector 4 pins.................................................................................................... 87 8.5 PLANO CARCASA............................................................................................. 92

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1.INTRODUCCION

Hoy por hoy las bateras de Litio-Ion y Litio-Polmero se encuentran muy presentes en cualquier dispositivo electrnico de consumo. Se encargan de proporcionar energa a prcticamente la totalidad de los aparatos electrnicos porttiles, tales como telfonos mviles, ordenadores porttiles, dispositivos mdicos, tableros electrnicos. (Figura 1).

La existencia de este tipo de tecnologa permite al ser humano una mayor independencia, aunque para cargar dichas bateras, se sigue usando la red elctrica. Para realizar este proceso de carga, es necesario un cargador, cada tipo de batera dispone de un tipo de carga distinto, y posee unas caractersticas que hacen que el cargador deba cumplir una serie de requisitos para realizar un proceso de carga eficiente.

Por este motivo resulta interesante para cualquier empresa o individuo el estudio del diseo de un cargador propio que posea:

Una mayor eficiencia, ya que el cargador ser dedicado exclusivamente para la batera en uso.

Un coste menor que otros cargadores estndar del mercado.

El uso al que va destinado este cargador de bateras es el de recargar la batera LiPo Easy Pack de VARTA. Aunque los dispositivos que pueden incorporar esta batera son innumerables, existe uno desarrollado en la propia Universidad Pblica de Navarra que sirve como motivacin inicial para realizar este proyecto; dicho dispositivo se llama HOLTIN cuya versin inicial utilizaba una batera LiPo de Varta.

Figura 1. Aparatos electrnicos porttiles que utilizan bateras recargables LiPo

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HOLTIN es un nuevo servicio de eSalud para la monitorizacin de seales electrocardiogrficas mediante la deteccin de eventos arrtmicos (taquicardias, bradicardias o asistolias) por medio de un pequeo dispositivo no intrusivo adherido al pecho del paciente con electrodos de Holter tradicional y un telfono mvil.

Mediante un software propio el dispositivo puede comunicar al paciente cualquier incidencia a travs del telfono mvil, el cual a su vez permite la retransmisin al centro receptor de datos (hospital) los eventos que previamente has sido detectados, como se ve en la figura 2.

Figura 2. Sistema de monitorizacin HOLTIN.

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Figura 3. Cargador EZP06DC de RRC Power Solutions

El dispositivo HOLTIN funciona por medio de una batera LiPo, que el paciente ha de llevar incorporada en el dispositivo, lo que aumenta el peso de este, por ello es importante encontrar una batera que posea una relacin capacidad/peso parecida, y un peso igual o inferior.

El cargador usado hasta el momento para la carga de dicha batera es el EZP06DC Standard Battery Charger de la empresa RRC Power Solutions. Es un cargador diseado especficamente para las distintas bateras del tipo Easy Pack y viene con 4 adaptadores intercambiables, para los 4 tamaos distintos de batera.(Figura 3) Cuyo precio es de 52,30 sin IVA.

El porque del uso de la batera LiPo viene dado a que la principal ventaja es su flexibilidad a la hora de implementarse en cualquier dispositivo electrnico, sumado a la alta densidad de energa en comparacin con otras bateras como las de Niquel-Cadmio o Niquel-Hidruro metlico, las hace tener mucha presencia en estos dispositivos.

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2.OBJETIVOS

El objetivo principal del proyecto es el diseo de un cargador especfico para la batera de VARTA Easy Pack S, intentando reducir su coste manteniendo su funcionalidad y calidad.

Para cumplir dicho objetivo se ha llevado a cabo una serie de subobjetivos, los cuales son los siguientes:

Estudio de bateras: dicho aunque la idea inicial es utilizar la batera Easy Pack S, se ha considerado de inters analizar otras opciones y tipos de bateras. Dicho estudio compara las caractersticas de bateras Litio-Ion (Figura 4) y Litio-Polmero (Figura 5) que cumplen una serie de requisitos.

Eleccin del controlador: se comparan las caractersticas de varios controladores, BQ24100 (Figura 6), BQ24070 (Figura 7) y BQ24030 (Figura 8) valorando cual de ellos ofrece mejores ventajas.

Figura 4. Bateras Litio Ion Figura 5. Bateras Litio Polmero

Figura 6. BQ24100 Figura 7. BQ24070 Figura 8.BQ24030

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Diseo terico: con el fin de desarrollar un cargador eficiente, los valores tericos de los componentes a usar han de ser calculados. Una vez tenemos los valores, se procede a la bsqueda de los componentes a nivel comercial, tratando de encontrar los valores reales ms prximos a los tericos al menor precio posible.

Diseo esquemtico: tras el clculo de valor de componentes, se desarrolla el esquema de conexiones como paso previo al diseo del PCB. En este paso se desarrollan los smbolos de los componentes que se van a usar en el software de diseo Altium Designer. Los componentes se almacenan en unas libreras a partir de los valores obtenidos en el Diseo terico.

Diseo del PCB: Consiste en el diseo y posicionamiento de los componentes, y enrutado de pistas metlicas en el PCB de una forma lgica y de acuerdo con una serie de normas de diseo. En este paso se desarrollan los footprints de los componentes en el software de diseo Altium Designer, asocindolos a los correspondientes smbolos del esquemtico.

Diseo de la carcasa: dependiendo del punto anterior, se diseara una carcasa cuya forma facilite el proceso de cargado y cumpla las normas de diseo.

