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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Carregamento seguro de baterias Li-ion. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Carregadores, baterias, células galvânicas Nos últimos anos, a revista Radio descreveu muitos carregadores, incluindo os chamados "inteligentes", que não apenas automatizam ao máximo o processo de carregamento da bateria (eles regulam a corrente de carregamento dependendo da tensão, ligam desligue-o quando estiver totalmente carregado), mas também descarregue-o para a tensão inicial necessária antes de carregar. No entanto, todos esses dispositivos são projetados para baterias Ni-Cd e Ni-MH e não são muito adequados para carregar baterias Li-ion (íon-lítio) devido às suas características específicas. O artigo publicado descreve um carregador simples projetado para carregar apenas essas baterias. Apesar da abundância de informações sobre baterias de íon-lítio, a Internet está repleta de disputas de usuários, indicando a necessidade de um dispositivo bastante simples e confiável para carregá-las. O projeto proposto é apenas uma das possíveis soluções para este problema, focando principalmente no baixo custo de sua fabricação. Ao contrário, por exemplo, do dispositivo descrito em [1], o custo dos microcircuitos nele utilizados não ultrapassará 1 USD. Claro, existem indicadores que, por uma questão de baixo custo, não devem ser negligenciados de forma alguma. O principal deles é a segurança da operação, que se tornou uma "pessoa envolvida" em contos de rádio amador sobre as explosões de baterias de íon-lítio durante experimentos descuidados com elas. Em [2], as medidas tomadas pelas empresas para evitar a destruição não intencional de baterias recarregáveis de lítio são descritas com detalhes suficientes. No entanto, os fabricantes alertam sobre a inadmissibilidade de descarregá-los para uma tensão inferior a 2,5 V ou correntes grandes (mais de 2,5 A), bem como recarregar. Tanto a descarga profunda quanto o carregamento de corrente de longo prazo, mesmo apenas alguns microamperes, podem estimular a formação de dendritos nos eletrodos da bateria e causar sua falha prematura. Portanto, a conclusão se sugere: para prolongar a "vida" de uma bateria de íon-lítio, é melhor recarregá-la em tempo hábil (sem esperar que a tensão caia para 2,5 V), sem necessariamente atingir um total (100 %) cobrar. É este princípio que fundamenta a operação do dispositivo descrito projetado para carregar a bateria LGR18650E (suas características são quase as mesmas do NEC ICR-18650 [2]). Se necessário, usando as fórmulas de cálculo fornecidas no artigo, você pode modificar o carregador de bateria com outras características. O diagrama do circuito do dispositivo é mostrado na figura. Sua base é um microcircuito DA1 TSM101A especializado, produzido nos pacotes D1P8 e S08.
Como você sabe, as baterias de íons de lítio devem primeiro ser carregadas com uma corrente constante e, ao atingir um determinado nível de tensão, ela deve diminuir exponencialmente [2]. No dispositivo proposto, o op-amp DA1.2 compara o sinal do sensor de corrente de carga - resistor R3 - com parte da tensão de referência Uo6p = 1,24 V, retirada do resistor R7 do motor, e abre levemente o transistor VT1 exatamente como quanto for necessário para criar a queda de tensão necessária no sensor de corrente. Além disso, o dispositivo fornece o chamado modo de condicionamento ao carregar uma bateria totalmente descarregada. Vamos calcular os parâmetros do dispositivo. Como o monitoramento térmico da bateria recarregável não é fornecido neste caso, nos limitaremos à corrente de carga máxima Icharge = 1 A. Claro, pode ser aumentado para 1,6 A, mas neste caso é necessário levar em consideração as recomendações estabelecidas, por exemplo, em [3]. O amplificador operacional do chip DA2, que não é usado neste caso, facilita a implementação do controle térmico da bateria que está sendo carregada. Para o valor aceito da corrente de carga, a queda de tensão no resistor R3 é de 0,22 V. É essa tensão que deve ser ajustada no motor do resistor R7 antes da instalação no dispositivo, aplicando uma tensão de 1,24 V de um estabilizado fonte de alimentação à sua saída superior (de acordo com o circuito). O modo de condicionamento da bateria recarregável G1 deve ligar automaticamente se a tensão nela no início do carregamento não exceder 2,5 V. Para isso, o comparador