4 circuits simples de carregador de bateria de ions de li: utilitzant LM317, NE555, LM324

El següent article explica una forma senzilla i segura de carregar una bateria de ions de Li mitjançant quatre circuits integrats com ara LM317 i NE555, que qualsevol aficionat nou pot construir fàcilment a casa.

Tot i que les bateries de Li-Ion són dispositius vulnerables, es poden carregar mitjançant circuits més simples si la velocitat de càrrega no provoca un escalfament significatiu de la bateria i si a l’usuari no li importa un petit retard en el període de càrrega de la cel·la.

Per als usuaris que vulguin carregar ràpidament la bateria, no han d’utilitzar els conceptes que s’expliquen a continuació, sinó que poden utilitzar un d’aquests dissenys intel·ligents professionals .

Dades bàsiques sobre la càrrega de ions de li

Abans d’aprendre els procediments de construcció d’un carregador de li-ion, seria important per a nosaltres conèixer els paràmetres bàsics relacionats amb la càrrega de la bateria de li-ion.

A diferència de la bateria de plom àcid, una bateria de Li-Ion es pot carregar a corrents inicials significativament elevats, que poden arribar a ser fins a la classificació Ah de la mateixa bateria. Això s’anomena càrrega a una velocitat de 1C, on C és el valor Ah de la bateria.

Dit això, mai no és recomanable utilitzar aquesta velocitat extrema, ja que això suposaria carregar la bateria en condicions molt estressants a causa de l’augment de la seva temperatura. Per tant, es considera una taxa de 0,5C com un valor recomanat estàndard.

0,5C significa una taxa de corrent de càrrega que suposa el 50% del valor Ah de la bateria. En condicions d’estiu tropical, fins i tot aquesta taxa pot convertir-se en una taxa desfavorable per a la bateria a causa de l’alta temperatura ambiental existent.

La càrrega d'una bateria de ions de li requereix consideracions complexes?

Absolutament no. En realitat, és una forma de bateria extremadament amigable i es carregarà amb consideracions mínimes, tot i que aquestes consideracions mínimes són essencials i s’han de seguir sense fallar.

Algunes consideracions crítiques però fàcils d’implementar són: tall automàtic al nivell de càrrega complet, tensió constant i subministrament d’entrada de corrent constant.

La següent explicació ajudarà a entendre-ho millor.

El gràfic següent suggereix el procediment de càrrega ideal d’una cèl·lula de ions de Li de 3,7 V estàndard, classificada amb 4,2 V com a nivell de càrrega complet.

Etapa núm. 1 : A la fase inicial núm. 1, veiem que la tensió de la bateria augmenta del nivell de 0,25 V a 4,0 V en aproximadament una hora a una velocitat de càrrega constant de 1 amperi. Ho indica la línia BLAU. El 0,25 V és només amb finalitats indicatives, una cèl·lula real de 3,7 V mai no s'hauria de descarregar per sota de 3 V.

Etapa núm. 2: A l'etapa núm. 2, la càrrega entra a estat de càrrega de saturació , on el voltatge arriba al màxim al nivell de càrrega de 4,2 V i el consum de corrent comença a baixar. Aquesta caiguda de la taxa actual continua durant les pròximes dues hores. El corrent de càrrega s’indica mitjançant la línia de punts VERMELL.

Etapa 3 : A mesura que baixa el corrent, arriba al seu nivell més baix, que és inferior al 3% de la classificació Ah de la cèl·lula.

Un cop això passi, l’alimentació d’entrada s’APAGA i es permet que la cel·la s’estableixi 1 hora més.

Al cap d’una hora, la tensió de la cel·la indica el real Estat de càrrec o SoC de la cèl·lula. El SoC d’una cel·la o bateria és el nivell de càrrega òptim que ha assolit després d’un curs de càrrega completa, i aquest nivell mostra el nivell real que es pot utilitzar per a una aplicació determinada.

En aquest estat podem dir que la condició de la cel·la està preparada per utilitzar-se.

Etapa 4 : En situacions en què la cel·la no s’utilitza durant períodes llargs, de tant en tant s’aplica una recàrrega addicional, en què el corrent consumit per la cel·la és inferior al 3% del seu valor Ah.