3.BATERAS RECARGABLES LiPo, CARACTERSTICAS Y CONTROLADORES DE CARGA

3.1.Bateras de Ltio Polmero.

Las bateras de Litio Polmero son una evolucin de las bateras de Litio Ion y poseen una serie de caractersticas que hacen que su temperatura durante el proceso de carga sea controlada.

Como cualquier tipo de batera, posee unas ventajas y desventajas respecto a otras. Se indican a continuacin.

Ventajas:

Alta densidad de energa que prcticamente dobla las de NiMh. Tienen mucho menos volumen y ofrecen un formato ms prctico, son

ms manejables. Alto nivel de descarga. Alto nivel de voltaje por clula, mayores voltajes en menor espacio. Resistencia interna baja, permitiendo que se pueda aprovechar casi el

100% de la energa disponible.

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Desventajas:

En trminos generales, la carga no es rpida. Necesidad de un cargador especifico. No soporta cortocircuitos. No soporta bien las sobrecargas ni los aumentos de temperatura. No soportan bien los abusos, descargas profundas o consumos por

encima del nivel normal.

Dichas bateras se cargan de la siguiente manera, tras confirmar en la fase de precarga que la batera esta en disposicin de estar cargada y que el voltaje de la batera es superior a Vlow, se aplica una corriente constante, corriente de carga, y se suministra una tensin hasta que llega a la tensin de carga, una vez esta tensin es alcanzada, la corriente de carga desaparece y la batera se sigue cargando hasta que la corriente disminuye por debajo de la corriente de terminacin de carga, tal y como se ve en la figura 9.

Figura 9. Grfica del proceso de carga de una batera LiPo

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La velocidad de carga y de descarga viene dada por el factor C. Dicho factor posee un valor de 1/h, y en el caso de las bateras de Litio Polmero, la corriente de carga no debe superar 1C amperios. De esta manera para una batera de 470mAh, una corriente de 1C sera igual a 470mAh x 1/h = 470mA. Una descarga a corriente 2C, sera 2 x 470mAh x 1/h = 940mA.

Esta forma permite definir cargas o descargas para las bateras y se utiliza para todos los tipos de batera independientemente de la qumica de las mismas.

3.2 Estudio de bateras

En el siguiente apartado se ha realizado una bsqueda y comparativa de bateras tanto de Litio Polmero como de Litio Ion disponibles en el mercado actualmente. Las bateras encontradas en el mercado cumplen 3 requisitos:

Tamao similar o inferior a la batera Varta Easy Pack S. Su peso no debe superar los 14 gramos. Capacidad con valores comprendidos entre 500mA-600 mA.

Tras la aplicacin de estos filtros de bsqueda, se ha procedido a la comparativa de dichas bateras en relacin a las siguientes caractersticas:

Capacidad(C). Peso(P). Relacin Capacidad/Peso(C/P). Dimensiones(mm)(Ancho, Largo, Alto). Volumen(V).

Como resultado se han obtenido una serie de tablas comparativas. La Tabla 1 muestra las caractersticas correspondientes a las bateras de Litio Ion seleccionadas, mientras que la Tabla 2 muestra dichas caractersticas para las bateras de Litio Polmero. La tabla 3 muestra estos valores para la batera de VARTA Easy Pack S considerada como referencia.

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Bateras de Litio Ion:

Bateras Litio Ion C(mAh) P(g) C/P Ancho Largo Alto V(mm3)

LP422945 500 10,5 47,62 45 29 4,5 5872,5 LP803026 500 10 50 26 30 8 6240 LP503434 500 10,5 47,62 34 34 5 5780 LP403440 500 10,5 47,62 40 34 4 5440 LP601948 520 10 52 11,4 49,8 40,5 22992,66 LP642142 530 10,5 50,48 42 21 6,4 5644,8 LP582245 560 11 50,91 45 22 5,8 5742 LP552248 550 11 50 48 22 5,5 5808 LP652438 540 10,5 51,43 38 24 6,5 5928

Bateras de Litio-Polmero:

Batera Litio-Pol C(mAh) P(g) C/P Ancho Largo Alto V(mm3) LP502060 560 11 50,91 60 20 5 6000

PLF 443441 B 570 11 51,82 4,4 41,5 34 6208,4 PLF 283562 B 590 12 49,17 2,8 62,2 35 6095,6

LP502648 580 11 52,73 48 26 5 6240 LP802730 600 11 54,55 30 27 8 6480 LP403449 700 13,5 51,85 49 34 4 6664 LP353654 700 13,5 51,85 54 36 3,5 6804

Batera Easy Pack S:

C(mAh) P(g) C/P Ancho Largo Alto V(mm3) EasyPck S 550 13,8 39,86 5,8 43,5 35,4 8931,42

En la comparativa se ve como la batera LP802730 es la que posee el mayor ratio Capacidad/Peso, marcado con el fondo amarillo, pero a pesar de ello, se ha elegido la batera Easy Pack S, con una relacin C/P (verde claro) inferior al resto.

Tabla 1. Comparativa de las bateras de Litio Ion

Tabla 2. Comparativa de las bateras de Litio Polmero

Tabla 3: Comparativa de la batera de VARTA Easy Pack S

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La eleccin de esta batera es debido a que se ha valorado que la versatilidad que le da el poseer 2 tipos de conectores, como se aprecia en la figura 10, lo que permite una gama ms amplia de formas de carga que el resto de bateras expuestas con anterioridad.

