4 circuitos de carregador de bateria de íon de lítio simples – usando LM317, NE555, LM324

A publicação a seguir explica quatro maneiras simples, mas seguras, de carregar uma bateria de íon de lítio usando circuitos integrados comuns, como o LM317 e o NE555, que qualquer novo hobby pode criar facilmente em casa.

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

Para usuários que exigem carregamento rápido da bateria, eles não devem usar os conceitos explicados abaixo, mas podem empregar um desses designs profissionais inteligentes.

Fatos básicos sobre a carga de íons de lítio

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

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

Dito isto, nunca é aconselhável usar essa velocidade extrema, pois isso significaria carregar a bateria em condições muito estressantes devido ao aumento da temperatura. Portanto, uma taxa de 0,5 ° C é considerada como um valor padrão recomendado.

0.5C significa uma taxa de corrente de carga que é 50% do valor Ah da bateria. Em condições de verão tropical, mesmo essa taxa pode se tornar 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 falhas.


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 você a entender isso melhor.

A tabela a seguir sugere o procedimento de carregamento ideal para uma célula de íon-lítio de 3.7V padrão, classificada como 4.2V como o nível de carga total.

Forma de onda de carga de íons de lítio, gráfico, tensão atual, rastreamento de saturação.Nível 1: No estágio inicial n. ° 1, vemos a tensão da bateria aumentar de 0,25V para 4,0V em cerca de uma hora a uma taxa de carga atual constante de 1 amp. Isso é indicado pela linha AZUL. 0,25V é apenas para fins indicativos, uma célula de 3,7V real nunca deve descarregar abaixo de 3V.

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

Etapa 3: À medida que a corrente cai, atinge seu nível mais baixo, que é inferior a 3% da classificação Ah da célula.

Quando isso acontece, o suprimento de entrada é desligado e a célula pode estabilizar por mais uma hora.

Após uma hora, a tensão da célula indica a verdadeira Status da cobrança ou SoC da célula. O SoC de uma célula ou bateria é o nível de carga ideal atingido após um curso completo de carga, e esse nível mostra o nível real que pode ser usado para uma determinada aplicação.

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

Etapa 4: Em situações em que a célula não é usada por longos períodos, uma carga de recarga é aplicada periodicamente, em que a corrente consumida pela célula é inferior a 3% do seu valor Ah.

Lembre-se, embora o gráfico mostre que a célula está carregando mesmo depois de atingir 4,2 V, isso é estritamente não recomendado durante o carregamento prático de uma célula de íon de lítio. O suprimento deve desligar automaticamente assim que a célula atingir o nível de 4,2V.

Então, o que o gráfico sugere basicamente?

  1. Use uma fonte de entrada que tenha uma corrente fixa e uma saída de tensão fixa, conforme discutido acima. (Geralmente, isso pode ser = tensão 14% maior que o valor impresso, corrente 50% do valor Ah, corrente menor 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. Pode não ser necessário monitorar ou controlar a temperatura da bateria se a corrente de entrada estiver restrita a um valor que não cause aquecimento da bateria.

Se você não tiver o desligamento automático, basta restringir a entrada de tensão constante a 4.1V.

1) O mais simples carregador de íons de lítio usando um único MOSFET

Se você estiver procurando por um circuito de carregador de íon de lítio mais barato e mais simples, não haverá opção melhor do que essa.

Esse projeto não possui regulação de temperatura; portanto, recomenda-se uma corrente de entrada mais baixa

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

Antes de conectar a saída a uma célula de íon de lítio, faça algumas coisas.

1) Como o projeto anterior não incorpora a regulação de 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 4,1V nos terminais de carga onde a célula deve estar conectada. Uma ótima maneira de corrigir isso é conectar um diodo zener preciso em vez da predefinição e substituir o 470 ohm por um resistor de 1K.

Para corrente, normalmente uma entrada de corrente constante de cerca de 0,5 C estaria correta, ou seja, 50% do valor de mAh da célula.

Adicionar um driver 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, como mostrado abaixo:

RX = 07 / corrente de carga máxima

Vantagem da bateria de íon de lítio

A principal vantagem das células de íons de lítio é sua capacidade de aceitar cargas a uma velocidade rápida e eficiente. No entanto, as células de íons de lítio têm uma má reputação por serem excessivamente sensíveis a entradas desfavoráveis, como alta tensão, alta corrente e, mais importante, condições de carregamento.

