4 circuitos simples de cargador de batería de iones de litio: con LM317, NE555, LM324

4 circuitos simples de cargador de batería de iones de litio: con LM317, NE555, LM324

La siguiente publicación explica cuatro formas sencillas pero seguras de cargar una batería de iones de litio utilizando circuitos integrados ordinarios como LM317 y NE555 que cualquier aficionado nuevo puede construir fácilmente en casa.

Aunque las baterías de iones de litio son dispositivos vulnerables, estos pueden cargarse mediante circuitos más simples si la velocidad de carga no provoca un calentamiento significativo de la batería y si al usuario no le importa un ligero retraso en el período de carga de la celda.

Para los usuarios que desean una carga rápida de la batería, no deben utilizar los conceptos que se explican a continuación, sino que pueden emplear uno de estos diseños inteligentes profesionales .



Datos básicos sobre la carga de iones de litio

Antes de aprender los procedimientos de construcción de un cargador de iones de litio, sería importante que conozcamos los parámetros básicos relacionados con la carga de la batería de iones de litio.

A diferencia de la batería de plomo-ácido, una batería de iones de litio se puede cargar a corrientes iniciales significativamente altas que pueden llegar hasta la clasificación Ah de la propia batería. Esto se denomina carga a una tasa de 1C, donde C es el valor Ah de la batería.

Dicho esto, nunca es recomendable utilizar esta tarifa extrema, ya que esto supondría cargar la batería en condiciones de alto estrés por aumento de temperatura. Por lo tanto, una tasa de 0,5 ° C se considera un valor estándar recomendado.

0.5C significa una tasa de corriente de carga que es el 50% del valor Ah de la batería. En condiciones de verano tropical, incluso esta tasa puede convertirse en una tasa desfavorable para la batería debido a la alta temperatura ambiente existente.

¿La carga de una batería de iones de litio requiere consideraciones complejas?

Absolutamente no. En realidad, es una forma de batería extremadamente amigable y se cargará con consideraciones mínimas, aunque estas consideraciones mínimas son esenciales y deben seguirse sin falta.

Algunas consideraciones críticas pero fáciles de implementar son: corte automático en el nivel de carga completo, voltaje constante y suministro de entrada de corriente constante.

La siguiente explicación ayudará a comprender esto mejor.

El siguiente gráfico sugiere el procedimiento de carga ideal de una celda de iones de litio estándar de 3,7 V, con 4,2 V como nivel de carga completo.

Forma de onda de carga de iones de litio, gráfico, voltaje actual, traza de saturación.

Nivel 1 : En la etapa inicial n. ° 1, vemos que el voltaje de la batería aumenta de 0,25 V a 4,0 V en aproximadamente una hora a una tasa de carga de corriente constante de 1 amperio. Esto se indica con la línea AZUL. El 0.25 V es solo para fines indicativos, una celda real de 3.7 V nunca debe descargarse por debajo de 3 V.

Etapa 2: En la etapa # 2, la carga ingresa al estado de carga de saturación , donde el voltaje alcanza su nivel máximo de carga de 4,2 V y el consumo de corriente comienza a caer. Esta caída en la tasa actual continúa durante las próximas dos horas. La corriente de carga está indicada por la línea de puntos ROJA.

Etapa 3 : A medida que la corriente cae, alcanza su nivel más bajo, que es inferior al 3% de la clasificación Ah de la celda.

Una vez que esto sucede, el suministro de entrada se apaga y se permite que la celda se estabilice durante otra 1 hora.

Después de una hora, el voltaje de la celda indica el real Estado de carga o el SoC de la celda. El SoC de una celda o batería es el nivel de carga óptimo que ha alcanzado después de un curso de carga completa, y este nivel muestra el nivel real que se puede utilizar para una aplicación determinada.

En este estado, podemos decir que la condición de la celda está lista para usarse.

Etapa # 4 : En situaciones en las que la celda no se utiliza durante períodos prolongados, se aplica de vez en cuando una carga de recarga, en la que la corriente consumida por la celda es inferior al 3% de su valor Ah.

