4 circuitos simples do carregador de bateria de íons de lítio - usando LM317, NE555, LM324

O post a seguir explica quatro maneiras simples, mas seguras de carregar uma bateria de íon-lítio usando ICs comuns como LM317 e NE555, que podem ser facilmente construídos em casa por qualquer novato.

Embora as baterias de íons de lítio sejam dispositivos vulneráveis, elas podem ser carregadas por meio de circuitos mais simples se a taxa de carregamento não causar um aquecimento significativo da bateria e se o usuário não se importar com um ligeiro atraso no período de carregamento da célula.

Para usuários que desejam um carregamento rápido da bateria, não devem usar os conceitos explicados abaixo, em vez disso, eles podem empregar um destes designs inteligentes profissionais .

Fatos básicos sobre o carregamento de íons de lítio

Antes de aprender os procedimentos de construção de um carregador de íons de lítio, é importante conhecermos os parâmetros básicos relacionados ao carregamento da bateria de íons de lítio.

Ao contrário da bateria de chumbo-ácido, uma bateria de íon de lítio pode ser carregada com correntes iniciais significativamente altas, que podem ser tão altas quanto a classificação Ah da própria bateria. Isso é denominado como carregamento à taxa de 1C, onde C é o valor Ah da bateria.

Dito isso, nunca é aconselhável usar essa taxa extrema, pois isso significaria carregar a bateria em condições altamente estressantes devido ao aumento de sua temperatura. Uma taxa de 0,5 C é, portanto, considerada um valor padrão recomendado.

0,5C significa uma taxa de corrente de carga que é 50% do valor Ah da bateria. Em condições tropicais de verão, mesmo esta taxa pode se transformar em uma taxa desfavorável para a bateria devido à alta temperatura ambiente existente.

O carregamento de uma bateria de íons de lítio requer considerações complexas?

Absolutamente não. Na verdade, é uma forma extremamente amigável de bateria e será carregada com considerações mínimas, embora essas considerações mínimas sejam essenciais e devam ser seguidas sem falha.

Algumas considerações críticas, mas fáceis de implementar, são: desligamento automático no nível de carga total, tensão constante e alimentação de entrada de corrente constante.

A explicação a seguir ajudará a entender isso melhor.

O gráfico a seguir sugere o procedimento de carregamento ideal de uma célula de íon de lítio de 3,7 V, classificada com 4,2 V como nível de carga total.

Estágio 1 : No estágio inicial # 1, vemos que a tensão da bateria sobe de 0,25 V para o nível de 4,0 V em cerca de uma hora a uma taxa de carga de corrente constante de 1 ampere. Isso é indicado pela linha AZUL. O 0,25 V é apenas para fins indicativos, uma célula de 3,7 V real nunca deve ser descarregada abaixo de 3 V.

Estágio 2: No estágio 2, o carregamento entra no estado de carga de saturação , onde a tensão atinge o pico até o nível de carga total de 4,2 V e o consumo de corrente começa a cair. Essa queda na taxa atual continua pelas próximas horas. A corrente de carga é indicada pela linha pontilhada VERMELHA.

Estágio # 3 : Conforme a corrente cai, ela atinge seu nível mais baixo, que é inferior a 3% da classificação Ah da célula.

Quando isso acontecer, a alimentação de entrada é desligada e a célula pode se estabelecer por mais 1 hora.

Após uma hora, a voltagem da célula indica o real Estado de carga ou o SoC da célula. O SoC de uma célula ou bateria é o nível de carga ideal que ela atingiu após um curso de carga completa e este nível mostra o nível real que pode ser usado para uma determinada aplicação.

Nesse estado, podemos dizer que a condição da célula está pronta para uso.

Estágio # 4 : Em situações em que a célula não é usada por longos períodos, um carregamento complementar é aplicado de vez em quando, em que a corrente consumida pela célula é inferior a 3% do seu valor Ah.

Lembre-se, embora o gráfico mostre a célula sendo carregada mesmo depois de atingir 4,2 V, isso é estritamente não recomendado durante o carregamento prático de uma célula Li-Ion . O fornecimento deve ser cortado automaticamente assim que a célula atingir o nível de 4,2 V.

Então, o que o gráfico sugere basicamente?

1. Use uma fonte de entrada que tenha uma saída de corrente e tensão fixas, conforme discutido acima. (Normalmente, isso pode ser = Tensão 14% maior do que o valor impresso, Corrente 50% do valor Ah, corrente mais baixa do que isso também funcionará bem, embora o tempo de carregamento aumente proporcionalmente)
2. O carregador deve ter um corte automático no nível de carga total recomendado.
3. O gerenciamento ou controle da temperatura da bateria pode não ser necessário se a corrente de entrada for restrita a um valor que não cause o aquecimento da bateria

Se você não tiver um desligamento automático, simplesmente restrinja a entrada de tensão constante a 4,1 V.