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3.3.Controladores de carga, circuito integrado

Con el fin de elegir el chip que controle el cargador de la batera, se ha realizado el estudio de 3 modelos de Texas Instruments. La cantidad de integrados de carga disponibles en el mercado es muy elevada, aunque se han elegido estos modelos por la experiencia obtenida en trabajos previos y la opinin recibida por parte de ingenieros involucrados en el diseo electrnico.

Adems, no se ha realizado un estudio de integrados de otras marcas debido a que stos estaban disponibles de forma sencilla a travs del distribuidor Farnell. La posibilidad de realizar el pedido del mismo a otras casas distribuidoras se vera directamente reflejado en el aumento del coste del cargador.

Serie Bq24070 Serie Bq24030 Serie Bq24100

No se ha realizado un estudio de integrados de otras marcas debido a que estos eran los 3 integrados de Texas instruments que Farnell, el distribuidor tena a su disposicin. La posibilidad de realizar el pedido del mismo a otras casas de distribuidoras se vera directamente reflejado en el aumento del coste total del cargador al pagar costes de envo.

Todos los controladores poseen caractersticas muy similares, pero se ha elegido la serie Bq24100 tras la siguiente tabla comparativa ( Tabla 4):

CUALIDADES BQ24100 BQ24070 BQ24030 Diseos para litio polmero Si Si Si Control de la temperatura Si Si Si

Detector de batera Si No No Indicador de carga Si Si Si

Indicador de fin de carga Si Si Si Indicador de error Si Si Si

Modo de bajo consumo de energa automtico Si No No Proteccin trmica Si Si Si

Proteccin corriente inversa Si Si Si Proteccin cortocircuito Si Si Si

Gestor de corriente para USB No Si Si Permite cargado cuando esta en uso Si Si Si

El hecho de que posea la capacidad de detectar la batera y un modo de ahorro de energa, se han considerados mas importantes que la posibilidad de un cargado va USB.

Tabla 4. Comparativa de integrados de carga.

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3.3.1 Funcionamiento BQ24100

El proceso que controla el integrado BQ24100 comienza por un testeo para determinar si la batera se encuentra conectada o no. En caso de que no exista batera, indica la ausencia de la batera y vuelve a realizar el testeo.

En el caso de que la batera se encuentre conectada, el integrado comprueba que la temperatura de la batera se encuentra en el rango adecuado. En caso de que no ser as, se suspende la carga e indica que la carga se ha suspendido. Este proceso de comprobacin se repite para evitar sobrecargas de temperatura.

Cuando la temperatura de la batera vuelve a estar en el rango de valores considerados no de riesgo, el proceso de carga continua dado lugar a la siguiente comprobacin.

En este punto se comprueba si el voltaje de la batera es inferior que el voltaje determinado por VLOWV(3V), el integrado aplica la corriente de precarga (IPRECHG) a la batera. El integrado activa el tiempo de seguridad, (tPRECHG)(1800s) si durante este tiempo el voltaje de la batera sigue siendo inferior que el valor de voltaje VLOWV, el integrado indica fallo en los pins correspondientes (STATx), y vuelve al comienzo del proceso, revisando si la batera esta conectada.

En el caso de que el voltaje de la batera fuera superior a VLOWV se indica que la batera se esta cargando y se vuelve a comprobar los valores de temperatura de la batera.

En el caso de que la temperatura est fuera de los mrgenes, se suspende la carga hasta que sus valores vuelvan dentro del rango y se procede a seguir con la carga.

A continuacin, se comprueba que el tiempo de carga ha terminado y en caso de que as sea, se testea que el voltaje de la batera es superior a VLOWV y que la corriente de terminacin se ha detectado. Acto seguido se apaga la carga, se activa la corriente de descarga para tDSCHARG2 y si el voltaje de la batera es superior a VRCH(100mV) se indica carga completa, hasta el momento en el que la batera sea retirada, que volver a indicar ausencia de batera y se volvera al comienzo del proceso.

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4.ESPECIFICACIONES DEL DISEO

Para realizar un diseo preciso hace falta realizar una serie de clculos tericos para determinar los valores de los componentes ideales que mejor funcionamiento darn.

Para ello hay que tener en cuenta que el voltaje de entrada al transformador es el de la red elctrica, 220V de corriente alterna a 50Hz, y el voltaje con el que se ha de alimentar a la batera ha de ser 4,2V de continua a una corriente de carga de cmo mximo 570mA. Estas condiciones quedan determinadas por las especificaciones tcnicas de la batera Easy Pack S de VARTA, las cuales son las siguientes:

Tensin de carga: 4,20V ( 50mV) Corriente de carga: 570mA Tiempo de carga segura: 3h Impedancia interna de 150m Termo-resistor interno de la batera: NTC:10k 3%; B-Value

3435K 3%

Condiciones ambientales:

Carga: 0 a 45C Descarga -20 a 60 C Almacenamiento: menos de 1 mes de -20 a 45C

Menos de 6 meses de -20 a 35C Humedad: 65 20% RH.

El valor del termo-resistor determina los valores de las resistencias(RT1 y RT2, figura 17) cuyo fin es el control de la temperatura de la batera con el fin de interrumpir el proceso en el caso de que la temperatura de esta suba por encima de su limite de funcionamiento.

