4 jednoduché obvody nabíječky baterií Li-Ion - pomocí LM317, NE555, LM324

Následující příspěvek vysvětluje čtyři jednoduchý, ale bezpečný způsob nabíjení lithium-iontové baterie pomocí běžných integrovaných obvodů, jako jsou LM317 a NE555, které může každý nový fanda snadno postavit doma.

Ačkoli jsou Li-Ion baterie zranitelnými zařízeními, lze je nabíjet pomocí jednodušších obvodů, pokud rychlost nabíjení nezpůsobí výrazné zahřátí baterie a pokud uživateli nevadí mírné zpoždění v době nabíjení článku.

Pro uživatele, kteří chtějí rychlé nabití baterie, nesmí používat níže vysvětlené koncepty, místo toho mohou použít jeden z nich profesionální chytré návrhy .

Základní fakta o nabíjení Li-Ion

Než se seznámíme s konstrukčními postupy Li-Ion nabíječky, bylo by pro nás důležité znát základní parametry týkající se nabíjení Li-Ion baterie.

Na rozdíl od olověné baterie lze baterii Li-Ion nabíjet při výrazně vysokých počátečních proudech, které mohou dosahovat až hodnoty Ah samotné baterie. Toto se nazývá nabíjení rychlostí 1 ° C, kde C je hodnota Ah baterie.

Z tohoto důvodu se nikdy nedoporučuje používat tuto extrémní rychlost, protože by to znamenalo nabíjení baterie za velmi stresujících podmínek v důsledku zvýšení její teploty. Sazba 0,5 ° C se proto považuje za standardní doporučenou hodnotu.

0,5 C znamená rychlost nabíjecího proudu, která je 50% hodnoty Ah baterie. V tropických letních podmínkách se i tato rychlost může v důsledku vysoké okolní teploty změnit na nepříznivou pro baterii.

Vyžaduje nabíjení lithium-iontové baterie složité aspekty?

Rozhodně ne. Je to vlastně extrémně přátelská forma baterie a bude nabitá s minimálními úvahami, i když tyto minimální úvahy jsou zásadní a je třeba je bezpodmínečně dodržovat.

Několik důležitých, ale snadno implementovatelných úvah je: automatické odpojení na úrovni plného nabití, konstantní napětí a napájení konstantním proudem.

Následující vysvětlení to pomůže lépe pochopit.

Následující graf naznačuje ideální postup nabíjení standardního 3,7 V lithium-iontového článku s hodnocením 4,2 V jako úrovně úplného nabití.

Fáze # 1 : V počáteční fázi # 1 vidíme, že napětí baterie vzroste z úrovně 0,25 V na 4,0 V přibližně za jednu hodinu při rychlosti nabíjení konstantním proudem 1 ampér. To je označeno MODROU čarou. 0,25 V je pouze orientační, skutečný 3,7 V článek by nikdy neměl být vybit pod 3 V.

Fáze # 2: Ve fázi 2 vstupuje nabíjení do stav nabití saturace , kde napětí vrcholí na plnou úroveň nabití 4,2 V a spotřeba proudu začíná klesat. Tento pokles aktuální sazby pokračuje dalších pár hodin. Nabíjecí proud je označen ČERVENOU tečkovanou čarou.

Fáze # 3 : Jak proud klesá, dosahuje nejnižší úrovně, která je nižší než 3% hodnocení Ah v buňce.

Jakmile k tomu dojde, vstupní napájení se vypne a buňka se nechá usadit další 1 hodinu.

Po jedné hodině napětí buňky označuje skutečnou hodnotu State-of-Charge nebo SoC buňky. SoC článku nebo baterie je optimální úroveň nabití, které bylo dosaženo po úplném nabití, a tato úroveň ukazuje skutečnou úroveň, kterou lze pro danou aplikaci použít.

V tomto stavu můžeme říci, že stav buňky je připraven k použití.

Fáze # 4 : V situacích, kdy se článek delší dobu nepoužívá, se čas od času použije dobíjecí nabíjení, přičemž proud spotřebovaný článkem je pod 3% jeho hodnoty Ah.