Recuerde, aunque el gráfico muestra que la celda se está cargando incluso después de haber alcanzado los 4.2 V, eso es estrictamente no recomendado durante la carga práctica de una celda de Li-Ion . El suministro debe cortarse automáticamente tan pronto como la celda alcance el nivel de 4.2 V.

Entonces, ¿qué sugiere básicamente el gráfico?

  1. Use una fuente de entrada que tenga una corriente fija y una salida de voltaje fija, como se discutió anteriormente. (Por lo general, esto puede ser = voltaje 14% más alto que el valor impreso, corriente 50% del valor Ah, una corriente más baja que esto también funcionará bien, aunque el tiempo de carga aumentará proporcionalmente)
  2. El cargador debe tener un corte automático al nivel de carga completo recomendado.
  3. Es posible que no se requiera la gestión o el control de la temperatura para la batería si la corriente de entrada está restringida a un valor que no provoque el calentamiento de la batería.

Si no tiene un corte automático, simplemente restrinja la entrada de voltaje constante a 4.1 V.

1) El cargador de iones de litio más simple con un solo MOSFET

Si está buscando un circuito de cargador de iones de litio más barato y simple, entonces no puede haber una mejor opción que esta.

Este diseño no tiene regulación de temperatura, por lo que se recomienda una corriente de entrada más baja.

Un solo MOSFET, un ajuste preestablecido o recortador y una resistencia de 470 ohmios de 1/4 vatios es todo lo que necesita para hacer un circuito de carga simple y seguro.

Antes de conectar la salida a una celda de Li-Ion, asegúrese de un par de cosas.

1) Dado que el diseño anterior no incorpora regulación de temperatura, la corriente de entrada debe restringirse a un nivel que no cause un calentamiento significativo de la celda.

2) Ajuste el valor predeterminado para obtener exactamente 4,1 V a través de los terminales de carga donde se supone que está conectada la celda. Una excelente manera de solucionar esto es conectar un diodo Zener preciso en lugar del preajuste y reemplazar los 470 ohmios con una resistencia de 1 K.

Para la corriente, normalmente una entrada de corriente constante de alrededor de 0,5 ° C sería la correcta, es decir, el 50% del valor mAh de la celda.

Agregar un controlador de corriente

Si la fuente de entrada no está controlada por corriente, en ese caso podemos actualizar rápidamente el circuito anterior con una etapa de control de corriente BJT simple como se muestra a continuación:

RX = 07 / Corriente de carga máxima

Ventaja de la batería de iones de litio

La principal ventaja de las celdas de iones de litio es su capacidad para aceptar cargas a un ritmo rápido y eficiente. Sin embargo, las celdas de iones de litio tienen la mala reputación de ser demasiado sensibles a entradas desfavorables como alto voltaje, alta corriente y, lo que es más importante, sobre las condiciones de carga.

Cuando se carga en cualquiera de las condiciones anteriores, la celda puede calentarse demasiado y, si las condiciones persisten, puede provocar una fuga del fluido de la celda o incluso una explosión, dañando finalmente la celda de forma permanente.

Bajo cualquier condición de carga desfavorable lo primero que le ocurre a la celda es el aumento de temperatura, y en el concepto de circuito propuesto utilizamos esta característica del dispositivo para implementar las operaciones de seguridad requeridas, donde nunca se permite que la celda alcance altas temperaturas manteniendo los parámetros muy por debajo de las especificaciones requeridas de la celda.

2) Uso de LM317 como controlador IC

En este blog nos hemos topado con muchas Circuitos del cargador de batería usando el IC LM317 y LM338 cuáles son los dispositivos más versátiles y adecuados para las operaciones comentadas.

Aquí también empleamos el IC LM317, aunque este dispositivo se usa solo para generar el voltaje regulado requerido y la corriente para la celda de Li-Ion conectada.

La función de detección real se realiza mediante un par de transistores NPN que se colocan de manera que entren en contacto físico con la celda bajo carga.