Quando carregada sob qualquer uma das condições acima, a célula pode superaquecer e, se as condições persistirem, pode causar um vazamento de fluido celular ou mesmo uma explosão, o que acabará por danificar permanentemente a célula.

Sob qualquer condição de carga desfavorável, a primeira coisa que acontece com a célula é o aumento de temperatura e, no conceito de circuito proposto, usamos esse recurso do dispositivo para implementar as operações de segurança necessárias, nas quais a célula nunca pode atingir níveis elevados. temperaturas mantendo os parâmetros bem abaixo das especificações exigidas da célula.

2) Usando o LM317 como controlador IC

Neste blog, encontramos muitos circuitos de carregadores de bateria que usam os ICs LM317 e LM338, que são os dispositivos mais versáteis e mais adequados para as operações discutidas.

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

A função de detecção real é realizada pelo par de transistores NPN que são posicionados de forma que entrem em contato físico com a célula de carga.

Olhando para o diagrama de circuitos, obtemos três tipos de proteções simultaneamente:

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

  1. O resistor de 640 ohm garante que essa tensão nunca exceda o limite de carga total.
  2. Dois transistores NPN conectados no modo padrão de Darlington ao pino ADJ do IC controlam a temperatura da célula.
  3. Esses transistores também funcionam como limitadores de corrente, evitando uma situação de sobrecorrente para a célula de íons de lítio.

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

Isso significa que, se o comportamento dos transistores reduzir o pino ADJ ao terra, a saída da bateria será desligada.

Com o recurso acima em mãos, aqui o par Darlingtom executa alguns recursos interessantes de segurança.

O resistor de 0,8 conectado em sua base e terra restringe a corrente máxima a cerca de 500 mA; se a corrente tende a exceder esse limite, a tensão no resistor de 0,8 ohm é suficiente para ativar os transistores “emperrados” “Saída IC e inibe qualquer aumento adicional de corrente. Isso, por sua vez, ajuda a impedir que a bateria receba quantidades indesejadas de corrente.

Use a detecção de temperatura como parâmetro

No entanto, a principal função de segurança que os transistores desempenham é detectar o aumento da temperatura da bateria de íons de lítio.

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

Como discutido, esses transistores devem ser colocados em contato físico próximo com a bateria.

Agora, suponha que, no caso de a temperatura da célula começar a subir, os transistores respondam a isso e comecem a acionar, a condução instantaneamente fará com que o pino ADJ do IC fique mais sujeito ao potencial de aterramento, resultando em uma diminuição na tensão de saída.

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

O circuito acima funciona com base no princípio da compensação de temperatura, mas não incorpora uma função de corte automático de sobrecarga e, portanto, a tensão máxima de carga está sendo definida em 4,1 V.

Sem compensação de temperatura

Se você quiser evitar os aborrecimentos do controle de temperatura, pode simplesmente ignorar o torque de Darlington do BC547 e usar um único BC547.

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

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

Como o controle de temperatura não é usado aqui, verifique se o valor Rc está 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. Portanto, a fórmula acima pode ser resolvida como:

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

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

Da mesma forma, verifique se a predefinição de 4k7 está definida para uma exata 4.1V nos terminais de saída.

Uma vez feitas as configurações acima, você pode carregar a bateria de íons de lítio com segurança, sem se preocupar com situações desagradáveis.

Desde então, a 4,1 V, não podemos assumir que a bateria esteja totalmente carregada.

Para combater a desvantagem acima, uma instalação de corte automático se torna mais favorável do que o conceito anterior.

Discutimos muitos circuitos de carregamento automático de op amp neste blog, qualquer um deles pode ser aplicado ao design proposto, mas como estamos interessados ​​em manter o design fácil e barato, você pode tentar uma idéia alternativa mostrada para continuação.

Usando um SCR para cortar

Se você estiver interessado em ter apenas o corte automático, sem monitoramento de temperatura, tente o design baseado em SCR explicado abaixo. O SCR é usado através do ADJ e do terra do IC para uma operação de bloqueio. O portão é equipado com a saída de forma que, quando o potencial atinge aproximadamente 4,2V, o SCR desarma e liga, cortando a energia da bateria permanentemente.