Recordeu, tot i que el gràfic mostra que la cel·la es carrega fins i tot després d’haver arribat a 4,2 V, això és no es recomana estrictament durant la càrrega pràctica d'una cèl·lula Li-Ion . El subministrament s’ha de tallar automàticament tan aviat com la cèl·lula assoleixi el nivell de 4,2 V.

Llavors, què suggereix bàsicament el gràfic?

1. Utilitzeu un subministrament d’entrada que tingui una sortida de corrent fixa i tensió fixa, tal com s’ha comentat anteriorment. (Normalment, això pot ser = Voltatge un 14% superior al valor imprès, 50% actual del valor Ah, un corrent inferior a aquest també funcionarà bé, tot i que el temps de càrrega augmentarà proporcionalment)
2. El carregador hauria de tallar-se automàticament al nivell recomanat de càrrega completa.
3. És possible que la gestió o control de la temperatura de la bateria no sigui necessari si el corrent d’entrada es limita a un valor que no provoca l’escalfament de la bateria

Si no teniu un tall automàtic, restringiu l’entrada de voltatge constant a 4,1 V.

1) Carregador de ions de Li més senzill amb un sol MOSFET

Si busqueu un circuit de carregador de Li-Ion més barat i senzill, no hi pot haver una opció millor que aquesta.

Aquest disseny no té regulació de la temperatura, per tant es recomana un corrent d'entrada inferior

Un sol MOSFET, un ajust predefinit o un retallador i una resistència de 470 ohm / 1/4 de watt són tot el que necessitareu per crear un circuit de carregador senzill i segur.

Abans de connectar la sortida a una cèl·lula Li-Ion, assegureu-vos d'un parell de coses.

1) Com que el disseny anterior no incorpora regulació de temperatura, el corrent d'entrada s'ha de restringir a un nivell que no provoqui un escalfament significatiu de la cel·la.

2) Ajusteu el valor predeterminat per obtenir exactament 4,1 V a través dels terminals de càrrega on se suposa que està connectada la cel·la. Una bona manera de solucionar-ho és connectar un díode zener precís en lloc del valor predefinit i substituir el 470 ohm per una resistència de 1 K.

Per al corrent, normalment una entrada de corrent constant d’uns 0,5C seria correcta, és a dir, el 50% del valor mAh de la cel·la.

Afegir un controlador actual

Si la font d'entrada no està controlada per corrent, en aquest cas podem actualitzar ràpidament el circuit anterior amb una simple etapa de control de corrent BJT com es mostra a continuació:

RX = 07 / Corrent de càrrega màx

Avantatge de la bateria de ions de li

El principal avantatge de les cèl·lules Li-Ion és la seva capacitat per acceptar càrrega a una velocitat ràpida i eficient. Tot i això, les cèl·lules de ions de Li tenen la mala reputació de ser massa sensibles a les entrades desfavorables com ara l’alta tensió, l’alt corrent i, sobretot, les condicions de càrrega.

Quan es carrega en qualsevol de les condicions anteriors, la cèl·lula pot escalfar-se massa i, si les condicions persisteixen, poden provocar fuites de fluid cel·lular o fins i tot una explosió, que finalment es danyarà permanentment.

En qualsevol condició de càrrega desfavorable, el primer que li passa a la cèl·lula és augmentar la seva temperatura i, en el concepte de circuit proposat, utilitzem aquesta característica del dispositiu per implementar les operacions de seguretat requerides, on la cèl·lula mai no pot assolir altes temperatures mantenint els paràmetres molt sota les especificacions requerides de la cel·la.

2) Utilitzar LM317 com a IC del controlador

En aquest bloc ens hem trobat amb molts circuits de carregador de bateria mitjançant IC LM317 i LM338 que són els dispositius més versàtils i els més adequats per a les operacions discutides.

També aquí utilitzem l'IC LM317, tot i que aquest dispositiu només s'utilitza per generar la tensió i el corrent regulats necessaris per a la cèl·lula de ions de Li connectada.

La funció de detecció real la fan el parell de transistors NPN que es col·loquen de manera que entren en contacte físic amb la cèl·lula sota càrrega.

