Acquisizione dati di scarica per celle Li-Poli con Arduino e display VFD

Imparare cose nuove è sempre interessante, divertente ed utile. Spesso è necessaria una motivazione, e l’aver ricevuto la scheda Arduino M0 PRO da Elettronica Open Source ed il desiderio di usare i display fluorescenti VFD, è stato lo sprone per imparare i primi rudimenti di programmazione con la scheda Arduino. Il semplice lavoro che desidero condividere effettua la prova di scarica di una cella Litio-Polimeri per conoscerne la effettiva capacità, ovvero la quantità di carica elettrica immagazzinata. Viene effettuata la misura della tensione di scarica, mostrata sul display assieme ad una indicazione a tacche della capacità residua, ed infine, a scarica effettuata, viene mostrato il totale della capacità della cella sotto esame in mAh, obiettivo finale del lavoro.

Introduzione

Oltre il mio hobby dell’elettronica e della radio, l’aeromodellismo dinamico ha un posto paritario. Nel campo dell’aeromodellismo radiocomandato (attività strettamente attinente al mio interesse per le radiocomunicazioni) il mezzo propulsivo che si è imposto in questi anni è il motore elettrico, passando dai classici motori a spazzole con magneti forti (a “terre rare”) del periodo pionieristico, sino ai performanti motori “brushless” odierni. Parimenti, la sorgente di alimentazione - punto critico dell’intera catena propulsiva - è passata dalle celle Nickel Cadmio (ora non più usabili per motivi ambientali, essendo, come molti di voi sapranno, il Cadmio un metallo pesante tossico) poi alle più performanti celle ad “Idruro Metallico” (Ni-Mh) ed infine alle eccezionali (a mio parere se paragonate alle celle di precedente tecnologia) celle Litio Polimeri (Li-Po). Queste ultime associano una elevata densità di carica ad una tensione per cella quasi tre volte superiore alle Ni-Cd o Ni-Mh con evidentissimi vantaggi di leggerezza e autonomia.

Come contropartita, le celle Li-Po hanno necessità di essere caricate con attenzione e con una curva di carica più complessa: carica iniziale a corrente costante e carica finale a tensione costante. E non possono essere scaricate sotto il limite minimo di circa 2,7 V, pena il loro danneggiamento irreversibile. Altra contropartita è la relativa pericolosità in quanto sono avvenuti casi di scoppio e incendio degli elementi sottoposti a condizioni estreme o malfunzionamenti. Una delle necessità incontrate con l’uso di queste batterie di propulsione è conoscere lo stato del pacco stesso e quindi la condizione di ogni elemento che lo costituisce: è utile sapere se le celle costituenti il pacco batterie sono efficienti e se erogano la quantità nominale di carica in Ah (mAh a seconda della capacità delle celle). Altro dato utile fornito dalla misura della effettiva capacità di scarica è la comparazione tra i vari elementi costituenti la batteria o tra diversi pacchi batteria di analoga capacità nominale.

In commercio ci sono già dei caricabatterie che fanno egregiamente questa rilevazione, quindi impegnarsi a costruire un apparato, per quanto semplice possa essere, che effettui la scarica della singola cella fino alla tensione minima di sicurezza e misuri la capacità di scarica, sembra un esercizio fine a sé stesso, e forse lo è. Nonostante ciò, il desiderio di cercare di imparare qualcosa nel campo della programmazione mi ha spinto ad intraprendere questo piccolo lavoro che desidero condividere. Altro motivo che mi ha spinto nella realizzazione di questo progetto, è stato il desiderio di utilizzare i numerosi display VFD a quattro cifre e diversi altri simboli che ho a disposizione e la cui luminescenza verdolina, che ricorda una tecnologia “old time”, mi ha sempre affascinato, oltre alla consapevolezza che - di fatto - altro non sono che dei triodi: una valvola, ovvero un componente di antica tecnologia, che, curiosamente, ancora bene si accompagna alla moderna tecnologia dei microprocessori.