Mirando el diagrama de circuito dado, obtenemos tres tipos de protecciones simultaneamente:

Cuando se aplica energía a la configuración, el IC 317 restringe y genera una salida igual a 3.9V a la batería de iones de litio conectada.

  1. los Resistencia de 640 ohmios se asegura de que este voltaje nunca exceda el límite de carga total.
  2. Dos transistores NPN conectados en un modo Darlington estándar al pin ADJ del IC controlan la temperatura de la celda.
  3. Estos transistores también funcionan como limitador de corriente , evitando una situación de sobrecorriente para la celda de Li-Ion.

Sabemos que si el pin ADJ del IC 317 está conectado a tierra, la situación desconecta por completo el voltaje de salida.

Significa que si la conducta de los transistores causaría un cortocircuito del pin ADJ a tierra, provocando que la salida a la batería se apague.

Con la característica anterior en la mano, aquí el par Darlingtom realiza un par de funciones de seguridad interesantes.

La resistencia de 0.8 conectada a través de su base y tierra restringe la corriente máxima a alrededor de 500 mA, si la corriente tiende a exceder este límite, el voltaje a través de la resistencia de 0.8 ohmios se vuelve suficiente para activar los transistores que 'estrangulan' la salida del IC , e inhibe cualquier aumento adicional de la corriente. Esto, a su vez, ayuda a evitar que la batería reciba cantidades de corriente no deseadas.

Uso de la detección de temperatura como parámetro

Sin embargo, la principal función de seguridad que realizan los transistores es detectar el aumento de temperatura de la batería de iones de litio.

Los transistores, como todos los dispositivos semiconductores, tienden a conducir la corriente de manera más proporcional con el aumento de la temperatura ambiente o de su cuerpo.

Como se discutió, estos transistores deben colocarse en estrecho contacto físico con la batería.

Ahora suponga que en caso de que la temperatura de la celda comience a aumentar, los transistores responderían a esto y comenzarían a conducir, la conducción instantáneamente haría que el pin ADJ del IC se someta más al potencial de tierra, lo que resultará en una disminución en el voltaje de salida.

Con una disminución en el voltaje de carga, el aumento de temperatura de la batería de iones de litio conectada también disminuiría. El resultado es una carga controlada de la celda, asegurándose de que la celda nunca se escape y mantenga un perfil de carga seguro.

El circuito anterior funciona con el principio de compensación de temperatura, pero no incorpora una función de corte automático de sobrecarga y, por lo tanto, la tensión de carga máxima se fija en 4,1 V.

Sin compensación de temperatura

Si desea evitar las molestias del control de temperatura, simplemente puede ignorar el par Darlington de BC547 y usar un solo BC547 en su lugar.

Ahora, esto funcionará solo como un suministro controlado de corriente / voltaje para la celda de Li-Ion. Aquí está el diseño modificado requerido.

El transformador puede ser un transformador 0-6 / 9 / 12V

Dado que aquí no se emplea control de temperatura, asegúrese de que el valor Rc esté correctamente dimensionado para una tasa de 0,5 C. Para ello puede utilizar la siguiente fórmula:

Rc = 0,7 / 50% del valor Ah

Suponga que el valor Ah se imprime como 2800 mAh. Entonces la fórmula anterior podría resolverse como:

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

La potencia será 0,7 x 1,4 = 0,98, o simplemente 1 vatio.

Asimismo, asegúrese de que el valor predeterminado de 4k7 esté ajustado a 4.1 V exactos en los terminales de salida.

Una vez realizados los ajustes anteriores, puede cargar la batería de iones de litio deseada de forma segura, sin preocuparse por situaciones adversas.

Dado que a 4,1 V no podemos asumir que la batería esté completamente cargada.

Para contrarrestar el inconveniente anterior, una instalación de corte automático se vuelve más favorable que el concepto anterior.

He discutido muchos circuitos de carga automática de amplificadores operacionales en este blog, cualquiera de ellos se puede aplicar para el diseño propuesto, pero como estamos interesados ​​en mantener el diseño barato y fácil, se puede probar una idea alternativa que se muestra a continuación.