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4.1. Diseo terico

Para realizar los clculos mencionados en el apartado anterior se han tomado aparte de los ya mencionados, otros datos que aparecen o bien en las especificaciones tcnicas del integrado, o de la batera que se exponen en la tabla 5.

A la hora de realizar el montaje, se ha tenido en cuenta las peculiaridades de todos los componentes involucradas en l.

Siguiendo las instrucciones que vienen descritas en el datasheet del integrado de carga, se ha procedido a calcular los valores de los componentes utilizados en el diseo.

Dato Valor Unidad Vin 9 V

Vbat 4,2 V Icharge 570 mAh

Iprecharge 57 mAh Safety Timer 3 h

Corriente de rizado inductor

30% de la corriente de carga rpida.

Temperatura 0-45 f(osc) 1,1 MHz

Fo 16000 Hz Viset1 1 V Viset2 0,1 V Vrsns 0,1 V Kiset1 1000 Kiset2 1000 Vovtsb 3,15 V %LTF 73,5 % %HTF 34,4 % NTC 10.000

B 3435 k Tabla 5. Datos adjuntos.

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1.En la ecuacin 1 se calcula el valor del inductor LOUT, situado a la salida del circuito integrado, como se indica en la figura 11. Cuyo valor es usado para determinar el rizado de la corriente de carga especificada, ecuacin 2.

)/())(( LINMAXBATINMAXBATOUTCHARGECHARGEL

IfVVVVLIII Ripple

==

HLOUT 8,62=

Como el valor resultante no un valor estndar, se usa el siguiente valor estndar superior, el cual es 68 uH.

OUTINMAX

BATINMAXBATL LfV

VVVI

=

)(

32,0= LI

Con este valor se ha calculado la corriente de salida mxima (pico de corriente), mediante la ecuacin 3.

2L

OUTLPKIII +=

580,0=LPKI

Figura 11. Inductor de salida, Lout

Ecuacin 1

Ecuacin 2

Ecuacin 3

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Ecuacin 5

2.Se determina el valor del condensador de salida COUT, figura 12, mediante la ecuacin 5, utilizando 16 kHz de frecuencia de resonancia, dato que viene dado en la tabla 1 y esta relacionado mediante la ecuacin 4..

OUToOUT

OUTOUTo

LfC

CLf

=

=

2241

211

pi

pi

FCOUT 98,0=

El valor estndar ms cercano y superior es 1 F.

3. Mediante la ecuacin 5 se calcula el valor de la resistencia de deteccin, que se aprecia en la figura 13.

CHARGE

RSNSSNS I

VR =

Figura 12. Condensador de salida, Cout

Figura 13. Resistencia de deteccin, Rsns

Ecuacin 4

Ecuacin 5

18

Figura 14: RISET1

Se calcula el valor de RSNS teniendo en cuenta el valor tpico de VRSNS dado por el controlador, VRSNS= 100mV.

= 175,0SNSR

El valor estndar superior ms cercano es 0,18 .

A continuacin se calcula la disipacin de potencia en resistencia de deteccin mediante la ecuacin 6.

SNSCHARGERSNS RIP =2

WPRSNS 058,0=

Dato que se ha tenido en cuenta a la hora de decidir la resistencia.

4. Para determina el valor de Ia RISET1, figura 14, se usa la ecuacin 7, el valor de esta resistencia viene determinado por la corriente de carga.

CHARGESNS

ISETISETISET IR

VKR

=

111

= 97461ISETR

Seleccione el valor estndar de 9,76 k

Ecuacin 6

Ecuacin 7

19

5. Para determinar el valor de RISET2, figura 15, se usa la ecuacin 8, dicho valor depende de la corriente de precarga.

PRECHARGESNS

ISETISETISET IR

VKR

=

222

= 97462ISETR

Y al igual que con la resistencia RISET1, se selecciona el valor estndar 9,76 k

6. Se determina el valor del condensador CTTC, figura 16,cuya funcin es controlar el tiempo de carga, para ello usamos el dato del temporizador de seguridad de 3,0 horas, proporcionado por la batera de la forma que se indica en la ecuacin 9.

TTC

CHARGETTC K

tC =

Figura 15. RISET2

Figura 16. Cttc

Ecuacin 9

Ecuacin 8

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nFCTTC 231,67=

El valor estndar inmediatamente superior es de 68 nF.

7. y finalmente se determina el valor de las resistencias RT1 y RT2, figura 17, de la red TS. Dichas resistencias son las encargadas de controlar que la temperatura de la batera, haciendo que la carga sea cancelada en el caso de que su temperatura exceda de los valores seguros.

Resolvemos este divisor teniendo en cuenta que RTH, figura 18, es el termistor NTC de la batera para determinar los valores de RT1 y RT2, mediante las ecuaciones 10 y 11. Estos valores vienen determinados por los parmetros trmicos de la batera proporcionados por el termistor.

)1()1(

]11[2

)()(

)(

=

LTF

VTSBOCOLD

HTF

VTSBOHOT

HTFLTFHOTCOLDVTSBO

VV

RTHV

VRTH

VVRTHRTHV

RT

Figura 18. Diagrama con el termistor Figura 17. RT1 y RT2

Ecuacin 10

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COLD

LTF

VTSBO

RTHRT

VV

RT 12

1

11

)(

+

=

==

16162851331

RTRT

Los valores estndar correspondientes para RT1 y RT2, son 86,6k y 1,62k .

