4 enkla litiumjonbatteriladdarkretsar - använder LM317, NE555, LM324

Följande inlägg förklarar ett fyra enkelt men ändå säkert sätt att ladda ett Li-ion-batteri med vanliga IC: er som LM317 och NE555 som enkelt kan byggas hemma av alla nya hobbyister.

Även om Li-Ion-batterier är sårbara enheter kan dessa laddas genom enklare kretsar om laddningshastigheten inte orsakar betydande uppvärmning av batteriet. Och om användaren inte har något emot en liten fördröjning i cellens laddningstid.

För användare som vill ha snabb laddning av batteriet, får de inte använda nedanstående förklarade koncept, utan de kan använda ett av dessa professionella smarta mönster .

Grundläggande fakta om Li-Ion-laddning

Innan vi lär oss byggprocedurerna för en Li-Ion-laddare, skulle det vara viktigt för oss att känna till de grundläggande parametrarna för laddning av Li-Ion-batteri.

Till skillnad från blybatteri kan ett Li-Ion-batteri laddas med betydligt höga initiala strömmar som kan vara så höga som Ah-värdet för själva batteriet. Detta kallas laddning med 1C-hastighet, där C är batteriets Ah-värde.

Med detta sagt är det aldrig tillrådligt att använda denna extrema hastighet, eftersom detta skulle innebära att batteriet laddas under mycket stressande förhållanden på grund av temperaturhöjning. En 0,5C-hastighet anses därför vara ett rekommenderat standardvärde.

0.5C betyder en laddningsström som är 50% av batteriets Ah-värde. Under tropiska sommarförhållanden kan även denna hastighet bli en ogynnsam hastighet för batteriet på grund av den existerande höga omgivningstemperaturen.

Kräver laddning av ett Li-Ion-batteri komplicerade överväganden?

Absolut inte. Det är faktiskt en extremt vänlig form av batteri och laddas med minimala överväganden, även om dessa minimala överväganden är väsentliga och måste följas utan att misslyckas.

Några viktiga men lätt att implementera överväganden är: automatisk avstängning vid full laddningsnivå, konstant spänning och konstant strömingång.

Följande förklaring hjälper dig att förstå detta bättre.

Följande diagram föreslår den perfekta laddningsproceduren för en standard 3,7 V Li-Ion-cell, klassad med 4,2 V som full laddningsnivå.

Steg 1 : I det inledande steget # 1 ser vi att batterispänningen stiger från 0,25 V till 4,0 V-nivå på ungefär en timme vid en ampere med konstant strömladdningshastighet. Detta indikeras av den BLÅ linjen. 0,25 V är endast för vägledande ändamål, en faktisk 3,7 V-cell bör aldrig urladdas under 3 V.

Steg 2: I steg 2 kommer laddningen in i mättnadsladdningstillstånd , där spänningen når sin maximala laddningsnivå på 4,2 V och strömförbrukningen börjar sjunka. Denna nedgång i nuvarande takt fortsätter de närmaste timmarna. Laddningsströmmen indikeras av den RÖDA prickade linjen.

Steg # 3 : När strömmen sjunker når den sin lägsta nivå som är lägre än 3% av cellens Ah-betyg.

När detta inträffar stängs ingångsförsörjningen AV och cellen får sätta sig ner i ytterligare 1 timme.

Efter en timme indikerar cellspänningen det verkliga Avgift eller SoC av cellen. SoC för en cell eller ett batteri är den optimala laddningsnivån som den uppnått efter en kurs med full laddning, och denna nivå visar den faktiska nivån som kan användas för en given applikation.

I detta tillstånd kan vi säga att cellförhållandet är klart att användas.

Steg # 4 : I situationer där cellen inte används under långa perioder tillämpas en påfyllningsladdning då och då, där strömmen som konsumeras av cellen är under 3% av Ah-värdet.

Kom ihåg att grafen visar att cellen laddas även efter att den har nått 4,2 V, det är det rekommenderas inte under praktisk laddning av en Li-Ion-cell . Tillförseln måste avbrytas automatiskt så snart cellen når 4,2 V-nivån.

Så vad föreslår grafen i grund och botten?

1. Använd en ingång som har en fast ström och en fast spänningsutgång, som diskuterats ovan. (Vanligtvis kan detta vara = Spänning 14% högre än tryckt värde, Ström 50% av Ah-värdet, lägre ström än detta kommer också att fungera bra, även om laddningstiden ökar proportionellt)
2. Laddaren ska ha en automatisk avstängning vid rekommenderad fulladdningsnivå.
3. Temperaturhantering eller kontroll av batteriet kanske inte krävs om ingångsströmmen är begränsad till ett värde som inte orsakar uppvärmning av batteriet

Om du inte har en automatisk avstängning, begränsa helt enkelt ingången för konstant spänning till 4,1 V.