DA3.1 monitora a tensão no G1 (através de um divisor - um resistor de ajuste R11), e se for menor que 2,5 B, o transistor de saída do comparador abre para saturação, conectando o pino 2 do chip DA1 ao fio comum e ligando assim a fonte de corrente exemplar. Como no caso anterior, antes de instalar o resistor R11 no dispositivo, uma tensão calibrada (mas agora - 2,5 V) é aplicada em sua saída superior (de acordo com o circuito) e, girando o controle deslizante, é obtida uma tensão de 1,24 V depois de ligar a fonte de corrente exemplar, Iobr = 1,4 mA de tensão na entrada inversora do amplificador operacional DA1.2 é a soma algébrica das quedas de tensão nos resistores R3 e conectados em paralelo R4, R6. Desprezando a queda de tensão criada pela corrente Iobr no sensor de corrente R3, calculamos a resistência do resistor R4 para o valor geralmente aceito da corrente de condicionamento Icond - 0,1 Icarga:
A resistência necessária é mais fácil de selecionar conectando em paralelo R4 o resistor R6 indicado no diagrama de classificação. Assim, as resistências dos resistores de ajuste de corrente indicadas no circuito fornecem o carregamento de uma bateria profundamente descarregada com uma corrente não superior a 100 mA, e quando a tensão sobe para 2,5 V, com uma corrente de 1 A. Até agora, falamos sobre o estágio inicial de carregamento da bateria. Após sua conclusão, o OS DA1.1 começa a funcionar. Comparando a tensão de referência na entrada não inversora com parte da tensão retirada do motor do resistor R10, ele abre o transistor VT1 apenas o suficiente para que a tensão na bateria não exceda o nível especificado de 4,2 V. Para fazer isso, antes de instalar o dispositivo na saída superior (de acordo com o circuito) do resistor R10, forneça uma tensão de 4,2 V e coloque o motor em uma posição em que a tensão seja de 1,24 V. Conforme mencionado acima, o carregamento de uma bateria de lítio deve ser concluído em um determinado valor atual. Neste caso, é escolhido igual a 95 mA, o que corresponde a cerca de 90% de sua capacidade [2]. O indicador de corrente de carga é o LED HL2 conectado na saída do comparador DA3.2. Este último compara o sinal do transmissor de corrente R3 com a tensão de referência. Na fase final do carregamento, esse sinal é muito pequeno e, para eliminar a influência dos parâmetros do comparador e a necessidade de sua seleção, o amplificador operacional DA2.1 foi introduzido no dispositivo. Ao alterar a resistência do resistor R9 no circuito OOS que o cobre, o comparador é feito para operar em uma corrente de carga de 95 mA. Com os resistores R8, R9 indicados no diagrama de classificação, o brilho do LED HL2 nessa corrente é reduzido pela metade e, quando diminui para 93 mA, o indicador apaga. Este comportamento do LED deve-se ao aparecimento de um “salto” de tensão na saída do comparador quando este se aproxima do ponto de desligamento e é observado se a bateria estiver conectada diretamente ao circuito de carga, desviando dos contatos do relé K1. A introdução deste último possibilitou não apenas eliminar o "salto" indesejado, mas também implementar o desligamento automático da bateria após a conclusão do carregamento. Acontece da seguinte forma. Quando o botão SB1 é pressionado, uma tensão de polaridade positiva é aplicada à base do transistor VT2 (através dos resistores R15, R16) e ele se abre. Como resultado, o relé K1 é ativado e com seus contatos K1.1 conecta a bateria ao circuito de carga. Como durante o condicionamento e ao carregar com alta corrente, o comparador DA3.2 liga o LED HL2 e o diodo emissor do optoacoplador U1, o fototransistor aberto conecta o resistor R14 ao barramento de força de +7 V, após o qual o botão pressionado SB1 pode ser liberado. O brilho do HL2 permite avaliar a confiabilidade da conexão entre o dispositivo e a bateria: se a qualidade dos contatos for ruim (a resistência do contato é alta), ele não acende. Neste caso, o relé, após soltar o botão, volta à sua posição original, desligando a bateria do circuito de carga. Se a resistência dos contatos for pequena o suficiente, o carregamento prossegue de acordo com o algoritmo descrito. Com uma diminuição da corrente no estágio final e uma tentativa do comparador de criar um "salto", a liberação do relé faz com que a bateria seja desconectada do circuito de carga e o LED HL3 com um resistor limitador de corrente R18 é conectado. Glow HL3 sinaliza o fim do carregamento. Capacitor C4 no circuito básico do transistor VT2 - supressão de ruído. Para não desperdiçar a vida útil de uma bateria Li-ion, é recomendável usar uma bateria de duas ou três baterias Ni-Cd com capacidade de 0,5 ... 