1) Carregador de íons de lítio mais simples usando um único MOSFET

Se você está procurando um circuito carregador de íon de lítio mais barato e mais simples, não pode haver opção melhor do que esta.

Este projeto não possui regulação de temperatura, portanto, é recomendada uma corrente de entrada mais baixa

Um único MOSFET, um preset ou trimmer e um resistor de 470 ohm 1/4 watt é tudo o que você precisa para fazer um circuito de carregador simples e seguro.

Antes de conectar a saída a uma célula Li-Ion, certifique-se de algumas coisas.

1) Como o projeto acima não incorpora a regulação da temperatura, a corrente de entrada deve ser restrita a um nível que não cause aquecimento significativo da célula.

2) Ajuste a predefinição para obter exatamente 4,1 V nos terminais de carregamento onde a célula deve estar conectada. Uma ótima maneira de consertar isso é conectar um diodo zener preciso no lugar do predefinido e substituir o 470 ohm por um resistor de 1 K.

Para a corrente, normalmente uma entrada de corrente constante em torno de 0,5C seria adequada, ou seja, 50% do valor de mAh da célula.

Adicionar um controlador atual

Se a fonte de entrada não for controlada por corrente, nesse caso podemos atualizar rapidamente o circuito acima com um estágio de controle de corrente BJT simples, conforme mostrado abaixo:

RX = 07 / Corrente de carga máxima

Vantagem da bateria Li-Ion

A principal vantagem das células de íons de lítio é sua capacidade de aceitar carga em uma taxa rápida e eficiente. No entanto, as células de íons de lítio têm a má reputação de serem muito sensíveis a entradas desfavoráveis, como alta tensão, alta corrente e, mais importante, condições de carga excessiva.

Quando carregada em qualquer uma das condições acima, a célula pode ficar muito quente e, se as condições persistirem, pode resultar em vazamento do fluido celular ou mesmo em uma explosão, danificando a célula permanentemente.

Sob quaisquer condições de carregamento desfavoráveis, a primeira coisa que acontece com a célula é o aumento de sua temperatura, e no conceito de circuito proposto, utilizamos essa característica do dispositivo para implementar as operações de segurança exigidas, onde a célula nunca pode atingir altas temperaturas mantendo os parâmetros bem abaixo das especificações exigidas da célula.

2) Usando LM317 como o IC controlador

Neste blog, encontramos muitos circuitos do carregador de bateria usando o IC LM317 e LM338 quais são os mais versáteis e os dispositivos mais adequados para as operações discutidas.

Aqui também empregamos o IC LM317, embora este dispositivo seja usado apenas para gerar a tensão regulada necessária e a corrente para a célula de íon de lítio conectada.

A função real de detecção é feita por um par de transistores NPN que são posicionados de forma que entrem em contato físico com a célula sob carga.

Olhando para o diagrama de circuito fornecido, temos três tipos de proteções simultaneamente:

Quando a energia é aplicada à configuração, o IC 317 restringe e gera uma saída igual a 3,9 V para a bateria de íons de lítio conectada.

1. O Resistor de 640 ohms garante que esta tensão nunca exceda o limite de carga total.
2. Dois transistores NPN conectados em um modo Darlington padrão ao pino ADJ do IC controlam a temperatura da célula.
3. Esses transistores também funcionam como limitador de corrente , evitando uma situação de sobrecorrente para a célula Li-Ion.

Sabemos que se o pino ADJ do IC 317 estiver aterrado, a situação desliga completamente a tensão de saída dele.

Isso significa que a conduta dos transistores causaria um curto-circuito do pino ADJ ao aterramento, fazendo com que a saída para a bateria fosse desligada.

Com o recurso acima em mãos, aqui o par Darlingtom executa algumas funções de segurança interessantes.

O resistor de 0,8 conectado em sua base e aterramento restringe a corrente máxima a cerca de 500 mA, se a corrente tende a exceder esse limite, a tensão através do resistor de 0,8 ohm torna-se suficiente para ativar os transistores que 'estrangulam' a saída do IC , e inibe qualquer aumento adicional na corrente. Isso, por sua vez, ajuda a evitar que a bateria receba quantidades indesejadas de corrente.

Usando a detecção de temperatura como parâmetro

No entanto, a principal função de segurança conduzida pelos transistores é detectar o aumento da temperatura da bateria de íons de lítio.