1) Enklaste Li-Ion-laddare med en enda MOSFET

Om du letar efter en billigaste och enklaste Li-Ion-laddarkrets kan det inte finnas ett bättre alternativ än den här.

Denna konstruktion är utan temperaturreglering, därför rekommenderas lägre ingångsström

En enda MOSFET, en förinställning eller trimmer och ett 470 ohm 1/4 watt motstånd är allt du behöver för att skapa en enkel och säker laddarkrets.

Innan du ansluter utgången till en Li-Ion-cell, se till att det finns ett par saker.

1) Eftersom ovanstående konstruktion inte innehåller temperaturreglering måste ingångsströmmen begränsas till en nivå som inte orsakar signifikant uppvärmning av cellen.

2) Justera förinställningen för att få exakt 4,1 V över laddningsterminalerna där cellen ska anslutas. Ett bra sätt att fixa detta är att ansluta en exakt zenerdiod istället för förinställningen och ersätta 470 ohm med ett 1 K-motstånd.

För strömmen skulle vanligtvis en konstant strömingång på cirka 0,5C vara precis rätt, det vill säga 50% av cellens mAh-värde.

Lägga till en aktuell styrenhet

Om ingångskällan inte är strömstyrd kan vi i så fall snabbt uppgradera ovanstående krets med ett enkelt BJT-strömstyrningssteg som visas nedan:

RX = 07 / Max laddningsström

Fördel med Li-Ion-batteri

Den största fördelen med Li-Ion-celler är deras förmåga att ta laddning snabbt och effektivt. Li-ion-celler har dock det dåliga rykte att vara för känsliga för ogynnsamma ingångar som högspänning, hög ström och viktigast av allt under laddningsförhållanden.

När den laddas under något av ovanstående förhållanden kan cellen bli för varm, och om förhållandena kvarstår kan det leda till läckage av cellvätskan eller till och med en explosion och slutligen skada cellen permanent.

Under alla ogynnsamma laddningsförhållanden är det första som händer med cellen att temperaturen stiger, och i det föreslagna kretskonceptet använder vi denna egenskap för anordningen för att genomföra de nödvändiga säkerhetsåtgärderna, där cellen aldrig får nå höga temperaturer och håller parametrarna väl under de nödvändiga specifikationerna för cellen.

2) Använda LM317 som IC för styrenhet

I den här bloggen har vi stött på många batteriladdarkretsar med IC LM317 och LM338 som är de mest mångsidiga och de mest lämpliga enheterna för de diskuterade operationerna.

Även här använder vi IC LM317, även om den här enheten endast används för att generera den nödvändiga reglerade spänningen och strömmen för den anslutna Li-Ion-cellen.

Den verkliga avkänningsfunktionen utförs av de par NPN-transistorer som är placerade så att de kommer i fysisk kontakt med den laddade cellen.

Tittar vi på det angivna kretsschemat får vi tre typer av skydd samtidigt:

När strömmen matas till inställningen begränsar IC 317 och genererar en utgång lika med 3,9 V till det anslutna Li-ion-batteriet.

1. De Motstånd på 640 ohm ser till att den här spänningen aldrig överskrider hela laddningsgränsen.
2. Två NPN-transistorer som är anslutna i ett vanligt Darlington-läge till ADJ-stiftet på IC: n styr celltemperaturen.
3. Dessa transistorer fungerar också som strömbegränsare förhindrar en alltför aktuell situation för Li-Ion-cellen.

Vi vet att om ADJ-stiftet på IC 317 är jordat stänger situationen helt utspänningen från den.

Det betyder att om transistorns ledning skulle leda till att ADJ-stiftet kortsluts till jord och att utgången till batteriet stängs av.

Med ovanstående funktion i handen gör Darlingtom-paret här ett par intressanta säkerhetsfunktioner.

0,8-motståndet som är anslutet över dess bas och jord begränsar maxströmmen till cirka 500 mA, om strömmen tenderar att överstiga denna gräns blir spänningen över 0,8 ohm-motståndet tillräcklig för att aktivera transistorerna som 'kväver' ut IC-utgången och hämmar någon ytterligare ökning av strömmen. Detta i sin tur förhindrar att batteriet får oönskade mängder ström.

Använda temperaturavkänning som parameter

Den huvudsakliga säkerhetsfunktionen som drivs av transistorerna är dock att upptäcka temperaturökningen på Li-Ion-batteriet.