En el clculo de los valores extremos de la termo-resistencia de la batera se calculan mediante la ecuacin 12 mediante los valores de B y NTC.

100/%100/%

100)(

100)(

+

+

=

=

HTFVTSBOHTF

LTFVTSBOLTF

vVVV

==

=

=

397823604

042,0055,0

HOT

COLD

HTF

LTF

RTHRTH

VVVV

Una vez calculados, los componentes se muestran en la tabla 6 a continuacin.

Componente Valor terico

Valor real unidad

Cvin 10 10 F Cttc 67,23 68 F Cout 0,98 1 F Cvcc 0,1 0,1 F Cvtsb 0,1 0,1 F Csns 0,1 0,1 F Radapter 1500 1500 Rcharge 1500 1500 Rdone 1500 1500 RT1 85133 86600 RT2 1616 1620 Rsns 0,175 0,18 RISET1 9746 9760 RISET2 9746 9760 Lout 62,8 68 H

Ecuacin 12

Ecuacin 11

Tabla 6. resumen componentes.

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Figura 19. Integrado BQ24100

Figura 20. MYRRA 47153

Figura 21. Conector 4 pins AVX

Figura 22. Inductor 11R683C

5.MONTAJE DE LOS COMPONENTES

5.1.Lista de componentes

Los componentes que se han utilizado son los siguientes:

Integrado BQ24100

Es el integrado elegido para el cargador de bateras. De Texas Instruments, figura 19.

Dimensiones:4,65mm x 3,65mm

Fuente de alimentacin MYRRA 47153

Transformador suministrado por FARNELL que aporta un voltaje y una tensin que el integrado puede manipular a partir de la corriente elctrica suministrada por la red general. Figura 20.

Dimensiones: 26,7mm x 31,7mm x 21,8mm

Conector 4 pins AVX

Su posicin vertical permite la insercin de la batera evitando problemas con otros componentes de ms altura. Figura 21.

Dimensiones: 10mm x 5,30 x 2,40+1,2/1,5

Inductor 11R683C

Situado a la salida del integrado, regula la intensidad de la corriente. Figura 22.

Dimensiones: el cabezal tiene una altura de 7,5mm y un dimetro de 5mm. Su longitud total es de 45,0mm.

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Resistencias

Se han elegido estas por su tamao, que facilita el posicionamiento en el PCB de ms componentes y se ha tenido en cuenta la potencia nominal de cada una, mnimo 150mW. Las resistencias utilizadas se ven en la tabla 7.

Resistencia Modelo TCR* Tolerancia Carcasa Ancho Largo Alto 0,18 RCWE0402 200 1% EA 1 0,5 0,4 0,76k CRCW1206 200 1% RT1 1,6 3,2 0,55 1,5k CRCW1206 200 1% RT1 1,6 3,2 0,55 1,62k CRCW1206 200 1% RT1 1,6 3,2 0,55 86,6k CRCW1206 200 1% RT1 1,6 3,2 0,55

Condensadores

Se han seleccionado por su bajo costo, alta tolerancia y tener los valores que ms se aproximaban a los valores tericos. Los condensadores utilizados se ven en la tabla 8.

Capacidad Tensin nom Dielctrico Tolerancia Terminaciones Carcasa Ancho Largo Alto 10F 6,3V X5R 20% SMD 603 1,6 0,8 0,8 0.1F 16V X5R 10% SMD 402 1 0,5 0,56 6,8nF 10V X7R 10% SMD 201 0,6 0,3 0,33 1F 6,3V X5R 20% SMD 201 0,6 0,3 0,94

LEDs

Los LEDs permiten saber en que momento del proceso de cargado nos encontramos, y si se ha producido algn error durante el proceso.

Se han seleccionado 3 colores distintos y sus caractersticas se ven en la tabla 9.

Verde: Se ha usado para indicar que la carga ha sido completada con xito. ( Ddone )

Amarillo: Indica que la carga esta en curso. (Dcharge) Rojo: Indica un error o bien que no detecta batera conectada.

(Dadapter)

Intensidad lumnica

Ancho cabeza

ngulo de visin

F. corriente

F. Voltaje Montaje

800cd T-1 (3mm) 74 20mA 2,1V Agujero pasante

Tabla 7. resumen resistencias. (*TCR: Coeficiente de temperatura). Dimensiones en mm)

Tabla 8. resumen condensadores. Dimensiones en mm.

Tabla 9. resumen LEDs.

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Figura 23. Diodo Zener

Figura 24. Planchas PCB

Diodo Zener

Diodo colocado a la salida del integrado cuyas caractersticas son las siguientes y es el especificado por el diseo. Figura 23

DIODE, ZENER, 18V, 0.225W Voltaje Zener Vz: 18V Potencia de disipacin Pd: 225mW

PCB

Plancha de PCB cuyas dimensiones han de ser 100x50mm, se usa la parte inferior como tierra, salvo las zonas sealizas que son pistas por la parte inferior. Figura 24.

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5.2.Diseo PCB

Para realizar el diseo del PCB se ha usado el programa Altium designer release 10, es un conjunto de programas para el diseo electrnico en todas sus fases y para todas las disciplinas, ya sean esquemas, simulacin, diseo de circuitos impresos, implementacin de FPGA (Field Programmable Gate Array), o desarrollo de cdigo para microprocesadores.

