4 enkle Li-Ion batteriladerkretser - bruker LM317, NE555, LM324

Følgende innlegg forklarer en fire enkel, men likevel en trygg måte å lade et Li-ion-batteri med vanlige IC-er som LM317 og NE555, som enkelt kan bygges hjemme av enhver ny hobbyist.

Selv om Li-Ion-batterier er sårbare enheter, kan disse lades gjennom enklere kretser hvis ladehastigheten ikke forårsaker betydelig oppvarming av batteriet., Og hvis brukeren ikke har noe imot en liten forsinkelse i ladetiden til cellen.

For brukere som ønsker hurtiglading av batteriet, må de ikke bruke de forklarte begrepene nedenfor, i stedet kan de bruke en av disse profesjonelle smarte design .

Grunnleggende fakta om Li-Ion-lading

Før vi lærer konstruksjonsprosedyrene til en li-ion-lader, ville det være viktig for oss å kjenne til de grunnleggende parametrene som gjelder lading av Li-Ion-batteri.

I motsetning til blybatteri, kan et Li-Ion-batteri lades med betydelig høye startstrømmer som kan være så høye som Ah-verdien på selve batteriet. Dette betegnes som lading med 1C-hastighet, hvor C er Ah-verdien til batteriet.

Når det er sagt, er det aldri tilrådelig å bruke denne ekstreme hastigheten, da dette vil bety å lade batteriet under svært belastende forhold på grunn av temperaturøkning. En 0,5C-hastighet anses derfor som en standard anbefalt verdi.

0.5C betyr en ladestrøm som er 50% av Ah-verdien på batteriet. Under tropiske sommerforhold kan selv denne hastigheten bli til en ugunstig hastighet for batteriet på grunn av den eksisterende høye omgivelsestemperaturen.

Krever det å ta et Li-Ion-batteri kompliserte hensyn?

Absolutt ikke. Det er faktisk en ekstremt vennlig form for batteri, og vil bli ladet med minimale hensyn, selv om disse minimale hensynene er viktige og må følges uten å mislykkes.

Noen få kritiske, men enkle å implementere, er: automatisk avskjæring ved fulladet nivå, konstant spenning og konstant strømforsyning.

Følgende forklaring vil bidra til å forstå dette bedre.

Grafen nedenfor antyder den ideelle ladeprosedyren for en standard 3,7 V Li-Ion-celle, vurdert med 4,2 V som fulladet nivå.

1. stadie : På den første fasen # 1 ser vi at batterispenningen stiger fra 0,25 V til 4,0 V nivå på rundt en time ved 1 amp konstant strømladningshastighet. Dette indikeres av den BLÅ linjen. 0,25 V er kun for veiledende formål, en faktisk 3,7 V-celle skal aldri slippes ut under 3 V.

Fase 2: I trinn 2 kommer ladingen inn i metningsladningstilstand , hvor spenningen topper til fulladet nivå på 4,2 V, og strømforbruket begynner å synke. Denne nedgangen i gjeldende hastighet fortsetter de neste par timene. Ladestrømmen er indikert med den RØDE stiplede linjen.

Fase 3 : Når strømmen synker, når den sitt laveste nivå, som er lavere enn 3% av cellens Ah-vurdering.

Når dette skjer, blir inngangsforsyningen slått AV og cellen får slå seg ned i ytterligere 1 time.

Etter en time indikerer cellespenningen den virkelige State-of-Charge eller SoC av cellen. SoC til en celle eller et batteri er det optimale ladningsnivået det har oppnådd etter et løpet av full lading, og dette nivået viser det faktiske nivået som kan brukes til en gitt applikasjon.

I denne tilstanden kan vi si at cellens tilstand er klar til bruk.

Trinn 4 : I situasjoner der cellen ikke brukes i lange perioder, brukes en påfyllingslading fra tid til annen, der strømmen som forbrukes av cellen er under 3% av Ah-verdien.

Husk, selv om grafen viser at cellen blir ladet selv etter at den har nådd 4,2 V, det er det anbefales absolutt ikke under praktisk lading av en Li-Ion-celle . Forsyningen må automatisk kuttes så snart cellen når 4,2 V nivå.

Så hva foreslår grafen i utgangspunktet?