Transistorer som alla halvledaranordningar tenderar att leda strömmen mer proportionellt med ökad omgivning eller kroppstemperatur.

Som diskuterat måste dessa transistorer placeras i nära fysisk kontakt med batteriet.

Antag nu att om celltemperaturen börjar stiga, skulle transistorerna svara på detta och börja leda, skulle ledningen omedelbart orsaka att ADJ-stiftet på IC utsätts mer för jordpotentialen, vilket resulterar i en minskning av utspänningen.

Med en minskning av laddningsspänningen skulle också det anslutna Li-Ion-batteriets temperaturökning minska. Resultatet är en kontrollerad laddning av cellen, vilket säkerställer att cellen aldrig hamnar i en flyktig situation och upprätthåller en säker laddningsprofil.

Ovanstående krets fungerar med temperaturkompensationsprincip, men den innehåller inte en automatisk överladdningsfunktion och därför är den maximala laddningsspänningen fixerad till 4,1 V.

Utan temperaturkompensation

Om du vill undvika problem med temperaturkontrollen kan du helt enkelt ignorera Darlington-paret BC547 och istället använda en enda BC547.

Nu fungerar detta bara som en ström / spänningsstyrd matning för Li-Ion-cellen. Här är den modifierade designen som krävs.

Transformator kan vara en 0-6 / 9 / 12V transformator

Eftersom här temperaturkontroll inte används, se till att Rc-värdet är korrekt dimensionerat för en 0,5 C-hastighet. För detta kan du använda följande formel:

Rc = 0,7 / 50% av Ah-värdet

Antag att Ah-värdet skrivs ut som 2800 mAh. Då kan ovanstående formel lösas som:

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

Effekten blir 0,7 x 1,4 = 0,98 eller helt enkelt 1 watt.

Se också till att 4k7-förinställningen är justerad till exakt 4,1 V över utgångarna.

När ovanstående justeringar har gjorts kan du ladda det avsedda Li-Ion-batteriet på ett säkert sätt utan att oroa dig för någon olämplig situation.

Eftersom vi vid 4,1 V inte kan anta att batteriet är fulladdat.

För att motverka ovanstående nackdel blir en automatisk avstängningsanläggning mer gynnsam än ovanstående koncept.

Jag har diskuterat många op-amp automatiska laddarkretsar i den här bloggen, någon av dem kan användas för den föreslagna designen, men eftersom vi är intresserade av att hålla designen billig och enkel, kan en alternativ idé som visas nedan prövas.

Använder en SCR för Cut-Off

Om du är intresserad av att ha en automatisk avstängning utan temperaturövervakning kan du prova nedanstående förklarade SCR-baserade design. SCR används över ADJ och marken för IC för en låsning. Porten är riggad med utgången så att när potentialen når ungefär 4,2 V, avfyras och spärras SCR, vilket minskar strömmen till batteriet permanent.

Tröskeln kan justeras på följande sätt:

Inledningsvis hålla 1K-förinställningen justerad till marknivå (extremt höger), applicera en 4,3 V extern spänningskälla vid utgångarna.
Justera nu långsamt förinställningen tills SCR bara tänds (LED lyser).

Detta ställer in kretsen för automatisk avstängning.

Hur man ställer in ovanstående krets

Håll inledningsvis den centrala skjutarmen på förinställningen vidrör kretsens järnväg.

Utan att ansluta batteriets strömbrytare PÅ, kontrollera utspänningen som naturligtvis visar den fulla laddningsnivån enligt inställningen av 700 ohm-motståndet.

Därefter justerar du förinställningen mycket skickligt och försiktigt tills SCR bara avfyrar och stänger av utspänningen till noll.

Det är det, nu kan du anta att kretsen är klar.

Anslut ett urladdat batteri, slå på strömmen och kontrollera svaret, förmodligen kommer SCR inte att avfyras förrän det inställda tröskelvärdet har uppnåtts och stäng av så snart batteriet når det inställda fulladdningsgränsvärdet.

3) Li-Ion batteriladdarkrets med IC 555

Den andra enkla designen förklarar en rak men ändå exakt automatisk Li-Ion-batteriladdarkrets med den allestädes närvarande IC 555.

Laddning av litiumjonbatteri kan vara kritiskt

Ett litiumjonbatteri som vi alla vet behöver laddas under kontrollerade förhållanden, om det laddas med vanliga medel kan det leda till skada eller till och med explosion av batteriet.

I grund och botten tycker Li-ion-batterier inte om att överladda sina celler. När cellerna når den övre tröskeln bör laddningsspänningen stängas av.