5.2.1Creacin de componentes

Para realizar la creacin de componentes es necesario crear un footprints (diseo virtual del objeto) y un smbolo, los cuales quedan unidos como uno solo, por lo que para cada componente, ha sido creado un footprints especifico.

Todos los smbolos, como el que se ve en la figura 25 (que corresponde al conector), tienen relacionado un footprints, figura 26, pero el mismo smbolo puede contener 2 o ms footprints distintos.

Llamamos footprints al diseo 3D/2D del componente, nos da informacin visual sobre sus dimensiones, facilitando el montaje de los componentes en el PCB.

Por otro lado los smbolos indican que tipo de componente es, y nos dan informacin sobre cuantos pins, o conexiones tienen.

Figura 26. Footprint conector Figura 25. Smbolo conector

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Para almacenar toda la informacin de los componentes, se ha creado una librera electrnica, para poder acceder a ella durante la creacin de las distintas partes del diseo.

Tras crear la librera llamada Librerias.IntLib, se procede a la unin de los smbolos con los footprints, lo que nos permite tener los componentes completos. Quedando as almacenados en el interior de ella, figura 27.

Tras tener todos los componentes listos y el proyecto creado, se disea el esquemtico.

Foto 27. Librera Librerias.IntLib

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5.2.2.Diseo esquemtico

Siguiendo el modelo dado por el integrado BQ24100 en su datasheet, y tras haber calculado y diseado todos los componentes necesarios, se realiza el diseo esquemtico, donde se aprecian las conexiones.

En este apartado usamos los componentes almacenados en nuestra librera, colocndolos en el proyecto esquemtico segn el modelo dado. Tras ello, procedemos a su unin de mediante la creacin de las pistas. Dichas pistas crean un enlace virtual de los componentes, til para el diseo del PCB virtual.

Como se aprecia en la figura 28, las pistas son de color azul oscuro, al juntarse 2 pistas se forma un nudo, circulo rojo. Mientras que si no hay unin entre ellas, se representa como indica en el circulo azul.

Una vez todos los componentes se han unido, se procede a dar los parmetros adecuados para cada uno de ellos. Hay 3 parmetros importantes en los que se ha trabajado. En primero es el cuadro destinado a propiedades, donde se le da el nombre al dispositivo,Designator y en el que podemos ver el modelo del componente, Comment , en la figura 29.

Foto 29. Propiedades del componente

Figura 28. Cruce de pistas.

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El 2 parmetro ha fijar es el valor del componente como se observa en la figura 30.

Y el 3 parmetro importante es el que nos permite cambiar el footprint de un mismo smbolo, al desplegarlo, figura 31, podemos observar los diferentes footprints del smbolo.

Una vez colocados, unidos y parametrizados todos los componentes, es posible observar estos parmetros de forma externa sin entrar en las propiedades de cada uno de ellos, de esta forma se permite ver en primer lugar el nombre designado a dicho componente, segundo el nombre del smbolo escogido, y por ultimo el valor del mismo, como se puede ver en la figura 32.

Tras obtener el esquemtico completo, figura 33, y se procede al diseo del PCB virtual.

Figura 30. Parmetros del componente

Figura 31. Modelos del componente.

Figura 32. Disposicin externa de los datos en la resistencia de entrada Rcharge

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Figura 33. Diseo esquemtico

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5.2.3.Montaje PCB

Tras disear el esquemtico, se disea el montaje de los componentes en la placa PCB virtual, al crear el documento en el Altium se indica cual es el esquemtico del que va a realizar el PCB.

Una vez indicado, se muestra un PCB con todos los componentes implementados en el esquemtico, se realiza su disposicin en la placa con las siguientes reglas de diseo y su posterior interconexin.

Estas conexiones se han realizado siguiendo unas reglas de diseo:

El ancho de pista de 0,3mm, esto es debido a que la pista ha tener una anchura suficiente para poder soportar la tensin e intensidad que por ella va a circular, tambin influye el echo de que la maquina destinada a realizar las pistas puede disear pistas de 0,3 mm como tamao mnimo.

Distancia mnima entre pistas ajustada a 0,3mm, con esta distancia aseguramos que no halla interferencias .

Distancia mnima entre componentes de 0,5mm con esta distancia aseguramos que no se ejerzan interferencias y se facilita la colocacin de los componentes.

Giros inferiores a 45, los giros cercanos a 90 reducen la intensidad y tensin que circula por las pistas, por ello es preferible reducir el ngulo y el nmero de giros al mnimo posible.

Excepcin, Estas normas no se han seguido entre las pistas que salen del integrado, ya que la distancia entre pistas en ese punto es inferior, y es imposible evitarlo.

El tamao de las vas es de 1,27mm de dimetro en el borde exterior y un agujero interior de 0,711mm de dimetro, estas conectar la capa superior, top layer, con la inferior bottom layer. Estas dimensiones son posibles de hacer con las maquinas de la Universidad Pblica de Navarra, y son los suficientemente grandes para ser bien manipuladas.

Teniendo en cuenta estas reglas, se ha diseado el montaje, del que a su vez se han fijado unos factores que determinan la posicin de cada uno de los componentes:

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1. Las conexiones del esquema de conexiones.

2. El tamao de los componentes utilizados.

3. La facilidad de conseguir dichos componentes

4. Los posibles diseos de la carcasa.

5.2.3.1.Conexiones del esquemtico.