Nezapomeňte, že i když graf ukazuje nabitý článek, i když dosáhl 4,2 V, to je při praktickém nabíjení Li-Ion článku se přísně nedoporučuje . Napájecí zdroj musí být automaticky odpojen, jakmile článek dosáhne úrovně 4,2 V.

Co tedy graf v podstatě navrhuje?

1. Použijte vstupní zdroj, který má výstup s pevným proudem a pevným napětím, jak je uvedeno výše. (Typicky to může být = Napětí o 14% vyšší než tištěná hodnota, Proud 50% hodnoty Ah, nižší proud než tento bude také dobře fungovat, i když se čas nabíjení úměrně zvýší)
2. Nabíječka by měla mít automatické vypnutí při doporučené plné úrovni nabití.
3. Řízení teploty nebo řízení baterie nemusí být vyžadováno, pokud je vstupní proud omezen na hodnotu, která nezpůsobí zahřátí baterie

Pokud nemáte automatické vypnutí, jednoduše omezte vstup konstantního napětí na 4,1 V.

1) Nejjednodušší Li-Ion nabíječka pomocí jediného MOSFETu

Pokud hledáte nejlevnější a nejjednodušší nabíjecí obvod Li-Ion, pak nemůže existovat lepší volba než tato.

Toto provedení je bez regulace teploty, proto se doporučuje nižší vstupní proud

Jediný MOSFET, předvolba nebo trimr a rezistor 470 ohmů 1/4 wattů je vše, co potřebujete k vytvoření jednoduchého a bezpečného obvodu nabíječky.

Před připojením výstupu k Li-Ion článku se ujistěte pár věcí.

1) Protože výše uvedená konstrukce nezahrnuje regulaci teploty, musí být vstupní proud omezen na úroveň, která nezpůsobí výrazné zahřátí článku.

2) Upravte předvolbu tak, aby na nabíjecí svorky, kde má být článek připojen, bylo přesně 4,1 V. Skvělým způsobem, jak to opravit, je připojit přesnou zenerovou diodu namísto předvolby a nahradit 470 ohmů odporem 1 K.

Pro proud by typicky stálý proudový vstup kolem 0,5 C byl správný, to je 50% hodnoty mAh buňky.

Přidání aktuálního řadiče

Pokud vstupní zdroj není řízen proudem, v takovém případě můžeme rychle upgradovat výše uvedený obvod pomocí jednoduchého stupně řízení proudu BJT, jak je znázorněno níže:

RX = 07 / Max. Nabíjecí proud

Výhoda Li-Ion baterie

Hlavní výhodou článků Li-Ion je jejich schopnost rychle a efektivně nabíjet. Li-Ion články však mají špatnou pověst, že jsou příliš citlivé na nepříznivé vstupy, jako je vysoké napětí, vysoký proud, a co je nejdůležitější, za podmínek nabíjení.

Při nabíjení za kterékoli z výše uvedených podmínek se článek může příliš zahřát a pokud podmínky přetrvávají, může to mít za následek únik tekutiny z buňky nebo dokonce explozi, která nakonec buňku trvale poškodí.

Za jakýchkoli nepříznivých podmínek nabíjení první věcí, která se stane s článkem, je nárůst jeho teploty a v navrhované koncepci obvodu využíváme tuto charakteristiku zařízení pro provádění požadovaných bezpečnostních operací, kde článek nikdy nesmí dosáhnout vysokých teplot udržujících parametry dobře pod požadovanými specifikacemi buňky.

2) Použití LM317 jako IC řadiče

V tomto blogu jsme narazili na mnoho obvody nabíječky baterií využívající IC LM317 a LM338 což jsou nejuniverzálnější a nejvhodnější zařízení pro diskutované operace.

I zde používáme IC LM317, i když toto zařízení se používá pouze ke generování požadovaného regulovaného napětí a proudu pro připojený Li-Ion článek.

Skutečnou funkci snímání provádí několik tranzistorů NPN, které jsou umístěny tak, že přicházejí do fyzického kontaktu s nabitou buňkou.