Os transistores, como todos os dispositivos semicondutores, tendem a conduzir corrente mais proporcionalmente com o aumento da temperatura ambiente ou corporal.

Conforme discutido, esses transistores devem ser posicionados em contato físico próximo com a bateria.

Agora suponha que no caso de a temperatura da célula começar a subir, os transistores responderiam a isso e começariam a conduzir, a condução instantaneamente faria com que o pino ADJ do IC fosse submetido mais ao potencial de terra, resultando em diminuição da tensão de saída.

Com uma diminuição na tensão de carga, o aumento de temperatura da bateria de íons de lítio conectada também diminuiria. O resultado é um carregamento controlado da célula, garantindo que a célula nunca entre em situações de fuga e mantendo um perfil de carregamento seguro.

O circuito acima funciona com o princípio de compensação de temperatura, mas não incorpora um recurso de corte automático de sobrecarga e, portanto, a tensão máxima de carga está sendo fixada em 4,1 V.

Sem Compensação de Temperatura

Se quiser evitar aborrecimentos com o controle da temperatura, você pode simplesmente ignorar o par Darlington de BC547 e usar um único BC547.

Agora, isso funcionará apenas como uma fonte de corrente / tensão controlada para a célula Li-Ion. Aqui está o design modificado necessário.

O transformador pode ser um transformador de 0-6 / 9 / 12V

Visto que aqui o controle de temperatura não é empregado, certifique-se de que o valor Rc esteja corretamente dimensionado para uma taxa de 0,5 ° C. Para isso, você pode usar a seguinte fórmula:

Rc = 0,7 / 50% do valor Ah

Suponha que o valor Ah seja impresso como 2800 mAh. Então, a fórmula acima pode ser resolvida como:

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

A potência será de 0,7 x 1,4 = 0,98, ou simplesmente 1 watt.

Da mesma forma, certifique-se de que a predefinição 4k7 esteja ajustada para 4,1 V exatos nos terminais de saída.

Assim que os ajustes acima forem feitos, você pode carregar a bateria de íon de lítio pretendida com segurança, sem se preocupar com qualquer situação desagradável.

Uma vez que, com 4,1 V não podemos assumir que a bateria está totalmente carregada.

Para contrariar a desvantagem acima, uma facilidade de corte automático torna-se mais favorável do que o conceito acima.

Eu discuti muitos circuitos de carregadores automáticos op amp neste blog, qualquer um deles pode ser aplicado para o design proposto, mas como estamos interessados ​​em manter o design barato e fácil, uma ideia alternativa mostrada abaixo pode ser tentada.

Empregando um SCR para o Cut-Off

Se você estiver interessado em ter apenas um desligamento automático, sem monitoramento de temperatura, você pode tentar o design baseado em SCR explicado abaixo. O SCR é usado no ADJ e no aterramento do IC para uma operação de travamento. O portão é equipado com a saída de modo que, quando o potencial atinge cerca de 4,2 V, o SCR dispara e se liga, cortando a energia da bateria permanentemente.

O limite pode ser ajustado da seguinte maneira:

Inicialmente, mantenha o pré-ajuste 1K ajustado ao nível do solo (extrema direita), aplique uma fonte de tensão externa de 4,3 V nos terminais de saída.
Agora, lentamente, ajuste o preset até que o SCR apenas dispare (LED aceso).

Isso define o circuito para a ação de desligamento automático.

Como configurar o circuito acima

Inicialmente, mantenha o braço deslizante central do preset tocando o trilho de aterramento do circuito.

Agora, sem conectar o interruptor da bateria na energia, verifique a tensão de saída que mostraria naturalmente o nível de carga total conforme definido pelo resistor de 700 ohms.

Em seguida, ajuste a predefinição com muita habilidade e cuidado até que o SCR seja acionado, desligando a tensão de saída para zero.

É isso, agora você pode assumir que o circuito está pronto.

Conecte uma bateria descarregada, ligue a alimentação e verifique a resposta; presumivelmente, o SCR não disparará até que o limite definido seja alcançado e desligará assim que a bateria atingir o limite de carga total definido.

3) Circuito do carregador de bateria de íon-lítio usando IC 555

O segundo design simples explica um circuito de carregador de bateria de íon de lítio automático direto, porém preciso, usando o onipresente IC 555.

O carregamento da bateria de íon-lítio pode ser crítico

Uma bateria de íon-lítio, como todos sabemos, precisa ser carregada em condições controladas, se for carregada de forma normal pode causar danos ou até mesmo explosão da bateria.

Basicamente, as baterias de íon-lítio não gostam de carregar demais suas células. Assim que as células atingirem o limite superior, a tensão de carga deve ser cortada.