Följande Li-Ion-batteriladdarkrets följer mycket effektivt ovanstående förhållanden så att det anslutna batteriet aldrig får överskrida dess överladdningsgräns.

När IC 555 används som en komparator blir dess stift nr 2 och stift nr 6 effektiva avkänningsingångar för att detektera de nedre och övre spänningsgränserna beroende på inställningen av relevanta förinställningar.

Stift nr 2 övervakar tröskelnivån för låg spänning och utlöser utgången till en hög logik om nivån faller under den inställda gränsen.

Omvänt övervakar stift nr 6 den övre spänningströskeln och återställer utgången till låg vid detektering av en spänningsnivå högre än den inställda höga detektionsgränsen.

I grund och botten måste de övre av- och nedre ON-åtgärderna ställas in med hjälp av relevanta förinställningar som uppfyller standardspecifikationerna för IC såväl som det anslutna batteriet.

Förinställningen angående stift # 2 måste ställas in så att den nedre gränsen motsvarar 1/3 av Vcc, och på samma sätt förinställd associerad med stift # 6 måste ställas in så att den övre avgränsningsgränsen motsvarar 2/3 av Vcc, som enligt standardreglerna för IC 555.

Hur det fungerar

Hela funktionen för den föreslagna Li-Ion-laddarkretsen med hjälp av IC 555 sker enligt förklaringen i följande diskussion:

Låt oss anta att ett helt urladdat litiumjonbatteri (vid cirka 3,4 V) är anslutet vid utgången på nedanstående krets.

Förutsatt att den nedre tröskeln ska ställas in någonstans över 3.4V-nivån, känner stift nr 2 omedelbart lågspänningssituationen och drar utgången högt vid stift # 3.

High at pin # 3 aktiverar transistorn som slår PÅ ingångseffekten till det anslutna batteriet.

Batteriet börjar nu gradvis laddas.

Så snart batteriet når full laddning (@ 4,2 V), förutsatt att den övre avskärningströskeln vid stift nr 6 ska ställas in på cirka 4,2 v, avkänns nivån vid stift nr 6 som omedelbart återställer utgången till låg.

Den låga utgången stänger omedelbart av transistorn, vilket innebär att laddningsingången nu är spärrad eller avstängd till batteriet.

Införandet av ett transistorsteg ger möjlighet att ladda Li-ion-celler med högre ström också.

Transformatorn måste väljas med spänning som inte överstiger 6V, och strömklassificering 1/5 av batteriets AH-klassning.

Kretsschema

Om du tycker att ovanstående design är mycket komplex kan du prova följande design som ser mycket enklare ut:

Hur man ställer in kretsen

Anslut ett fulladdat batteri över de visade punkterna och justera förinställningen så att reläet bara inaktiveras från N / C till N / O-läge .... gör detta utan att ansluta någon laddnings DC-ingång till kretsen.

När detta är gjort kan du anta att kretsen ska ställas in och användas för en automatisk batteriförsörjning avstängd när den är fulladdad.

Se till att laddningsingångsströmmen alltid är lägre än batteriets AH-värde under den faktiska laddningen, vilket betyder att om antag att batteriets AH är 900 mAh, bör ingången inte vara mer än 500 mA.

Batteriet bör tas ut så fort reläet stängs av för att förhindra själv urladdning av batteriet via 1K-förinställningen.

IC1 = IC555

Alla motstånd är 1/4 watt CFR

IC 555 Pinout

Slutsats

Även om designen som presenteras ovan alla är tekniskt korrekta och kommer att utföra uppgifterna enligt de föreslagna specifikationerna, verkar de faktiskt som en överdrift.

Ett enkelt men ändå effektivt och säkert sätt att ladda en Li-Ion-cell förklaras i det här inlägget , och den här kretsen kan vara tillämplig på alla typer av batterier, eftersom den perfekt tar hand om två viktiga parametrar: Konstantström och automatisk laddning med full laddning. En konstant spänning antas vara tillgänglig från laddningskällan.

4) Laddar många Li-Ion-batterier

Artikeln förklarar en enkel krets som kan användas för att ladda minst 25 nos Li-Ion celler parallellt tillsammans snabbt, från en enda spänningskälla som ett 12V batteri eller en 12V solpanel.

Idén efterfrågades av en av de entusiastiska följare av denna blogg, låt oss höra den:

Laddar många litiumjonbatterier tillsammans

Kan du hjälpa mig att utforma en krets för att ladda 25 li-on-batterier (3,7v- 800mA vardera) samtidigt. Min strömkälla är från 12v- 50AH batteri. Låt mig också veta hur många förstärkare av 12v-batteriet som skulle dras med denna inställning per timme ... tack i förväg.