Podíváme-li se na dané schéma zapojení, dostaneme tři typy ochrany zároveň:

Po připojení napájení k nastavení IC 317 omezuje a generuje výstup rovný 3,9 V připojené lithium-iontové baterii.

1. The Rezistor 640 ohmů zajišťuje, že toto napětí nikdy nepřekročí limit plného nabití.
2. Dva tranzistory NPN připojené ve standardním Darlingtonově režimu k pinu ADJ IC řídí teplotu článku.
3. Tyto tranzistory také fungují jako omezovač proudu , zabraňující nadměrné situaci pro Li-Ion buňku.

Víme, že pokud je kolík ADJ IC 317 uzemněn, situace z něj úplně vypne výstupní napětí.

Znamená to, že by chování tranzistorů způsobilo zkrat kolíku ADJ k zemi, což by vedlo k vypnutí baterie.

S výše uvedenou funkcí v ruce má dvojice Darlingtom několik zajímavých bezpečnostních funkcí.

Rezistor 0,8 připojený přes jeho základnu a zem omezuje maximální proud na přibližně 500 mA, pokud má proud tendenci tento limit překračovat, napětí na rezistoru 0,8 ohmu postačuje k aktivaci tranzistorů, které „tlumí“ výstup IC a brání dalšímu nárůstu proudu. To zase pomáhá zabránit tomu, aby baterie získala nežádoucí množství proudu.

Použití detekce teploty jako parametru

Hlavní bezpečnostní funkcí prováděnou tranzistory je však detekce nárůstu teploty Li-Ion baterie.

Tranzistory jako všechna polovodičová zařízení mají tendenci vést proud úměrněji se zvyšováním teploty okolí nebo jejich těla.

Jak již bylo uvedeno, tyto tranzistory musí být umístěny v těsném fyzickém kontaktu s baterií.

Nyní předpokládejme, že v případě, že teplota článku začne stoupat, tranzistory by na to reagovaly a začaly by vodit, vedení by okamžitě způsobilo, že kolík ADJ IC byl více vystaven zemnímu potenciálu, což by vedlo ke snížení výstupního napětí.

S poklesem nabíjecího napětí by se také snížil nárůst teploty připojené Li-Ion baterie. Výsledkem je řízené nabíjení článku, které zajišťuje, že článek nikdy neuteče, a udržuje bezpečný profil nabíjení.

Výše uvedený obvod pracuje s principem teplotní kompenzace, ale nezahrnuje funkci automatického přerušení nabíjení, a proto je maximální nabíjecí napětí fixováno na 4,1 V.

Bez teplotní kompenzace

Pokud se chcete vyhnout problémům s regulací teploty, můžete jednoduše ignorovat Darlingtonův pár BC547 a místo toho použít jeden BC547.

Nyní to bude fungovat pouze jako proudově / napěťově řízené napájení pro Li-Ion článek. Zde je požadovaný upravený design.

Transformátorem může být transformátor 0-6 / 9 / 12V

Protože zde není použita regulace teploty, ujistěte se, že hodnota Rc je správně dimenzována pro rychlost 0,5 ° C. K tomu můžete použít následující vzorec:

Rc = 0,7 / 50% hodnoty Ah

Předpokládejme, že hodnota Ah je vytištěna jako 2 800 mAh. Pak by výše uvedený vzorec mohl být vyřešen jako:

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

Příkon bude 0,7 x 1,4 = 0,98, nebo jednoduše 1 watt.

Stejně tak se ujistěte, že je předvolba 4k7 nastavena na přesných 4,1 V napříč výstupními svorkami.

Jakmile jsou provedeny výše uvedené úpravy, můžete bezpečně nabít zamýšlenou Li-Ion baterii bez obav z jakékoli nepříjemné situace.

Protože při 4,1 V nemůžeme předpokládat úplné nabití baterie.

Aby bylo možné čelit výše uvedené nevýhodě, je automatické odříznutí výhodnější než výše uvedená koncepce.

V tomto blogu jsem diskutoval o mnoha obvodech automatických nabíječek operačních zesilovačů, pro navrhovaný design lze použít kterýkoli z nich, ale protože nás zajímá, aby byl design levný a snadný, lze vyzkoušet alternativní nápad, který je uveden níže.