Veient el diagrama de circuits donat, obtenim tres tipus de proteccions simultàniament:

Quan s'aplica alimentació a la configuració, l'IC 317 restringeix i genera una sortida igual a 3,9 V a la bateria de ions de Li connectada.

1. El Resistència de 640 ohm s’assegura que aquest voltatge no supera mai el límit màxim de càrrega.
2. Dos transistors NPN connectats en un mode Darlington estàndard al pin ADJ de l'IC controlen la temperatura de la cèl·lula.
3. Aquests transistors també funcionen com limitador de corrent , evitant una situació excessiva de la cèl·lula Li-Ion.

Sabem que, si el pin ADJ de l’IC 317 està connectat a terra, la situació tanca completament la tensió de sortida.

Significa que si els transistors condueixen, es produirà un curtcircuit del pin ADJ a terra, provocant la sortida de la bateria.

Amb la funció anterior a la mà, aquí el parell Darlingtom fa un parell de funcions de seguretat interessants.

La resistència de 0,8 connectada a través de la seva base i terra limita el corrent màxim a uns 500 mA, si el corrent tendeix a superar aquest límit, la tensió a través de la resistència de 0,8 ohm es fa suficient per activar els transistors que 'ofeguen' la sortida del CI , i inhibeix qualsevol nova pujada del corrent. Al seu torn, això ajuda a evitar que la bateria obtingui quantitats de corrent no desitjades.

Utilitzar la detecció de temperatura com a paràmetre

Tanmateix, la principal funció de seguretat que duen a terme els transistors és detectar l’augment de temperatura de la bateria Li-Ion.

Els transistors, com tots els dispositius semiconductors, tendeixen a conduir el corrent de manera més proporcional amb l’augment de la temperatura ambiental o del seu cos.

Com s'ha comentat, aquests transistors s'han de situar en contacte físic estret amb la bateria.

Ara suposem que, en cas que la temperatura de la cèl·lula comenci a augmentar, els transistors respondrien a això i començarien a conduir-se, la conducció provocaria a l'instant que el pin ADJ de l'IC estigués sotmès més al potencial de terra, cosa que provocaria una disminució de la tensió de sortida.

Amb una disminució de la tensió de càrrega, també augmentaria la pujada de temperatura de la bateria Li-Ion connectada. El resultat és una càrrega controlada de la cel·la, que assegura que la cel·la no passa mai en situacions de fugida i manté un perfil de càrrega segur.

El circuit anterior funciona amb el principi de compensació de temperatura, però no incorpora una característica de tall automàtic de sobrecàrrega i, per tant, la tensió màxima de càrrega s'està fixant a 4,1 V.

Sense compensació de temperatura

Si voleu evitar les molèsties que controlen la temperatura, només podeu ignorar el parell Darlington de BC547 i utilitzar un BC547 únic.

Ara, això només funcionarà com a subministrament de corrent / tensió controlat per a la cèl·lula Li-Ion. Aquí teniu el disseny modificat obligatori.

El transformador pot ser un transformador de 0-6 / 9 / 12V

Com que aquí no s’utilitza el control de temperatura, assegureu-vos que el valor Rc estigui dimensionat correctament per a una velocitat de 0,5 C. Per a això, podeu utilitzar la fórmula següent:

Rc = 0,7 / 50% del valor Ah

Suposem que el valor Ah s’imprimeix com a 2800 mAh. Llavors, la fórmula anterior es podria resoldre com:

Rc = 0,7 / 1400 mA = 0,7 / 1,4 = 0,5 Ohms

La potència serà de 0,7 x 1,4 = 0,98, o simplement 1 watt.

De la mateixa manera, assegureu-vos que el valor predefinit 4k7 estigui ajustat a una exacta de 4,1 V a través dels terminals de sortida.

Un cop fets els ajustos anteriors, podeu carregar la bateria de liti-ions prevista amb seguretat, sense preocupar-vos de cap situació adversa.

Com que, a 4,1 V, no podem assumir que la bateria estigui completament carregada.

Per contrarestar l’inconvenient anterior, una instal·lació de tall automàtic esdevé més favorable que el concepte anterior.