Per poter fare le cose per me semplici e affrontabili, ho utilizzato un Arduino modello M0 PRO, attorno al quale ho realizzato la circuiteria necessaria per comandare il display. Il programma è ovviamente composto da due blocchi principali: il controllo della scarica della cella con la misurazione della capacità di scarica ed il comando del display che mostra la tensione della cella, e (a scarica avvenuta e conseguente distacco della cella dal suo carico per non andare nella pericolosa sovra scarica) la capacità totale di scarica.

Il web è una copiosa fonte di suggerimenti che si adattano alle proprie necessità tecniche ed anche per questa piccola realizzazione ho attinto a questa fonte: in particolare, mi è stata di grande aiuto per la parte del programma che comanda il display che deve essere pilotato in “multiplex”. Il display utilizzato è un ITRON a quattro cifre più numerosi simboli; le Figure 1A e B mostrano il display, mentre la Figura 1C mostra tutti i numeri e simboli disponibili, accesi.

Figura 1A. Il display ITRON utilizzato per la realizzazione di una scheda per Arduino che testi la capacità di celle Li-Po

Figura 1B. Il retro del display

Per questa realizzazione ho utilizzato le cifre numeriche, il triangolino per la virgola decimale, in quanto il valore di tensione mostrato è l’unità seguita da due cifre decimali ed i cinque trattini inferiori per evidenziare lo stato di carica rimanente della cella sotto esame.

Figura 1C. Tutti i caratteri e simboli accesi

BREVE DESCRIZIONE DEI DISPLAY VFD

Un display VFD (Vacuum Fluorescent Display) può essere descritto come un triodo (o una valvola “occhio magico”) di cui condivide il “filamento” che, reso incandescente, genera gli elettroni che vanno ad impattare sulla “placca” o “anodo” in questo caso rivestita di un materiale fluorescente che si illumina di un bellissimo colore verde/azzurro; l’altro elettrodo, la “griglia”, permette di regolare il passaggio di elettroni verso la placca ottenendo l’accensione, se polarizzata positivamente, o lo spegnimento del simbolo sottostante se polarizzata negativamente.

Figura 1D. Simbolo elettrico di un “occhio magico”, parente strettissimo del display VFD

La Figura 2 mostra la composizione interna del display VFD usato in questa realizzazione.

Figura 2. Sezione mostrante i componenti costruttivi di un display VFD
1) vetro supportante l’anodo 2) strato conduttivo 3) anodo (base) 4) strato isolante 5) elemento luminescente (numeri/simboli) 6) materiale conduttivo 7) griglia 8) sigillante dei vetri 9) filamento (catodo) 10) getter 11) copertura superiore 12) vetro distanziale
13) tubo per il vuoto 14) strato trasparente conduttivo 15) piedini terminali

Ogni “anodo” forma uno dei segmenti, o un punto o un simbolo i quali, tutti assieme sotto la “griglia” corrispondente, formano il carattere che viene illuminato. Selezionando le combinazioni dei segmenti illuminati si formano i numeri o i simboli voluti. Poiché i piedini necessari per l’accensione dei vari numeri/simboli sarebbero numerosi, si ovvia con il collegamento “multiplex” mettendo in parallelo i segmenti uguali e accendendo ciclicamente il gruppo di segmenti, in questo caso sotto ogni “griglia”. La Figura 3A mostra come è collegato il display.

Figura 3A. Collegamenti interni dei segmenti

La Figura 3B indica con uno schema a blocchi il pilotaggio del display.

Figura 3B. Schema a blocchi del comando per la gestione dell’accensione

In Figura 3C vengono illustrati i criteri di comando relativi ai segmenti e alle griglie per la cadenza delle accensioni.

Figura 3C. Il funzionamento in “multiplexing” del display

Infine, l’alimentazione prevede l’accensione del filamento che nei VFD dovrebbe essere in corrente alternata e con un riferimento centrale perché l’alimentazione a corrente continua con un estremo comune forma un gradiente di tensione con l’anodo, provocando conseguentemente una leggera diversa luminosità da un estremo all’altro del display. L’inconveniente si nota in display lunghi e, per fortuna, quello usato è relativamente corto per cui si è usata tranquillamente l’alimentazione del filamento in corrente continua. [...]

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