Využití SCR pro cut-off

Pokud máte zájem pouze o automatické vypnutí bez sledování teploty, můžete zkusit níže vysvětlený design založený na SCR. SCR se používá napříč ADJ a zemí IC pro aretaci. Brána je vybavena výstupem takovým způsobem, že když potenciál dosáhne přibližně 4,2 V, SCR vystřelí a zablokuje se, čímž trvale přeruší napájení baterie.

Prahovou hodnotu lze upravit následujícím způsobem:

Zpočátku udržujte přednastavení 1K upravené na úroveň země (zcela vpravo), na výstupní svorky připojte externí zdroj napětí 4,3 V.
Nyní pomalu upravte předvolbu, dokud se SCR nespustí (LED svítí).

Tím se nastaví obvod pro akci automatického vypnutí.

Jak nastavit výše uvedený obvod

Zpočátku udržujte střední posuvné rameno předvolby v kontaktu s uzemňovací lištou obvodu.

Nyní, aniž byste připojili bateriový vypínač, zkontrolujte výstupní napětí, které by přirozeně ukazovalo plnou úroveň nabití nastavenou rezistorem 700 ohmů.

Dále velmi šikovně a jemně upravte předvolbu, dokud SCR nevystřelí a nevypne výstupní napětí na nulu.

To je vše, nyní můžete předpokládat, že obvod je nastaven.

Připojte vybitou baterii, zapněte napájení a zkontrolujte odezvu, pravděpodobně se SCR nespustí, dokud není dosaženo nastavené prahové hodnoty, a odpojte ji, jakmile baterie dosáhne nastavené prahové hodnoty pro úplné nabití.

3) Li-Ion obvod nabíječky baterií pomocí IC 555

Druhý jednoduchý design vysvětluje přímočarý, ale přesný obvod automatické nabíječky Li-Ion baterií využívající všudypřítomný IC 555.

Nabíjení lithium-iontové baterie může být kritické

Li-ion baterie, jak všichni víme, musí být nabíjena za kontrolovaných podmínek, pokud by byla nabitá běžnými prostředky, mohlo by dojít k poškození nebo dokonce explozi baterie.

Li-ion baterie se v zásadě nelíbí přebíjením článků. Jakmile články dosáhnou horní prahové hodnoty, nabíjecí napětí by mělo být odpojeno.

Následující obvod nabíječky baterií Li-Ion velmi efektivně dodržuje výše uvedené podmínky, takže připojená baterie nikdy nesmí překročit mezní hodnotu přebití.

Když je IC 555 použit jako komparátor, jeho piny # 2 a piny # 6 se stanou účinnými snímacími vstupy pro detekci spodního a horního prahového limitu napětí v závislosti na nastavení příslušných předvoleb.

Pin # 2 monitoruje prahovou úroveň nízkého napětí a spouští výstup na vysokou logiku v případě, že úroveň klesne pod nastavenou mez.

Naopak, pin # 6 monitoruje horní prahovou hodnotu napětí a při detekci úrovně napětí vyšší, než je nastavený horní detekční limit, vrátí výstup na nízkou hodnotu.

V zásadě musí být akce horního a dolního zapnutí nastaveny pomocí příslušných předvoleb vyhovujících standardním specifikacím integrovaného obvodu a připojené baterie.

Předvolba týkající se kolíku # 2 musí být nastavena tak, aby spodní limit odpovídal 1/3 Vcc, a podobně předvolba spojená s kolíkem # 6 musí být nastavena tak, aby horní mezní hodnota odpovídala 2/3 Vcc, protože podle standardních pravidel IC 555.

Jak to funguje

Celé fungování navrhovaného nabíjecího obvodu Li-Ion pomocí IC 555 probíhá, jak je vysvětleno v následující diskusi:

Předpokládejme, že na výstup níže uvedeného obvodu je připojena plně vybitá li-ion baterie (přibližně 3,4 V).

Za předpokladu, že spodní prahová hodnota bude nastavena někde nad úroveň 3,4 V, pin # 2 okamžitě detekuje situaci nízkého napětí a vytáhne výstup vysoko na pin # 3.