O limite pode ser ajustado da seguinte maneira:

Inicialmente, mantenha o valor padrão de 1K ajustado ao nível do solo (extrema direita), aplique uma fonte de tensão externa de 4.3V aos terminais de saída.
Agora ajuste lentamente a predefinição até o SCR simplesmente disparar (LED aceso).

Isso define o circuito para a ação de desligamento automático.

Como configurar o circuito acima

Inicialmente, mantenha o braço deslizante central da predefinição tocando no trilho de aterramento do circuito.

Agora, sem conectar o interruptor da bateria à energia, verifique a tensão de saída que mostrará naturalmente o nível de carga completo definido pelo resistor de 700 ohm.

Em seguida, ajuste com muita habilidade e delicadeza a predefinição até o SCR simplesmente disparar girando a tensão de saída para zero.

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

Conecte uma bateria descarregada, ligue a energia e verifique a resposta, presumivelmente o SCR não será acionado até que o limite definido seja atingido e será encerrado assim que a bateria atingir o limite de carga total definido.

3) Circuito do carregador de bateria de íon de lítio com IC 555

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

Carregar a bateria de íon de lítio pode ser crítico

Uma bateria de íon de lítio, como todos sabemos, deve ser carregada sob condições controladas, se carregada com meios normais, pode causar danos ou até mesmo a explosão da bateria.

Basicamente, as baterias de íon-lítio não gostam de sobrecarregar suas células. Quando as células atingirem o limite superior, a tensão de carregamento deve ser cortada.

O seguinte circuito do carregador de bateria de íon de lítio segue muito eficientemente as condições acima, para que a bateria conectada nunca possa exceder seu limite de sobrecarga.

Quando o IC 555 é usado como um comparador, seus pinos 2 e 6 tornam-se entradas de detecção eficazes para detectar limites de tensão superior e inferior, dependendo da configuração das predefinições relevantes.

O pino 2 monitora o nível do limiar de baixa tensão e ativa a saída com lógica alta, caso o nível caia abaixo do limite definido.

Por outro lado, o pino 6 monitora o limite superior de tensão e reverte a saída para baixa detectando um nível de tensão superior ao limite alto de detecção definido.

Basicamente, as ações do interruptor de corte superior e inferior ON devem ser configuradas com a ajuda de predefinições relevantes que atendam às especificações padrão do IC, bem como à bateria conectada.

A predefinição relacionada ao pino nº 2 deve ser configurada para que o limite inferior corresponda a 1/3 Vcc e, da mesma forma, a predefinição associada ao pino nº 6 deve ser configurada para que o limite superior de corte corresponda a 2 / 3 Vcc, conforme as regras padrão do IC 555.

Como funciona

A operação completa do circuito do carregador de íons de lítio proposto com o IC 555 é realizada conforme explicado na discussão a seguir:

Suponha que uma bateria de íon de lítio totalmente descarregada (a cerca de 3,4 V) esteja conectada à saída do circuito mostrada abaixo.

Supondo que o limite mais baixo esteja definido em algum lugar acima do nível de 3,4 V, o pino 2 detecta imediatamente a situação de baixa tensão e eleva a saída para o pino 3.

O alto valor no pino nº 3 liga o transistor que liga a energia de entrada da bateria conectada.

A bateria agora começa a carregar gradualmente.

Assim que a bateria atinge a carga máxima (@ 4,2V), assumindo que o limite superior de corte no pino # 6 esteja definido em cerca de 4,2v, 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 carregamento agora é inibida ou cortada na bateria.

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

O transformador deve ser selecionado com uma tensão que não exceda 6 V e uma corrente nominal de 1/5 da faixa AH da bateria.

Diagrama de circuito

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

Como configurar o circuito

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

Feito isso, você pode assumir que o circuito está configurado e utilizável para o desligamento automático da fonte de bateria quando esta estiver totalmente carregada.

Durante o carregamento real, verifique se a corrente de entrada de carregamento é sempre menor que a classificação AH da bateria, o que significa que, se a bateria AH for de 900 mAH, a entrada não deve exceder 500 mA.

A bateria deve ser removida assim que o relé desligar, para impedir a auto-descarga da bateria através do valor padrão de 1K.