Emplear un SCR para el cut-off

Si está interesado en tener un corte automático únicamente, sin monitoreo de temperatura, puede probar el diseño basado en SCR que se explica a continuación. El SCR se usa a través del ADJ y tierra del IC para una operación de enclavamiento. La puerta está equipada con la salida de tal manera que cuando el potencial llega a aproximadamente 4.2V, el SCR se enciende y se enciende, cortando la energía a la batería de forma permanente.

El umbral puede ajustarse de la siguiente manera:

Inicialmente, mantenga el ajuste preestablecido de 1K ajustado al nivel del suelo (extremo derecho), aplique una fuente de voltaje externa de 4.3V en los terminales de salida.
Ahora ajuste lentamente el preajuste hasta que el SCR se active (LED iluminado).

Esto configura el circuito para la acción de apagado automático.

Cómo configurar el circuito anterior

Inicialmente mantenga el brazo deslizante central del preset tocando el riel de tierra del circuito.

Ahora, sin conectar el interruptor de la batería en ON, verifique el voltaje de salida que, naturalmente, mostraría el nivel de carga completo establecido por la resistencia de 700 ohmios.

A continuación, ajuste con mucha habilidad y suavidad el ajuste preestablecido hasta que el SCR simplemente dispare y corte el voltaje de salida a cero.

Eso es todo, ahora puede asumir que el circuito está todo listo.

Conecte una batería descargada, encienda la energía y verifique la respuesta; presumiblemente, el SCR no disparará hasta que se alcance el umbral establecido, y se apagará tan pronto como la batería alcance el umbral de carga completa establecido.

3) Circuito del cargador de batería de iones de litio con IC 555

El segundo diseño simple explica un circuito cargador de batería Li-Ion automático sencillo pero preciso que utiliza el omnipresente IC 555.

La carga de la batería de iones de litio puede ser crítica

Una batería de iones de litio, como todos sabemos, debe cargarse en condiciones controladas, si se carga con medios ordinarios podría provocar daños o incluso una explosión de la batería.

Básicamente, a las baterías de iones de litio no les gusta cargar demasiado sus celdas. Una vez que las células alcanzan el umbral superior, se debe cortar el voltaje de carga.

El siguiente circuito del cargador de baterías de iones de litio sigue de manera muy eficiente las condiciones anteriores, de modo que nunca se permite que la batería conectada exceda su límite de sobrecarga.

Cuando el IC 555 se utiliza como comparador, su patilla # 2 y su patilla # 6 se convierten en entradas de detección efectivas para detectar los límites de umbral de voltaje superior e inferior dependiendo de la configuración de los preajustes relevantes.

El pin n. ° 2 monitorea el nivel del umbral de voltaje bajo y activa la salida a una lógica alta en caso de que el nivel caiga por debajo del límite establecido.

Por el contrario, el pin n. ° 6 monitorea el umbral de voltaje superior y revierte la salida a baja al detectar un nivel de voltaje más alto que el límite de detección alto establecido.

Básicamente, las acciones de encendido de corte superior e inferior deben configurarse con la ayuda de los ajustes preestablecidos relevantes que satisfagan las especificaciones estándar del IC, así como la batería conectada.

El preajuste relativo al pin # 2 debe establecerse de manera que el límite inferior corresponda a 1/3 del Vcc, y de manera similar el preajuste asociado con el pin # 6 debe configurarse de modo que el límite de corte superior corresponda a 2/3 de Vcc, como según las reglas estándar del IC 555.

Cómo funciona

El funcionamiento completo del circuito del cargador de iones de litio propuesto que utiliza IC 555 se lleva a cabo como se explica en la siguiente discusión:

Supongamos que una batería de iones de litio completamente descargada (a alrededor de 3,4 V) está conectada a la salida del circuito que se muestra a continuación.