O circuito do carregador de bateria de íon de lítio a seguir segue com muita eficiência as condições acima, de modo que a bateria conectada nunca exceda seu limite de sobrecarga.

Quando o IC 555 é usado como um comparador, seu pino # 2 e pino # 6 tornam-se entradas de detecção eficazes para detectar os limites de tensão inferior e superior, dependendo da configuração dos pré-ajustes relevantes.

O pino 2 monitora o nível de limite de baixa tensão e dispara a saída para uma lógica alta no caso de o nível cair abaixo do limite definido.

Por outro lado, o pino 6 monitora o limite de tensão superior e reverte a saída para baixo ao detectar um nível de tensão mais alto do que o limite de detecção alto definido.

Basicamente, as ações superior de corte e inferior de LIGAR devem ser definidas com a ajuda dos presets relevantes que satisfaçam as especificações padrão do IC, bem como da bateria conectada.

A predefinição relativa ao pino # 2 deve ser definida de modo que o limite inferior corresponda a 1/3 do Vcc e, da mesma forma, a predefinição associada ao pino # 6 deve ser definida de modo que o limite superior de corte corresponda a 2/3 do Vcc, como de acordo com as regras padrão do IC 555.

Como funciona

Todo o funcionamento do circuito do carregador de íons de lítio proposto usando IC 555 ocorre conforme explicado na seguinte discussão:

Vamos supor que uma bateria de íon-lítio totalmente descarregada (em torno de 3,4 V) esteja conectada na saída do circuito mostrado abaixo.

Presumindo que o limite inferior seja definido em algum lugar acima do nível de 3,4 V, o pino 2 imediatamente detecta a situação de baixa tensão e aumenta a saída no pino 3.

A alta no pino 3 ativa o transistor que liga a alimentação de entrada da bateria conectada.

A bateria agora começa a carregar gradualmente.

Assim que a bateria atinge a carga total (@ 4,2 V), assumindo que o limite superior de corte no pino # 6 seja definido em cerca de 4,2 V, o nível é detectado no pino # 6, que reverte imediatamente a saída para baixo.

A saída baixa desliga instantaneamente o transistor, o que significa que a entrada de carga agora está inibida ou cortada para a bateria.

A inclusão de um estágio de transistor fornece a facilidade de carregar células de íons de lítio de corrente mais alta também.

O transformador deve ser selecionado com tensão não superior a 6 V e classificação de corrente 1/5 da classificação AH da bateria.

Diagrama de circuito

Se você acha que o design acima é muito complexo, você pode tentar o seguinte design, que parece muito mais simples:

Como configurar o circuito

Conecte uma bateria totalmente carregada nos pontos mostrados e ajuste a predefinição de modo que o relé desative da posição N / C para N / O ... faça isso sem conectar nenhuma entrada CC de carga ao circuito.

Uma vez feito isso, você pode assumir que o circuito está configurado e utilizável para um corte automático da bateria quando totalmente carregada.

Durante o carregamento real, certifique-se de que a corrente de entrada de carregamento seja sempre inferior à classificação AH da bateria, o que significa que se supor que o AH da bateria seja 900mAH, a entrada não deve ser superior a 500mA.

A bateria deve ser removida assim que o relé se DESLIGAR para evitar a autodescarga da bateria através do pré-ajuste 1K.

IC1 = IC555

Todos os resistores são 1/4 watt CFR

Pinagem IC 555

Conclusão

Embora os projetos apresentados acima sejam todos tecnicamente corretos e executem as tarefas de acordo com as especificações propostas, eles na verdade parecem um exagero.

Uma maneira simples, mas eficaz e segura de carregar uma célula de íon de lítio é explicada neste post , e este circuito pode ser aplicável a todas as formas de baterias, uma vez que atende perfeitamente a dois parâmetros cruciais: corrente constante e corte automático de carga total. Presume-se que uma tensão constante esteja disponível na fonte de carregamento.

4) Carregar muitas baterias de íon-lítio

O artigo explica um circuito simples que pode ser usado para carregar pelo menos 25 nos de células de íons de lítio em paralelo rapidamente, a partir de uma única fonte de voltagem, como uma bateria de 12 V ou um painel solar de 12 V.

A ideia foi solicitada por um dos seguidores entusiastas deste blog, vamos ouvir:

Carregar várias baterias de íon-lítio juntas

Você pode me ajudar a projetar um circuito para carregar 25 baterias de células li-on (3,7v- 800mA cada) ao mesmo tempo. Minha fonte de alimentação é de bateria 12v- 50AH. Também me diga quantos amperes da bateria de 12v seriam consumidos por hora com essa configuração ... obrigado antecipadamente.