He comentat molts circuits de carregador automàtic d'amplificadors operatius en aquest bloc, es pot aplicar qualsevol d'ells per al disseny proposat, però com que estem interessats en mantenir el disseny barat i senzill, es pot provar una idea alternativa que es mostra a continuació.

Emprar un SCR per al tall

Si esteu interessats en tenir un tall automàtic només, sense controlar la temperatura, podeu provar el disseny basat en SCR que s'explica a continuació. El SCR s'utilitza a través de l'ADJ i el terra de l'IC per a una operació de bloqueig. La porta està equipada amb la sortida de manera que, quan el potencial arriba a uns 4,2 V, el SCR s’encén i es bloqueja, tallant l’alimentació de la bateria permanentment.

El llindar es pot ajustar de la manera següent:

Mantingueu inicialment el valor predeterminat d’1K ajustat al nivell del terra (extrem dret), apliqueu una font de tensió externa de 4,3V als terminals de sortida.
Ara, ajusteu lentament la configuració prèvia fins que el SCR només s’encengui (el LED s’encén).

Això defineix el circuit per a l'acció de tancament automàtic.

Com configurar el circuit anterior

Mantingueu inicialment el braç lliscant central del preajustat tocant el rail de terra del circuit.

Ara, sense connectar l’alimentació de l’interruptor de la bateria, comproveu el voltatge de sortida que, naturalment, mostraria el nivell de càrrega complet establert per la resistència de 700 ohms.

A continuació, ajusteu el preajustament amb molta habilitat i suaument fins que el SCR s'activi apagant la tensió de sortida a zero.

Això és tot, ara podeu suposar que el circuit està complet.

Connecteu una bateria descarregada, enceneu-la i comproveu la resposta, probablement el SCR no s'encendrà fins que s'assoleixi el llindar establert i es tallarà tan aviat com la bateria assoleixi el llindar de càrrega total establert.

3) Circuit del carregador de bateria de ions de li mitjançant l'IC 555

El segon disseny senzill explica un circuit automàtic de carregador de bateries de ions de Li senzill però precís que utilitza l’omnipresent IC 555.

La càrrega de la bateria d’ió li pot ser crítica

Una bateria d’ions de Li, com tots sabem, s’ha de carregar en condicions controlades, si es carrega amb mitjans normals, pot provocar danys o fins i tot explosió de la bateria.

Bàsicament, a les bateries de ions de Li no els agrada carregar massa les seves cel·les. Un cop les cel·les arribin al llindar superior, s’ha de tallar la tensió de càrrega.

El següent circuit de carregador de bateria Li-Ion segueix de manera molt eficient les condicions anteriors, de manera que la bateria connectada no pot superar mai el límit de sobrecàrrega.

Quan s’utilitza l’IC 555 com a comparador, el pin # 2 i el pin # 6 es converteixen en entrades de detecció efectives per detectar els límits del llindar de tensió inferior i superior depenent de la configuració dels valors predeterminats pertinents.

El pin número 2 controla el nivell del llindar de baixa tensió i activa la sortida a una lògica elevada en cas que el nivell baixi del límit establert.

Per contra, el pin número 6 controla el llindar de tensió superior i torna la sortida a baixa en detectar un nivell de voltatge superior al límit de detecció establert.

Bàsicament, les accions de tall superior i baix d’interruptor ON s’han de configurar amb l’ajut dels presets pertinents que compleixin les especificacions estàndard de l’IC així com la bateria connectada.

El valor predeterminat relatiu al pin # 2 s’ha d’establir de manera que el límit inferior correspongui a 1/3 de Vcc, i el valor predeterminat associat al pin # 6 s’ha de configurar de manera que el límit de tall superior correspongui a 2 / 3rd de Vcc, com segons les normes estàndard de l'IC 555.

Com funciona

Tot el funcionament del circuit de carregador de ions de Li proposat mitjançant IC 555 té lloc tal com s’explica a la discussió següent:

Suposem que a la sortida del circuit que es mostra a continuació es connecta una bateria de li-ió completament descarregada (al voltant de 3,4 V).

Suposant que el llindar inferior s’ha d’establir en algun lloc per sobre del nivell de 3,4 V, el pin número 2 detecta immediatament la situació de baixa tensió i arrossega la sortida cap al pin número 3.