High at pin # 3 aktivuje tranzistor, který zapne vstupní napájení připojené baterie.

Baterie se nyní postupně začíná nabíjet.

Jakmile baterie dosáhne plného nabití (@ 4,2 V), za předpokladu, že je horní mezní hodnota na kolíku # 6 nastavena na přibližně 4,2 V, je úroveň snímána na kolíku # 6, který okamžitě vrátí výstup na nízkou úroveň.

Nízký výkon okamžitě vypne tranzistor, což znamená, že nabíjecí vstup je nyní blokován nebo odpojen od baterie.

Zahrnutí tranzistorového stupně poskytuje možnost nabíjení i Li-Ion článků s vyšším proudem.

Transformátor musí být zvolen s napětím nepřesahujícím 6 V a jmenovitým proudem 1/5 jmenovitého proudu baterie AH.

Kruhový diagram

Pokud máte pocit, že výše uvedený design je mnohem složitější, můžete vyzkoušet následující design, který vypadá mnohem jednodušší:

Jak nastavit obvod

Připojte plně nabitou baterii mezi zobrazené body a upravte předvolbu tak, aby se relé pouze deaktivovalo z polohy N / C do polohy N / O .... proveďte to bez připojení jakéhokoli nabíjecího stejnosměrného vstupu k obvodu.

Jakmile to provedete, můžete předpokládat, že obvod bude nastaven a použitelný pro automatické odpojení napájení baterie, když je plně nabitý.

Během skutečného nabíjení se ujistěte, že nabíjecí vstupní proud je vždy nižší než jmenovitý proud baterie AH, což znamená, že pokud předpokládáme, že baterie AH je 900 mAH, vstup by neměl být větší než 500 mA.

Baterie by měla být vyjmuta, jakmile se relé vypne, aby se zabránilo samovybíjení baterie pomocí předvolby 1K.

IC1 = IC555

Všechny rezistory jsou 1/4 watt CFR

IC 555 Pinout

Závěr

Ačkoli výše uvedené návrhy jsou technicky správné a budou plnit úkoly podle navrhovaných specifikací, ve skutečnosti se jeví jako přehnané.

Je vysvětlen jednoduchý, ale účinný a bezpečný způsob nabíjení Li-Ion článku v tomto příspěvku , a tento obvod může být použitelný pro všechny formy baterií, protože se dokonale stará o dva zásadní parametry: konstantní proud a automatické vypnutí při plném nabití. Předpokládá se, že ze zdroje nabíjení je k dispozici konstantní napětí.

4) Nabíjení mnoha Li-Ion baterií

Článek vysvětluje jednoduchý obvod, který lze použít k rychlému paralelnímu nabíjení nejméně 25 nosů Li-Ion článků z jednoho zdroje napětí, jako je 12V baterie nebo 12V solární panel.

Myšlenku požadoval jeden z nadšených stoupenců tohoto blogu, slyšíme to:

Společné nabíjení mnoha lithium-iontových baterií

Můžete mi pomoci navrhnout obvod pro nabíjení 25 Li-on baterie (3,7 V - 800 mA každý) současně. Můj zdroj energie je z baterie 12v - 50AH. Také mi dejte vědět, kolik zesilovačů 12v baterie by bylo s tímto nastavením za hodinu nakresleno ... díky předem.

Design

Pokud jde o nabíjení, Li-ion články vyžadují přísnější parametry ve srovnání s olověnými bateriemi.

To se stává obzvláště zásadním, protože lithium-iontové články mají tendenci generovat značné množství tepla v průběhu nabíjecího procesu, a pokud tato tvorba tepla překročí kontrolu, může to vést k vážnému poškození článku nebo dokonce k možné explozi.

Jedna dobrá věc na Li-iontových článcích je však to, že mohou být zpočátku nabíjeny plnou rychlostí 1C, na rozdíl od olověných baterií, které neumožňují více než C / 5.

Výše uvedená výhoda umožňuje lithium-iontovým článkům nabíjet 10krát rychlejším tempem, než je část olověných kyselin.