1. Bruk en inngangsforsyning som har en fast strøm og en fast spenningsutgang, som diskutert ovenfor. (Vanligvis kan dette være = Spenning 14% høyere enn den trykte verdien, Strøm 50% av Ah-verdien, lavere strøm enn dette vil også fungere fint, selv om ladetiden vil øke proporsjonalt)
2. Laderen skal ha en automatisk avskjæring på anbefalt fulladet nivå.
3. Temperaturstyring eller kontroll av batteriet er kanskje ikke nødvendig hvis inngangsstrømmen er begrenset til en verdi som ikke forårsaker oppvarming av batteriet

Hvis du ikke har en automatisk avbrytelse, kan du bare begrense inngangen til konstant spenning til 4,1 V.

1) Enkleste Li-Ion-lader ved bruk av en enkelt MOSFET

Hvis du leter etter en billigste og enkleste Li-Ion-ladekrets, kan det ikke være et bedre alternativ enn dette.

Denne utformingen er uten temperaturregulering, derfor anbefales lavere inngangsstrøm

En enkelt MOSFET, en forhåndsinnstilling eller trimmer og en 470 ohm 1/4 watt motstand er alt du trenger for å lage en enkel og sikker laderkrets.

Før du kobler utgangen til en Li-Ion-celle, må du sørge for et par ting.

1) Siden den ovennevnte utformingen ikke inneholder temperaturregulering, må inngangsstrømmen begrenses til et nivå som ikke forårsaker betydelig oppvarming av cellen.

2) Juster forhåndsinnstillingen for å få nøyaktig 4,1 V over ladeterminalene der cellen skal være koblet til. En fin måte å fikse dette på er å koble til en presis zenerdiode i stedet for forhåndsinnstillingen, og erstatte 470 ohm med en 1 K motstand.

For strømmen vil vanligvis en konstant strøminngang på rundt 0,5C være akkurat, det vil si 50% av cellens mAh-verdi.

Legge til en nåværende kontroller

Hvis inngangskilden ikke er strømstyrt, kan vi i så fall raskt oppgradere den ovennevnte kretsen med et enkelt BJT-strømkontrolltrinn som vist nedenfor:

RX = 07 / Maks ladestrøm

Fordelen med Li-Ion batteri

Den største fordelen med Li-Ion-celler er deres evne til å akseptere lading raskt og effektivt. Imidlertid har Li-Ion-celler dårlig rykte for å være for følsomme for ugunstige innganger som høy spenning, høy strøm og viktigst av alt over ladningsforhold.

Når den lades under noen av de ovennevnte forholdene, kan cellen bli for varm, og hvis forholdene vedvarer, kan det føre til at cellevæsken lekker eller til og med en eksplosjon, og til slutt ødelegger cellen permanent.

Under ugunstige ladeforhold er det første som skjer med cellen temperaturstigning, og i det foreslåtte kretsbegrepet bruker vi denne egenskapen til enheten for å implementere de nødvendige sikkerhetsoperasjonene, der cellen aldri får lov til å nå høye temperaturer og holder parametrene godt under de nødvendige spesifikasjonene til cellen.

2) Bruke LM317 som Controller IC

I denne bloggen har vi kommet over mange batteriladerkretser ved bruk av IC LM317 og LM338 som er de mest allsidige, og de mest egnede enhetene for de diskuterte operasjonene.

Også her bruker vi IC LM317, selv om denne enheten bare brukes til å generere den nødvendige regulerte spenningen og strømmen for den tilkoblede Li-Ion-cellen.

Den faktiske sensorfunksjonen utføres av par NPN-transistorer som er plassert slik at de kommer i fysisk kontakt med cellen under ladning.

Ser vi på det gitte kretsskjemaet, får vi tre typer beskyttelse samtidig:

Når strømmen tilføres oppsettet, begrenser IC 317 og genererer en utgang lik 3,9 V til det tilkoblede Li-ion-batteriet.

1. De 640 ohm motstand sørger for at denne spenningen aldri overskrider fulladet.
2. To NPN-transistorer som er koblet i en standard Darlington-modus til ADJ-pinnen på IC-en, styrer celletemperaturen.
3. Disse transistorene fungerer også som nåværende begrenser , og forhindrer en overaktuell situasjon for Li-Ion-cellen.

Vi vet at hvis ADJ-pinnen til IC 317 er jordet, slår situasjonen helt ut utgangsspenningen fra den.