La màxima al pin número 3 activa el transistor que engega la potència d’entrada a la bateria connectada.

La bateria ara comença a carregar-se gradualment.

Tan bon punt la bateria arriba a la càrrega completa (@ 4.2V), suposant que el llindar de tall superior al pin # 6 s’estableixi al voltant de 4.2v, el nivell es detecta al pin # 6 que immediatament torna la sortida a baixa.

La baixa sortida apaga instantàniament el transistor, cosa que significa que l’entrada de càrrega està ara inhibida o tallada a la bateria.

La inclusió d’un escenari de transistors proporciona també la possibilitat de carregar cèl·lules de ions Li de major intensitat.

El transformador s’ha de seleccionar amb una tensió no superior a 6 V i una intensitat nominal de 1/5 de la potència nominal de la bateria.

Esquema de connexions

Si creieu que el disseny anterior és molt complex, podeu provar el següent disseny, que sembla molt més senzill:

Com configurar el circuit

Connecteu una bateria completament carregada pels punts mostrats i ajusteu la configuració predeterminada de manera que el relé només es desactivi de la posició N / C a N / O ... feu-ho sense connectar cap entrada de CC de càrrega al circuit.

Un cop fet això, podeu suposar que el circuit s'ha de configurar i utilitzar per a un subministrament automàtic de bateria quan estigui completament carregada.

Durant la càrrega real, assegureu-vos que el corrent d’entrada de càrrega sigui sempre inferior a la classificació AH de la bateria, és a dir, si suposem que la bateria AH és de 900 mAH, l’entrada no hauria de ser superior a 500 mA.

La bateria s’ha d’eliminar tan bon punt el relé s’APAGA per evitar la descàrrega automàtica de la bateria mitjançant el valor predefinit de 1K.

IC1 = IC555

Totes les resistències tenen 1/4 de vati CFR

IC 555 Pinout

Conclusió

Tot i que els dissenys presentats anteriorment són tècnicament correctes i realitzaran les tasques segons les especificacions proposades, en realitat apareixen com un excés.

S'explica una manera senzilla però eficaç i segura de carregar una cèl·lula de ions de li en aquest post , i aquest circuit pot ser aplicable a totes les formes de bateries, ja que atén perfectament dos paràmetres crucials: corrent constant i tall automàtic de càrrega completa. Es suposa que hi ha disponible un voltatge constant des de la font de càrrega.

4) Carregant moltes bateries de ions de li

L'article explica un circuit senzill que es pot utilitzar per carregar almenys 25 nus de cèl·lules Li-Ion en paral·lel juntes, des d'una única font de voltatge, com ara una bateria de 12V o un panell solar de 12V.

La idea va ser sol·licitada per un dels seguidors més entusiastes d'aquest bloc, escoltem-la:

S'estan carregant moltes bateries de ions de Li juntes

Em podeu ajudar a dissenyar un circuit per carregar 25 piles de bateria li-on (de 3,7 V a 800 mA cadascuna) alhora. La meva font d'alimentació prové de bateries de 12v- 50AH. Feu-me saber també quants amplificadors de la bateria de 12v es traurien amb aquesta configuració per hora ... gràcies per endavant.

El disseny

Pel que fa a la càrrega, les cèl·lules d’ió Li requereixen paràmetres més estrictes en comparació amb les bateries de plom àcid.

Això esdevé especialment crucial perquè les cèl·lules d’ions Li tendeixen a generar una quantitat considerable de calor durant el procés de càrrega i, si aquesta generació de calor va més enllà del control, pot provocar greus danys a la cèl·lula o fins i tot una possible explosió.

Tanmateix, una cosa bona de les cèl·lules d’ió Li és que inicialment es poden carregar a una velocitat completa de 1C, contràriament a les bateries de plom àcid que no permeten una taxa de càrrega superior a la C / 5.

L'avantatge anterior permet que les cèl·lules d'ió Li es carreguin a una velocitat 10 vegades més ràpida que la part del comptador d'àcid de plom.