Jak bylo diskutováno výše, protože řízení tepla se stává zásadním problémem, je-li tento parametr náležitě řízen, zbytek věcí se stává docela jednoduchým.

To znamená, že můžeme nabíjet lithium-iontové články plnou rychlostí 1C, aniž bychom se o cokoli obtěžovali, pokud máme něco, co sleduje generování tepla z těchto článků a iniciuje nezbytná nápravná opatření.

Pokusil jsem se to implementovat připojením samostatného okruhu snímání tepla, který sleduje teplo z článků a reguluje nabíjecí proud v případě, že se teplo začne odchýlit od bezpečných úrovní.

Řízení teploty rychlostí 1C je zásadní

První schéma zapojení níže ukazuje přesný obvod teplotního senzoru využívající IC LM324. Byli zde zaměstnáni tři z jejích opampsů.

Dioda D1 je 1N4148, která zde účinně funguje jako teplotní senzor. Napětí na této diodě klesá s každým zvýšením teploty o 2 mV.

Tato změna napětí na D1 vyzve A2 ke změně jeho výstupní logiky, což zase iniciuje A3, aby odpovídajícím způsobem postupně zvyšovalo své výstupní napětí.

Výstup A3 je připojen k LED optočlenu. Podle nastavení P1 má výstup A4 tendenci se zvyšovat v odezvě na teplo z článku, dokud se nakonec nerozsvítí připojená LED dioda a vnitřní tranzistor opto nevede.

Když k tomu dojde, opto tranzistor napájí 12V do obvodu LM338 pro zahájení nezbytných nápravných opatření.

Druhý obvod ukazuje jednoduché regulované napájení pomocí IC LM338. 2k2 hrnec je upraven tak, aby produkoval přesně 4,5V přes připojené Li-ion články.

Předchozí obvod IC741 je obvod přetížení, který monitoruje nabíjení přes články a odpojí napájení, když dosáhne hodnoty vyšší než 4,2 V.

BC547 vlevo u ICLM338 je zaveden pro použití příslušných nápravných opatření, když se buňky začnou zahřívat.

V případě, že se články začnou příliš zahřívat, napájení optočlenu teplotního senzoru narazí na tranzistor LM338 (BC547), tranzistor vede a okamžitě vypne výstup LM338, dokud teplota neklesne na normální úroveň, tento proces pokračuje, dokud buňky se plně nabijí, když se IC 741 aktivuje a trvale odpojí buňky od zdroje.

Ve všech 25 buňkách může být k tomuto obvodu připojeno paralelně, každá kladná linka musí obsahovat samostatnou diodu a odpor 5 W 1 watt pro rovnoměrné rozložení náboje.

Celý obal článků by měl být připevněn na společnou hliníkovou plošinu, aby se teplo rovnoměrně rozptýlilo přes hliníkovou desku.

D1 by měl být vhodně nalepen na tuto hliníkovou desku, aby bylo rozptýlené teplo optimálně snímáno senzorem D1.

Automatická Li-Ion nabíječka a řídicí obvod.

Závěr

• Základní kritéria, která je třeba dodržet pro každou baterii, jsou: nabíjení při vhodných teplotách a přerušení dodávky energie, jakmile dosáhne úplného nabití. To je základní věc, kterou musíte dodržovat bez ohledu na typ baterie. Můžete to sledovat ručně nebo automatizovat, v obou případech se vaše baterie bezpečně nabije a bude mít delší životnost.
• Nabíjecí / vybíjecí proud odpovídá za teplotu baterie, pokud jsou příliš vysoké ve srovnání s okolní teplotou, bude z dlouhodobého hlediska vaše baterie silně trpět.
• Druhým důležitým faktorem je nikdy nedovolit, aby se baterie silně vybila. Pokračujte v obnovování plné úrovně nabití nebo ji doplňujte, kdykoli je to možné. Tím zajistíte, že baterie nikdy nedosáhne nižší úrovně vybití.
• Pokud je pro vás obtížné to monitorovat ručně, můžete přejít na automatický obvod, jak je popsáno na této straně .

Máte další pochybnosti? Nechte je projít níže uvedeným políčkem pro komentář