Se ha mantenido la lgica dada por el modelo esquemtico a la hora de realizar las conexiones. Colocando los componentes que tienen interconexiones entre si lo ms cerca posible, teniendo en cuenta que en algunos casos era inviable, por lo que se ha tenido que priorizar unas conexiones sobre otras, como se puede ver en la figura 34.

De esta manera si a la hora de realizar una conexin, donde se cruzan 2 o ms vas, siempre tienen preferencia el conjunto de vas ms numeroso en la misma direccin.

En este caso, la conexin cuyo camino ha sido truncado, utiliza la parte inferior del PCB como otra pista para llegar a su destino.

Figura 34. Interconexiones mediante pistas y Vas.

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5.2.3.2.Dimensin de los componentes.

Los componentes cuyas dimensiones son notablemente superiores al resto, tales como el transformador, el conector, el inductor y los LEDs, tal y como se aprecia en la figura 35, se han desplazado a posiciones donde su tamao afecta en menor manera a la introduccin de la batera en el cargador.

El inductor se ha desplazado a un lateral lejos del conector, para evitar que al introducir la batera sta no pudiera conectarse debidamente al conector.

El transformador esta situado en un extremo del PCB para no entorpecer con el resto de componentes debido a su gran tamao como se aprecia en la figura 36.

Figura 35. Conector, condensador, inductor e integrado en perfil.

Figura 36. Transformador y conector.

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El conector, figura 37, se ha colocado en la zona central de PCB permitiendo ms posibilidades a la hora de introducir la batera. Y facilitando la interconexin con el chip y varios componentes.

Y los LEDs se han colocado en el extremo opuesto al transformador, figura 38, de tal forma que no interfiere con ningn otro componente de gran tamao y facilita la visualizacin de los mismos una vez la carcasa este montada..

Figura 37. Inductor desplazado de la lnea del conector

Figura 38. LEDs situados al extremo del PCB

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5.2.3.3.Suministro de materiales.

Con el fin de abaratar costes, todos los componentes tienen el mismo distribuidor, en este caso Farnell, debido a que esta casa no trabaja con conectores horizontales de 4 pines con separacin de 2.5mm, la posicin de carga de la batera se hade ser vertical, obligando a una reubicacin de varios componentes.

5.2.3.4.Posibles diseos de carcasa

La disposicin de los componentes en el PCB limita los posibles diseos de carcasa, obligando a una insercin de la batera de forma vertical y por ello, el inductor se debe mover a una posicin donde no interfiera con la batera en el momento de introducir esta.

Se ven ejemplos de este punto en 6.1 Prototipos.

5.2.3.5.Montaje final

Tras seguir las reglas de diseo y de montaje, se procede a la unin de los componentes mediante el proceso conocido como enrutado. Dicho proceso puede hacer de forma automtica o bien manual.

La forma automtica consiste en introducir unas reglas del proceso de enrutado, las cuales el programa respeta. Estas reglas pueden ser generales, o de interconexiones entre elementos. El programa decide cuales son las mejores rutas dados esas reglas. Curiosamente, si repites el proceso de enrutado 2 veces con las mismas reglas, los resultados son distintos. Por lo que se ha hecho de forma manual.

Al realizar el proceso de enrutado de forma manual todas las conexiones son realizadas por uno mismo pudiendo modificar a su vez la posicin de componentes cuyo emplazamiento resulte inadecuado.

Una vez tenemos todo montado se procede a la utilizacin de la herramienta del programa que comprueba los errores cometidos en el enrutado, conexiones mal realizadas o incumplimiento de las reglas de diseo.

Tales errores son reparados mediante o bien la manipulacin de las reglas de diseo, en casos que es imposible evitarlos (Ej.: proximidad entre pistas a la salida del integrado) o bien manipulando el PCB para repararlos.

Las lneas rojas representan las pistas de la parte superior del PCB y las azules pistas inferiores. Se ha tratado de minimizar el nmero de pistas en la capa inferior con el fin de destinar la mayor superficie de esta a ser masa.

Las vas, representados como circunferencias con un circulo en su interior, que no poseen salida haca una pista inferior, estn conectadas a masa.

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Como resultado final se obtiene el PCB representado en la figura 39, y gracias a una herramienta del programa, podemos ver el resultado virtual del integrado con todos sus componentes en 3D, figura 40.

Figura 40. Representacin 3D del PCB virtual

Figura 39. Representacin 2D del PCB Virtual

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6.DISEO DE LA CARCASA

El diseo de la carcasa se ha realizado en 2 programas, el diseo 2D ha sido hecho en Autocad, donde se han delineado las plantas, perfiles y alzados, como se puede ver en la figura 41, por las facilidades que aporta este programa para trabajar en 2D.

Sin embargo el diseo en 3D, como el de la figura 42, se ha realizado en Google sketchup, software gratuito muy intuitivo y potente ideal para realizar este tipo de trabajo. Este programa permite tambin la exportacin e importacin de archivos con el formato de Autocad, lo que lo hace una herramienta complementara al Autocad de gran versatilidad.

A la hora de disear la carcasa se ha tenido en mente varios posibles diseos dependiendo de los componentes que se podan utilizar.

Figura 42. Modelo 3D realizado en Google sketchup Figura 41. Modelo 2D realizado en Autocad

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6.1 Prototipos

En un principio se estudi la posibilidad de una carga horizontal, la posibilidad de una carga de esta manera permitira un mejor aprovechamiento del espacio, y dara a la carcasa una apariencia ms robusta.