IC1 = IC555

Todos os resistores são CFR de 1/4 watt

Pinagem IC 555

Pinagem IC 555conclusão

Embora os projetos apresentados acima sejam tecnicamente corretos e executem as tarefas com as especificações propostas, eles realmente aparecem como um exagero.

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

4) Carga de muitas baterias de íon de lítio

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

A idéia foi solicitada por um dos seguidores entusiasmados deste blog, vamos ouvir:

Carregando muitas baterias de íon de 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 bateria 12v-50AH. Além disso, deixe-me saber quantos amplificadores da bateria de 12v seriam usados ​​com essa configuração por hora … obrigado antecipadamente.

O desenho

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

Isso se torna especialmente crucial porque as células de íons de 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, poderá causar sérios danos à célula ou até mesmo explosão.

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

A vantagem acima permite que as células de íons de lítio sejam carregadas 10 vezes mais rápido que o equivalente de chumbo-ácido.

Como discutido acima, como o gerenciamento de calor se torna o problema crucial, se esse parâmetro for controlado adequadamente, o restante das coisas fica bem simples.

Isso significa que podemos carregar as células de íons de lítio a uma velocidade máxima de 1 ° C sem nos preocupar com nada, desde que tenhamos algo para monitorar a geração de calor dessas células e iniciar as medidas corretivas necessárias.

Tentei implementar isso conectando um circuito sensor de calor separado que monitora o calor nas células e regula a corrente de carga no caso de o calor começar a flutuar de níveis seguros.

Controlar a temperatura a uma velocidade de 1 ° C é crucial

O primeiro diagrama de circuito abaixo mostra um circuito preciso do sensor de temperatura usando o IC LM324. Três de seus amplificadores operacionais foram usados ​​aqui.

O diodo D1 é um 1N4148 que atua efetivamente como um sensor de temperatura aqui. A tensão nesse diodo cai para 2mV a cada aumento de temperatura em cada grau.

Essa mudança de 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 acordo.

A saída A3 está conectada a um LED do acoplador óptico. Dependendo da configuração P1, a saída A4 tende a aumentar em resposta ao calor da célula, até que finalmente o LED conectado acenda e o transistor interno dos optocondutores.

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

O segundo circuito mostra uma fonte de alimentação regulada simples usando o IC LM338. A caixa 2k2 é ajustada para produzir exatamente 4,5V através das células de íons de lítio conectadas.

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

O BC547 é introduzido à esquerda, próximo ao ICLM338, para aplicar ações corretivas apropriadas quando as células começam a aquecer.

No caso de as células começarem a ficar muito quentes, o suprimento do acoplador óptico do sensor de temperatura atinge o transistor LM338 (BC547), o transistor liga e desliga instantaneamente a saída do LM338 até a temperatura cair para níveis normais, esse processo continua até que as células estão totalmente carregadas quando o IC 741 é ativado e desconecta permanentemente as células da fonte.

Nas 25 células que 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 uniforme da carga.

Todo o pacote de células deve ser fixado em uma plataforma de alumínio comum, para que o calor se dissipe uniformemente na placa de alumínio.

O D1 deve ser colado adequadamente nesta placa de alumínio para que o sensor D1 detecte de maneira ideal o calor dissipado.

Carregador de célula de íon de lítio automático e circuito controlador.

conclusão

  • Os critérios básicos que devem ser mantidos para qualquer bateria são: carregar em temperaturas convenientes e interromper o fornecimento assim que a carga total for atingida. Esse é o básico a seguir, independentemente do tipo de bateria. Você pode controlar isso manualmente ou torná-lo automático. Nos dois casos, a bateria será carregada com segurança e terá uma vida útil mais longa.
  • A corrente de carga / descarga é responsável pela temperatura da bateria; se estas forem muito altas em comparação com a temperatura ambiente, a bateria sofrerá muito a longo prazo.
  • O segundo fator importante é nunca permitir que a bateria descarregue demais. Continue restaurando o nível de carga completo ou reabasteça sempre que possível. Isso garantirá que a bateria nunca atinja seus níveis mais baixos de descarga.
  • Se você achar difícil monitorar isso manualmente, poderá optar por um circuito automático, conforme descrito nesta página.

Você tem mais alguma pergunta? Deixe-os passar pela caixa de comentários abaixo.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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