Det betyr at hvis transistorenes ledning vil føre til at kortslutning av ADJ-stiften jordes og utgangen til batteriet slås av.

Med ovennevnte funksjon i hånden, gjør Darlingtom-paret et par interessante sikkerhetsfunksjoner.

0,8 motstanden som er koblet over basen og bakken begrenser maks strøm til rundt 500 mA. Hvis strømmen har en tendens til å overstige denne grensen, blir spenningen over 0,8 ohm motstanden tilstrekkelig til å aktivere transistorer som 'kveler' ut IC-utgangen. , og hemmer ytterligere økning i strømmen. Dette bidrar igjen til at batteriet ikke får uønskede mengder strøm.

Bruker temperaturdeteksjon som parameter

Imidlertid er den viktigste sikkerhetsfunksjonen som utføres av transistorene å oppdage temperaturstigningen på Li-Ion-batteriet.

Transistorer som alle halvledere har en tendens til å lede strøm mer proporsjonalt med økning i omgivelsene eller kroppstemperaturen.

Som diskutert, må disse transistoren plasseres i nær fysisk kontakt med batteriet.

Anta nå at hvis celletemperaturen begynner å stige, vil transistorene svare på dette og begynne å lede, vil ledningen umiddelbart føre til at ADJ-pinnen på IC blir mer utsatt for jordpotensialet, noe som resulterer i reduksjon i utgangsspenningen.

Med en reduksjon i ladespenningen vil temperaturstigningen til det tilkoblede Li-Ion-batteriet også reduseres. Resultatet er en kontrollert lading av cellen, og sørger for at cellen aldri går i en rømningssituasjon, og opprettholder en sikker ladeprofil.

Ovennevnte krets fungerer med temperaturkompensasjonsprinsipp, men den inneholder ikke en automatisk overladningsfunksjon, og den maksimale ladningsspenningen blir derfor satt til 4,1 V.

Uten temperaturkompensasjon

Hvis du vil unngå temperaturkontrollende problemer, kan du bare ignorere Darlington-paret BC547, og bruke en enkelt BC547 i stedet.

Nå fungerer dette bare som en strøm / spenningsstyrt forsyning for Li-Ion-cellen. Her er det nødvendige modifiserte designet.

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

Siden temperaturkontroll her ikke brukes, må du sørge for at Rc-verdien er riktig dimensjonert for en 0,5 C-hastighet. For dette kan du bruke følgende formel:

Rc = 0,7 / 50% av Ah-verdien

Anta at Ah-verdien skrives ut som 2800 mAh. Da kan formelen ovenfor løses som:

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

Effekten vil være 0,7 x 1,4 = 0,98, eller bare 1 watt.

Sørg også for at 4k7 forhåndsinnstillingen er justert til en nøyaktig 4,1 V over utgangsterminalene.

Når justeringene ovenfor er gjort, kan du lade det tiltenkte Li-Ion-batteriet trygt, uten å bekymre deg for noen uønsket situasjon.

Siden vi ved 4,1 V ikke kan anta at batteriet er fulladet.

For å motvirke den ovennevnte ulempen blir et automatisk avskjæringsanlegg gunstigere enn konseptet ovenfor.

Jeg har diskutert mange automatiske lader i denne bloggen, noen av dem kan brukes til det foreslåtte designet, men siden vi er interessert i å holde designet billig og enkelt, kan en alternativ idé som er vist nedenfor, prøves.

Ansette en SCR for Cut-Off

Hvis du er interessert i å kun koble til automatisk, uten temperaturovervåking, kan du prøve den nedenfor forklarte SCR-baserte designen. SCR brukes over ADJ og bakken på IC for en låsing. Porten er rigget med utgangen slik at når potensialet når omtrent 4,2 V, skyter SCR og låses PÅ, og kutter strømmen til batteriet permanent.

Terskelen kan justeres på følgende måte:

Først holder du 1K forhåndsinnstilt justert til bakkenivå (ekstrem til høyre), bruk en 4,3 V ekstern spenningskilde på utgangsterminalene.
Juster nå sakte forhåndsinnstillingen til SCR bare utløses (LED lyser).

Dette setter kretsen for automatisk avstenging.

Hvordan sette opp kretsen ovenfor

Først må du holde den sentrale skyvearmen på forhåndsinnstillingen ved å berøre bakken på kretsen.