O design

Quando se trata de carregamento, as células de íon-lítio exigem parâmetros mais rigorosos em comparação com as baterias de chumbo-ácido.

Isso se torna especialmente crucial porque as células de íon-lítio tendem a gerar uma quantidade considerável de calor no decorrer do processo de carregamento e, se essa geração de calor for além do controle, pode causar sérios danos à célula ou até mesmo uma possível explosão.

No entanto, uma coisa boa sobre as células de íon-lítio é que elas podem ser carregadas com uma taxa de 1C total inicialmente, ao contrário das baterias de chumbo-ácido que não permitem uma taxa de carregamento superior a C / 5.

A vantagem acima permite que as células de íons de lítio sejam carregadas a uma taxa 10 vezes mais rápida do que a contraparte de chumbo-ácido.

Conforme discutido acima, uma vez que o gerenciamento de calor se torna a questão crucial, se esse parâmetro for controlado de forma adequada, o resto das coisas se torna muito simples.

Isso significa que podemos carregar as células de íons de lítio a uma taxa total de 1C sem ser incomodados com nada, desde que tenhamos algo que monitore a geração de calor dessas células e inicie as medidas corretivas necessárias.

Tentei implementar isso anexando um circuito sensor de calor separado que monitora o calor das células e regula a corrente de carga caso o calor comece a se desviar dos níveis seguros.

O controle da temperatura na taxa de 1C é crucial

O primeiro diagrama de circuito abaixo mostra um circuito sensor de temperatura preciso usando o IC LM324. Três de seus opamps foram empregados aqui.

O diodo D1 é um 1N4148 que efetivamente atua como sensor de temperatura aqui. A voltagem através deste diodo cai 2mV com cada aumento de grau na temperatura.

Essa mudança na tensão em D1 faz com que A2 mude sua lógica de saída, que por sua vez inicia A3 para aumentar gradualmente sua tensão de saída de forma correspondente.

A saída de A3 é conectada a um LED optoacoplador. De acordo com a configuração de P1, a saída de A4 tende a aumentar em resposta ao calor da célula, até que eventualmente o LED conectado acenda e o transistor interno do opto conduza.

Quando isso acontece, o opto transistor fornece 12 V ao circuito do LM338 para iniciar as ações corretivas necessárias.

O segundo circuito mostra uma fonte de alimentação regulada simples usando o IC LM338. O potenciômetro de 2k2 é ajustado para produzir exatamente 4,5 V nas células de íons de lítio conectadas.

O circuito IC741 anterior é um circuito de corte de sobrecarga que monitora a carga das células e desconecta a alimentação quando atinge mais de 4,2V.

O BC547 à esquerda próximo ao ICLM338 é introduzido para aplicar as ações corretivas apropriadas quando as células começarem a esquentar.

Caso as células comecem a ficar muito quentes, o suprimento do sensor de temperatura optoacoplador atinge o transistor LM338 (BC547), o transistor conduz e desliga instantaneamente a saída do LM338 até que a temperatura desça aos níveis normais, este processo continua até o as células ficam totalmente carregadas quando o IC 741 ativa e desconecta as células permanentemente da fonte.

Em todas as 25 células podem ser conectadas a este circuito em paralelo, cada linha positiva deve incorporar um diodo separado e um resistor de 5 Ohm e 1 watt para distribuição igual de carga.

Todo o pacote de células deve ser fixado sobre uma plataforma de alumínio comum para que o calor seja dissipado uniformemente sobre a placa de alumínio.

D1 deve ser colado apropriadamente sobre esta placa de alumínio para que o calor dissipado seja perfeitamente detectado pelo sensor D1.

Carregador automático de células de íons de lítio e circuito controlador.

Conclusão

• Os critérios básicos que precisam ser mantidos para qualquer bateria são: carregar em temperaturas convenientes e cortar o fornecimento assim que atingir a carga total. É o básico que você precisa seguir, independentemente do tipo de bateria. Você pode monitorar isso manualmente ou torná-lo automático, em ambos os casos sua bateria carregará com segurança e terá uma vida mais longa.
• A corrente de carga / descarga é responsável pela temperatura da bateria, se esta for muito alta em comparação com a temperatura ambiente, então sua bateria sofrerá muito a longo prazo.
• O segundo fator importante é nunca permitir que a bateria descarregue muito. Continue restaurando o nível de carga total ou continue aumentando sempre que possível. Isso garantirá que a bateria nunca alcance seus níveis mais baixos de descarga.
• Se você achar difícil monitorar isso manualmente, você pode ir para um circuito automático, conforme descrito nesta página .

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