Tras el diseo de varios prototipos como el de la figura 41 y 42, se tuvieron que desechar esas ideas por la imposibilidad de obtener un conector de carga horizontal del suministrador de componentes del cual se han obtenido el resto de materiales, la bsqueda de este componente en otra casa incrementa el coste total debido al pago de 2 costes de envo.

Debido a este inconveniente, se desarrollaron varios prototipos con un proceso de carga vertical tras el desarrollo completo del PCB virtual, lo que limita en parte, la creacin de la carcasa.

6.2 Diseo final

Tras el diseo del PCB con los componentes finales, se ha diseado una carcasa que cumple las siguientes especificaciones:

La altura del espacio donde se inserta la batera y se encuentra el conector, es la correspondiente a la altura de la batera y la extensin vertical de los conectores del conector, de tal manera que al introducir la batera estos empujan la batera hacia la parte superior del espacio y las barras laterales impiden que se salga.

Las altura de la superficie donde van colocados los componentes es superior a la altura mxima del componente ms alto situado en su interior. De esta manera se da cierto margen a los componentes para evitar su recalentamiento.

Los laterales del diseo se han introducido con la intencin de dar cuerpo al cargador, dando una apariencia ms robusta.

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La carcasa diseada a partir de dichas especificaciones es la siguiente:

Este diseo definitivo permite una insercin de la batera de forma vertical, con un soporte para evitar que esta se caiga, y un agujero en la parte superior con la intencin de facilitar la salida de la batera aplicando presin sobre esta misma y desplazndola fuera de los limites del espacio utilizado para su cargado.

La parte posterior en forma recta, ha sido elegida de esta manera por el mero echo de usar menos material, se estudio la posibilidad de hacerla curva, pero al final se desecho.

Los agujeros situados en la parte frontal del cargador estn destinados para la colocacin de los LEDs, los cuales indicaran en que momento del proceso de carga se encuentra la batera.

Figura 44. Diseo 3D Figura 43. Diseo 2D

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7.PRESUPUESTO

El costo total del material a utilizar en la creacin del cargador sin estimar el precio de la carcasa

Unidades por cargador Precio unidad

Precio por cargador

Pedido mnimo

Unidades por cada 10

cargadores Precio por 10 cargadores

Bq24100 1 4,3 4,3 1 10 43 Myrra alimentacin 1 12,11 12,11 1 10 121,1 Conector 1 1,31 1,31 5 10 13,1 Inductor 68uH 1 0,37 0,37 1 10 3,7 Resistencias 1,5k 3 0,096 0,288 1 30 8,64 Resistencias 0,18 1 0,21 0,21 5 10 2,1 Resistencias 86,6k 1 0,096 0,096 1 10 0,96 Resistencias 9.6k 2 0,096 0,192 1 20 3,84 Resistencia 1,62k 1 0,096 0,096 1 10 0,96 Condensador 10uF 1 0,28 0,28 10 10 2,8 Condensador 0,1uF 3 0,149 0,447 10 30 13,41 Condensador 68nF 1 0,059 0,059 10 10 0,59 Condensador 1uF 1 0,45 0,45 10 10 4,5 Led Verde 1 0,38 0,38 5 10 3,8 Led Rojo 1 0,3 0,3 5 10 3 Led Amarillo 1 0,24 0,24 5 10 2,4 Zener 1 0,31 0,31 10 10 3,1 PCB 1 3,32 3,32 1x3 4 13,28 Total 24,76 244,28

8.CONCLUSIONES

El objetivo principal del proyecto que es el de disear un cargador especfico para la batera de VARTA Easy Pack S reduciendo coste y manteniendo su funcionalidad y calidad.

La versatilidad de la batera Easy Pack S, se valora ms que su relacin capacidad-peso.

El modo de bajo consumo y la capacidad de detectar la batera del controlador BQ24100 lo hace el mejor controlador para un cargador de este tipo.

El coste total del cargador anterior, EZP06DC005-RRC, es de 63,3 , y el cargador diseado 24,76 siendo la diferencia de 38,54 . A esta diferencia hay que restar el valor de la carcasa que no excede de 20 . Por lo que el objetivo principal se cumple.

Tabla 10. presupuesto.

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9.LINEAS FUTURAS

Como continuacin a este proyecto el paso lgico es el de desarrollar el prototipo fsicamente. Para ello tras hacer el pedido del material expuesto en la tabla de presupuesto se empezara con el montaje del PCB en los laboratorios de la universidad donde se encuentran las herramientas necesarias.

Dicho montaje consta de los esquemas de las pistas en el PCB, la realizacin de las vas y el marcaje de las posiciones en las que se colocaran los componentes.

Una vez colocados, se testearan las conexiones y tras la verificacin de que las intensidad de salida del sistema es la deseada, se pasara a hacer las pruebas con la batera.

Y por ltimo solo quedara montar todo el prototipo en el interior de la carcasa, cuyo coste no excede de los 38,54 de margen y asegurarse de que la batera conecta correctamente con el conector, para verificar que el prototipo es correcto.

10.ANEXOS 8.1. Batera EASY PACK S de varta

8.2. BQ24100

82

8.3. Fuente de transformacin MYRRA 47153

87

8.4. Conector 4 pins

8.5 PLANO CARCASA

Diseo del Cargador para Bateria Easy Pack S_PFC_Luis Angel Roncal

proyects

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