Nå, uten å koble til strømbryteren til batteribryteren, må du sjekke utgangsspenningen som naturlig viser full ladningsnivå som angitt av motstanden på 700 ohm.

Deretter justerer du forhåndsinnstillingen veldig dyktig og forsiktig til SCR bare utløser og stenger utgangsspenningen til null.

Det er det, nå kan du anta at kretsen er klar.

Koble til et utladet batteri, slå på strømmen og sjekk responsen, antagelig vil ikke SCR avfyres før den innstilte terskelen er nådd, og kutt av så snart batteriet når den innstilte fulladeterskelen.

3) Li-Ion batteriladerkrets med IC 555

Den andre enkle designen forklarer en enkel, men likevel presis automatisk Li-Ion-batteriladerkrets med den allestedsnærværende IC 555.

Lading av Li-ion-batteri kan være kritisk

Et Li-ion-batteri, som vi alle vet, må lades under kontrollerte forhold, hvis det lades på vanlig måte kan føre til skade eller til og med eksplosjon av batteriet.

I utgangspunktet liker ikke Li-ion-batterier å lade cellene sine for mye. Når cellene når den øvre terskelen, bør ladespenningen kuttes av.

Følgende Li-Ion batteriladerkrets følger de ovennevnte forholdene veldig effektivt slik at det tilkoblede batteriet aldri får overskride grensen for overladning.

Når IC 555 brukes som en komparator, blir dens pinne nr. 2 og pinne nr. 6 effektive avkjenningsinnganger for å oppdage de nedre og øvre spenningsterskelgrensene, avhengig av innstillingen av de aktuelle forhåndsinnstillingene.

Pin # 2 overvåker terskelnivået for lavspenning, og utløser utgangen til en høy logikk i tilfelle nivået faller under den angitte grensen.

Omvendt overvåker pin 6 den øvre spenningsterskelen og tilbakestiller utgangen til lav når den oppdager et spenningsnivå som er høyere enn den angitte høye deteksjonsgrensen.

I utgangspunktet må øvre avskjæring og nedre bryter PÅ-handlinger stilles inn ved hjelp av relevante forhåndsinnstillinger som tilfredsstiller standardspesifikasjonene til IC, så vel som det tilkoblede batteriet.

Forhåndsinnstillingen angående pinne nr. 2 må være innstilt slik at den nedre grensen tilsvarer 1/3 av Vcc, og tilsvarende forhåndsinnstilt assosiert med pinne nr. 6 må være innstilt slik at den øvre avskjæringsgrensen tilsvarer 2/3 av Vcc, som i henhold til standardreglene til IC 555.

Hvordan det fungerer

Hele funksjonen til den foreslåtte Li-Ion-laderkretsen ved bruk av IC 555 skjer som forklart i følgende diskusjon:

La oss anta at et fullstendig utladet li-ion-batteri (ved rundt 3,4 V) er koblet til ved utgangen til den nedenfor viste kretsen.

Forutsatt at den nedre terskelen som skal settes et sted over 3.4V-nivået, registrerer pinne nr. 2 umiddelbart lavspenningssituasjonen og trekker utgangen høyt ved pinne nr. 3.

High at pin # 3 aktiverer transistoren som slår PÅ inngangsstrømmen til det tilkoblede batteriet.

Batteriet begynner nå gradvis å lades.

Så snart batteriet når full ladning (@ 4,2 V), forutsatt at den øvre avskjæringsgrensen på stift nr. 6 skal settes til rundt 4,2 v, føles nivået på stift nr. 6, som umiddelbart tilbakestiller utgangen til lav.

Den lave ytelsen slår øyeblikkelig av transistoren, noe som betyr at ladeinngangen nå er sperret eller avbrutt for batteriet.

Inkluderingen av et transistortrinn gir også muligheten til å lade høyere strøm Li-Ion-celler.

Transformatoren må velges med spenning som ikke overstiger 6V, og strømverdien 1/5 av batteriets AH-klassifisering.

Kretsdiagram

Hvis du føler at ovennevnte design er mye kompleks, kan du prøve følgende design som ser mye enklere ut:

Hvordan sette opp kretsen

Koble til et fulladet batteri over de viste punktene og juster forhåndsinnstillingen slik at reléet bare deaktiveres fra N / C til N / O-posisjon .... gjør dette uten å koble til en likestrømsinngang til kretsen.