Designen

När det gäller laddning kräver Li-ion-celler strängare parametrar jämfört med blybatterier.

Detta blir särskilt viktigt eftersom Li-jonceller tenderar att generera avsevärd mängd värme under laddningsprocessen, och om denna värmeproduktion går utöver kontrollen kan det leda till allvarlig skada på cellen eller till och med en eventuell explosion.

En bra sak med Li-ion-celler är dock att de kan laddas med full 1C-hastighet initialt, i motsats till blybatterier som inte tillåter mer än C / 5-laddningshastighet.

Ovanstående fördel gör det möjligt för Li-jonceller att laddas med 10 gånger snabbare hastighet än blysyra-motdelen.

Som diskuterats ovan, eftersom värmehantering blir den avgörande frågan, om denna parameter kontrolleras på rätt sätt, blir resten av sakerna ganska enkla.

Det betyder att vi kan ladda Li-ion-cellerna med full 1C-hastighet utan att bry oss om någonting så länge vi har något som övervakar värmegenereringen från dessa celler och initierar nödvändiga korrigerande åtgärder.

Jag har försökt implementera detta genom att ansluta en separat värmekännande krets som övervakar värmen från cellerna och reglerar laddningsströmmen om värmen börjar avvika från säkra nivåer.

Kontroll av temperatur vid 1C-hastighet är avgörande

Det första kretsschemat nedan visar en exakt temperatursensorkrets med IC LM324. Tre av dess opamps har använts här.

Dioden D1 är en 1N4148 som effektivt fungerar som temperatursensor här. Spänningen över denna diod sjunker med 2 mV för varje grad av temperaturökning.

Denna förändring i spänningen över D1 uppmanar A2 att ändra sin utgångslogik, vilket i sin tur initierar A3 att gradvis öka sin utspänning motsvarande.

Utgången från A3 är ansluten till en optokopplings-LED. Enligt inställningen av P1 tenderar A4-utgången att öka som svar på värmen från cellen, tills den anslutna lysdioden så småningom tänds och den interna transistorn i opto leder.

När detta händer levererar optotransistorn 12V till LM338-kretsen för att initiera nödvändiga korrigerande åtgärder.

Den andra kretsen visar en enkel reglerad strömförsörjning med IC LM338. 2k2-potten är justerad för att producera exakt 4,5V över de anslutna Li-joncellerna.

Föregående IC741-krets är en överladdningskopplad krets som övervakar laddningen över cellerna och kopplar bort matningen när den når över 4,2 V.

BC547 till vänster nära ICLM338 introduceras för att använda lämpliga korrigerande åtgärder när cellerna börjar bli heta.

Om cellerna börjar bli för varma slår tillförseln från temperaturgivarens optokopplare LM338-transistorn (BC547), transistorn leder och stänger omedelbart av LM338-utgången tills temperaturen kommer ner till normala nivåer, fortsätter denna process tills celler laddas helt när IC 741 aktiverar och kopplar bort cellerna permanent från källan.

I alla 25 celler kan anslutas till denna krets parallellt, varje positiv linje måste innehålla en separat diod och ett 5 Ohm 1 watt motstånd för lika fördelning av laddningen.

Hela cellförpackningen ska fixeras över en gemensam aluminiumplattform så att värmen avges jämnt över aluminiumplattan.

D1 bör limmas på lämpligt sätt över denna aluminiumplatta så att den avgivna värmen känns optimalt av sensorn D1.

Automatisk Li-Ion-cellladdare och styrkrets.

Slutsats

• De grundläggande kriterierna som måste upprätthållas för alla batterier är: laddning under bekväma temperaturer och avstängning av strömförsörjningen så snart den når full laddning. Det är den grundläggande sak du behöver följa oavsett batterityp. Du kan övervaka detta manuellt eller göra det automatiskt, i båda fallen laddas ditt batteri säkert och har längre livslängd.
• Laddnings- / urladdningsströmmen är ansvarig för batteriets temperatur. Om dessa är för höga jämfört med omgivningstemperaturen kommer ditt batteri att drabbas hårt på lång sikt.
• Den andra viktiga faktorn är att aldrig låta batteriet urladdas kraftigt. Fortsätt återställa full laddningsnivå eller fortsätt att fylla på den när det är möjligt. Detta säkerställer att batteriet aldrig når sina lägre urladdningsnivåer.
• Om du har svårt att övervaka detta manuellt kan du gå till en automatisk krets enligt beskrivningen på den här sidan .

Har du ytterligare tvivel? Låt dem komma igenom kommentarrutan nedan