1 Ah como carga ao configurar o dispositivo, que em o primeiro estágio é conectado diretamente ao cátodo VD1, ignorando o grupo de contato do relé. Se você seguir cuidadosamente as recomendações de pré-instalação dos resistores de corte R7, R10, R11, talvez nem precise configurar o dispositivo, mas verifique os principais indicadores (corrente de condicionamento, tensão limite para ligar a corrente de carga total, seu valor inicial, a tensão final na bateria que está sendo carregada, o valor da corrente final de carga exibida) ainda é necessário. Para o tempo de ajuste, um voltímetro digital e um amperímetro de 1 A são conectados ao circuito de carga e, em vez de uma bateria de íons de lítio, é conectada uma bateria de duas células Ni-Cd descarregadas a 1 V. Depois de aplicar a tensão de alimentação de 7 V, o modo de ar condicionado deve ligar. A corrente necessária (0,1 A) é definida selecionando o resistor R6. À medida que a bateria carrega, a tensão na bateria aumenta e, assim que se torna igual a 2,5 V, a corrente de carga deve aumentar para 1 A. Se necessário, esse valor de corrente é definido com um resistor de compensação R7 e, para para que mude a uma tensão de 2,5 V, ajuste a posição do controle deslizante do resistor R11. Em seguida, uma bateria de três baterias é conectada ao dispositivo e observa-se como, após aumentar a tensão para cerca de 4 V, a corrente de carga começa a diminuir. Com seu valor igual a 95 mA, o brilho do LED HL2, conforme observado, deve ser reduzido pela metade e com 93 mA deve apagar. Durante a passagem do intervalo especificado da corrente de carga, o salto dos contatos do relé será claramente audível. Como seu grupo de contato neste estágio muda uma corrente de apenas cerca de 5 mA (liga e desliga o HL3), sua condição não piorará após esse teste. Ao carregar pela primeira vez, esse processo ocorre bem devagar, mas se você desligar o aparelho e ligá-lo novamente (com a bateria carregada), a corrente diminui em questão de segundos e não é difícil atingir o comportamento desejado do LED dentro dos limites de mudança de corrente especificados (selecionando o resistor R9). Conforme indicado, a tensão final na bateria é ajustada para 4,18 V com um resistor de ajuste R10. Em seguida, a bateria é conectada através dos contatos do relé e é verificado o funcionamento do circuito de partida, bem como a precisão do desligamento da bateria ao final do carregamento. Nesse caso, pode ser necessária uma descarga preliminar de curto prazo de uma bateria carregada através de um resistor com resistência de 5 ... 10 Ohm. No final do ajuste, uma bateria de íon-lítio é conectada ao dispositivo e, durante o carregamento, eles verificam a conformidade da tensão (exceto 2,5 V, é claro) e a corrente de carga com os valores definidos . Devido a alguma diferença na resistência interna das baterias Li-ion e Ni-Cd, pode ser necessário reajustar o dispositivo. O dispositivo é montado em uma protoboard 60x45 mm (a placa de circuito impresso não foi desenvolvida). O transistor VT1 é montado em um dissipador de calor com uma área de superfície de resfriamento de cerca de 100 cm2. Podemos substituir o diodo 1N5822 por qualquer outro diodo Schottky com uma corrente de trabalho de até 3 A. Os resistores trimmer R7, R10, R11 são fios multivoltas, por exemplo, SP5-3. Capacitor C5 - qualquer óxido com capacidade de 6,8 ... 10 μF com tensão nominal de 10 ... 35 V. Em vez de KT829A, você pode usar qualquer outro transistor composto poderoso com um coeficiente de transferência de corrente estática da base h21E 750 ... 1000. O dispositivo usa um reed relay RES55A com passaporte RS4.569.604 (nova designação - RS4.569.600-16). Como sua tensão de operação é muito menor que 7 V, um resistor R17 é conectado em série com o enrolamento. É permitido usar um relé deste tipo com um passaporte RS4.569.603 (RS4.569.600-15). Nesse caso, a resistência do resistor que extingue o excesso de tensão deve ser reduzida para 43 ohms. Como fonte de corrente de carga, você pode usar o adaptador CA descrito em [1] ajustando sua tensão de saída para 7 V. Informações sobre os chips TSM101A, LM358 e LM393 Literatura
Autor: S.Kosenko, Voronezh
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