Suponiendo que el umbral inferior se establezca en algún lugar por encima del nivel de 3,4 V, el pin n. ° 2 detecta inmediatamente la situación de bajo voltaje y eleva la salida en el pin n. ° 3.

El alto en el pin # 3 activa el transistor que enciende la energía de entrada a la batería conectada.

La batería ahora comienza a cargarse gradualmente.

Tan pronto como la batería alcanza la carga completa (a 4,2 V), asumiendo que el umbral de corte superior en el pin n. ° 6 se establezca en alrededor de 4,2 v, el nivel se detecta en el pin n. ° 6 que inmediatamente revierte la salida a bajo.

La salida baja apaga instantáneamente el transistor, lo que significa que la entrada de carga ahora está inhibida o cortada a la batería.

La inclusión de una etapa de transistor proporciona la posibilidad de cargar también celdas de iones de litio de mayor corriente.

El transformador debe seleccionarse con un voltaje que no exceda los 6 V y una clasificación de corriente de 1/5 de la clasificación AH de la batería.

Diagrama de circuito

Si cree que el diseño anterior es mucho más complejo, puede probar el siguiente diseño, que parece mucho más simple:

Cómo configurar el circuito

Conecte una batería completamente cargada en los puntos mostrados y ajuste el valor predeterminado de manera que el relé simplemente se desactive de la posición N / C a N / O ... haga esto sin conectar ninguna entrada de CC de carga al circuito.

Una vez hecho esto, puede asumir que el circuito está configurado y se puede usar para un corte automático de suministro de batería cuando está completamente cargado.

Durante la carga real, asegúrese de que la corriente de entrada de carga sea siempre menor que la clasificación AH de la batería, lo que significa que si supone que el AH de la batería es de 900 mAH, la entrada no debe ser superior a 500 mA.

La batería debe retirarse tan pronto como el relé se apague para evitar la autodescarga de la batería a través del ajuste preestablecido de 1K.

IC1 = IC555

Todas las resistencias son CFR de 1/4 vatios

Pin del IC 555

Pin del IC 555

Conclusión

Aunque los diseños presentados anteriormente son todos técnicamente correctos y realizarán las tareas según las especificaciones propuestas, en realidad parecen excesivos.

Se explica una forma simple pero efectiva y segura de cargar una celda de iones de litio en esta publicación , y este circuito puede ser aplicable a todas las formas de baterías, ya que se ocupa perfectamente de dos parámetros cruciales: corriente constante y corte automático de carga completa. Se supone que está disponible un voltaje constante de la fuente de carga.

4) Carga de muchas baterías de iones de litio

El artículo explica un circuito simple que se puede usar para cargar al menos 25 nos de celdas de Li-Ion en paralelo juntas rápidamente, desde una sola fuente de voltaje, como una batería de 12V o un panel solar de 12V.

La idea fue solicitada por uno de los entusiastas seguidores de este blog, escuchémosla:

Carga de muchas baterías de iones de litio juntas

¿Me pueden ayudar a diseñar un circuito para cargar 25 baterías de celda de litio (3.7v- 800mA cada una) al mismo tiempo? Mi fuente de alimentación es de una batería de 12v- 50AH. También avíseme cuántos amperios de la batería de 12v se consumirían con esta configuración por hora ... gracias de antemano.

El diseño

Cuando se trata de cargar, las celdas de iones de litio requieren parámetros más estrictos en comparación con las baterías de plomo-ácido.

Esto se vuelve especialmente crucial porque las celdas de iones de litio tienden a generar una cantidad considerable de calor en el curso del proceso de carga, y si esta generación de calor se sale de control, puede provocar daños graves a la celda o incluso una posible explosión.

Sin embargo, una cosa buena acerca de las celdas de iones de litio es que se pueden cargar inicialmente a una tasa completa de 1C, a diferencia de las baterías de plomo-ácido que no permiten una tasa de carga superior a C / 5.

La ventaja anterior permite que las celdas de iones de litio se carguen a una velocidad 10 veces más rápida que la contraparte de plomo-ácido.