Com s’ha comentat anteriorment, atès que la gestió de la calor es converteix en el tema crucial, si aquest paràmetre es controla adequadament, la resta de coses es tornen força senzilles.

Vol dir que podem carregar les cèl·lules d’ió Li a una velocitat completa de 1C sense que ens molesti res, sempre que tinguem alguna cosa que monitoritzi la generació de calor d’aquestes cèl·lules i iniciï les mesures correctores necessàries.

He intentat implementar-ho connectant un circuit de detecció de calor separat que controla la calor de les cel·les i regula el corrent de càrrega en cas que la calor comenci a desviar-se dels nivells de seguretat.

Controlar la temperatura a una velocitat de 1C és crucial

El primer diagrama de circuits que es mostra a continuació mostra un circuit de sensor de temperatura precís mitjançant l'IC LM324. Aquí s’han emprat tres dels seus opamps.

El díode D1 és un 1N4148 que actua efectivament com a sensor de temperatura aquí. La tensió d’aquest díode cau 2 mV amb cada augment de la temperatura.

Aquest canvi de tensió a través de D1 fa que A2 canviï la seva lògica de sortida, que al seu torn inicia A3 per augmentar gradualment la seva tensió de sortida corresponentment.

La sortida de l'A3 està connectada a un LED d'acoblament opto. Segons el paràmetre de P1, la sortida A4 tendeix a augmentar en resposta a la calor de la cel·la, fins que finalment el LED connectat s’encén i el transistor intern de l’opto es condueix.

Quan això passa, el transistor opto subministra 12V al circuit LM338 per iniciar les accions correctores necessàries.

El segon circuit mostra una font d'alimentació regulada senzilla mitjançant l'IC LM338. L'olla 2k2 s'ajusta per produir exactament 4,5 V a través de les cèl·lules d'ió Li connectades.

El circuit IC741 anterior és un circuit de tall de sobrecàrrega que controla la càrrega sobre les cel·les i desconnecta el subministrament quan arriba a 4,2 V.

El BC547 situat a l'esquerra, a prop de l'ICLM338, s'introdueix per aplicar les accions correctives adequades quan les cèl·lules comencen a escalfar-se.

En cas que les cèl·lules comencin a escalfar-se massa, el subministrament de l’acoblador opto del sensor de temperatura colpeja el transistor LM338 (BC547), el transistor es condueix i apaga instantàniament la sortida LM338 fins que la temperatura baixa als nivells normals, aquest procés continua fins que les cel·les es carreguen completament quan l'IC 741 s'activa i desconnecta les cel·les permanentment de la font.

En totes les 25 cel·les es poden connectar a aquest circuit en paral·lel, cada línia positiva ha d'incorporar un díode separat i una resistència de 5 Ohm 1 watt per a una distribució igual de càrrega.

Tot el paquet de cèl·lules s'hauria de fixar sobre una plataforma d'alumini comuna de manera que la calor es dissipés uniformement sobre la placa d'alumini.

El D1 s’ha d’enganxar adequadament sobre aquesta placa d’alumini perquè el sensor D1 detecti de manera òptima la calor dissipada.

Circuit de carregador i controlador automàtic de cèl·lules de ions de li.

Conclusió

• Els criteris bàsics que cal mantenir per a qualsevol bateria són: carregar a temperatures adequades i tallar el subministrament tan aviat com arribi a la càrrega completa. Això és el bàsic que heu de seguir independentment del tipus de bateria. Podeu controlar-lo manualment o fer-lo automàtic, en tots dos casos la bateria es carregarà de manera segura i tindrà una vida més llarga.
• El corrent de càrrega / descàrrega és responsable de la temperatura de la bateria, si són massa altes en comparació amb la temperatura ambient, la bateria patirà molt a la llarga.
• El segon factor important és no permetre que la bateria es descarregui fortament. Seguiu restablint el nivell de càrrega complet o aneu remuntant-lo sempre que sigui possible. D’aquesta manera, s’assegurarà que la bateria no arribi mai als nivells de descàrrega inferiors.
• Si teniu dificultats per controlar-ho manualment, podeu optar per un circuit automàtic tal com es descriu en aquesta pàgina .

Tens més dubtes? Si us plau, deixeu-los passar pel quadre de comentaris següent