Como se mencionó anteriormente, dado que la gestión del calor se convierte en un tema crucial, si este parámetro se controla adecuadamente, el resto de las cosas se vuelven bastante simples.

Significa que podemos cargar las celdas de iones de litio a una velocidad máxima de 1C sin que nos molesten por nada, siempre que tengamos algo que controle la generación de calor de estas celdas e inicie las medidas correctivas necesarias.

Intenté implementar esto conectando un circuito sensor de calor separado que monitorea el calor de las celdas y regula la corriente de carga en caso de que el calor comience a desviarse de los niveles seguros.

Controlar la temperatura a una velocidad de 1 ° C es crucial

El primer diagrama de circuito a continuación muestra un circuito de sensor de temperatura preciso utilizando el IC LM324. Aquí se han empleado tres de sus amplificadores operacionales.

El diodo D1 es un 1N4148 que actúa efectivamente como sensor de temperatura aquí. El voltaje a través de este diodo cae 2 mV con cada grado de aumento de temperatura.

Este cambio en el voltaje en D1 hace que A2 cambie su lógica de salida, lo que a su vez inicia a A3 para aumentar gradualmente su voltaje de salida en consecuencia.

La salida de A3 está conectada a un optoacoplador LED. Según el ajuste de P1, la salida A4 tiende a aumentar en respuesta al calor de la celda, hasta que finalmente el LED conectado se enciende y el transistor interno del opto conduce.

Cuando esto sucede, el opto transistor suministra los 12V al circuito LM338 para iniciar las acciones correctivas necesarias.

El segundo circuito muestra una fuente de alimentación regulada simple usando el IC LM338. La olla de 2k2 se ajusta para producir exactamente 4,5 V a través de las celdas de iones de litio conectadas.

El circuito IC741 anterior es un circuito de corte de sobrecarga que monitorea la carga sobre las celdas y desconecta el suministro cuando llega a más de 4.2V.

Se introduce el BC547 a la izquierda cerca del ICLM338 para aplicar las acciones correctivas apropiadas cuando las celdas comienzan a calentarse.

En caso de que las celdas comiencen a calentarse demasiado, el suministro del optoacoplador del sensor de temperatura llega al transistor LM338 (BC547), el transistor conduce y apaga instantáneamente la salida LM338 hasta que la temperatura desciende a niveles normales, este proceso continúa hasta que las celdas se cargan completamente cuando el IC 741 se activa y desconecta las celdas de forma permanente de la fuente.

En las 25 celdas que se pueden conectar a este circuito en paralelo, cada línea positiva debe incorporar un diodo separado y una resistencia de 5 ohmios y 1 vatio para una distribución equitativa de la carga.

Todo el paquete de celdas debe fijarse sobre una plataforma de aluminio común para que el calor se disipe uniformemente sobre la placa de aluminio.

D1 debe pegarse apropiadamente sobre esta placa de aluminio para que el calor disipado sea detectado de manera óptima por el sensor D1.

Circuito controlador y cargador de celda de iones de litio automático.

Conclusión

  • Los criterios básicos que deben mantenerse para cualquier batería son: cargar a temperaturas convenientes y cortar el suministro tan pronto como alcance la carga completa. Eso es lo básico que debe seguir, independientemente del tipo de batería. Puede monitorear esto manualmente o hacerlo automático, en ambos casos su batería se cargará de manera segura y tendrá una vida más larga.
  • La corriente de carga / descarga es responsable de la temperatura de la batería, si son demasiado altas en comparación con la temperatura ambiente, la batería sufrirá mucho a largo plazo.
  • El segundo factor importante es nunca permitir que la batería se descargue demasiado. Siga restaurando el nivel de carga completo o siga llenándolo siempre que sea posible. Esto asegurará que la batería nunca alcance sus niveles más bajos de descarga.
  • Si le resulta difícil monitorear esto manualmente, puede optar por un circuito automático como se describe en esta página .

¿Tienes más dudas? Por favor déjelos pasar por el cuadro de comentarios a continuación.




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