Når dette er gjort, kan du anta at kretsen skal stilles inn og kan brukes for automatisk avbrudd av batteriet når den er fulladet.

Under faktisk lading må du forsikre deg om at ladestrømmen alltid er lavere enn batteriets AH-klassifisering, noe som betyr at hvis antar at batteriets AH er 900mAH, bør inngangen ikke være mer enn 500mA.

Batteriet bør tas ut så snart reléet slås AV for å forhindre selvutladning av batteriet via 1K-forhåndsinnstillingen.

IC1 = IC555

Alle motstander er 1/4 watt CFR

IC 555 Pinout

Konklusjon

Selv om designene som er presentert ovenfor, alle er teknisk korrekte og vil utføre oppgavene i henhold til de foreslåtte spesifikasjonene, ser de faktisk ut som en overkill.

En enkel, men effektiv og sikker måte å lade en Li-Ion-celle på, forklares i dette innlegget , og denne kretsen kan være gjeldende for alle former for batterier, siden den perfekt tar vare på to viktige parametere: Konstantstrøm og automatisk ladeavstenging. Det antas at en konstant spenning er tilgjengelig fra ladekilden.

4) Lading av mange Li-Ion-batterier

Artikkelen forklarer en enkel krets som kan brukes til å lade minst 25 nommer Li-Ion-celler parallelt sammen raskt, fra en enkelt spenningskilde som et 12V batteri eller et 12V solcellepanel.

Ideen ble etterspurt av en av de ivrige tilhengerne av denne bloggen, la oss høre den:

Lader mange Li-ion-batterier sammen

Kan du hjelpe meg med å designe en krets for å lade 25 li-on-batterier (3,7 v - 800 mA hver) samtidig. Strømkilden min er fra 12v- 50AH batteri. Gi meg også beskjed om hvor mange forsterkere av 12v batteriet som vil bli trukket med dette oppsettet per time ... takk på forhånd.

Designet

Når det gjelder lading, krever Li-ion-celler strengere parametere sammenlignet med blybatterier.

Dette blir spesielt viktig fordi Li-ion-celler har en tendens til å generere betydelig mengde varme i løpet av ladeprosessen, og hvis denne varmegenereringen går utenfor kontroll, kan det føre til alvorlig skade på cellen eller til og med en mulig eksplosjon.

En god ting med Li-ion-celler er imidlertid at de kan lades med full 1C-hastighet i utgangspunktet, i motsetning til blybatterier som ikke tillater mer enn C / 5-ladningshastighet.

Ovennevnte fordel gjør det mulig for Li-ion-celler å bli ladet med 10 ganger raskere hastighet enn blysyretellerdelen.

Som diskutert ovenfor, siden varmestyring blir det avgjørende problemet, blir resten av tingene ganske enkle hvis denne parameteren kontrolleres riktig.

Det betyr at vi kan lade Li-ion-cellene med full 1C-hastighet uten å være plaget med noe så lenge vi har noe som overvåker varmen fra disse cellene og iverksetter nødvendige korrigerende tiltak.

Jeg har prøvd å implementere dette ved å feste en egen varmefølsom krets som overvåker varmen fra cellene og regulerer ladestrømmen i tilfelle varmen begynner å avvike fra sikre nivåer.

Kontrollerende temperatur ved 1C-hastighet er avgjørende

Det første kretsskjemaet nedenfor viser en presis temperaturfølerkrets med IC LM324. Tre av opampene har vært ansatt her.

Dioden D1 er en 1N4148 som effektivt fungerer som temperatursensoren her. Spenningen over denne dioden synker med 2 mV ved hver grad av temperaturøkning.

Denne endringen i spenningen over D1 ber A2 om å endre sin utgangslogikk, som igjen initierer A3 for gradvis å øke utgangsspenningen tilsvarende.

Utgangen fra A3 er koblet til en optokoblings-LED. I henhold til innstillingen av P1 har A4-utgang en tendens til å øke som svar på varmen fra cellen, til til slutt den tilkoblede LED-en lyser og den interne transistoren i opto leder.

Når dette skjer, forsyner optotransistoren 12V til LM338-kretsen for å initiere de nødvendige korrigerende handlingene.

Den andre kretsen viser en enkel regulert strømforsyning ved bruk av IC LM338. 2k2-potten er justert for å produsere nøyaktig 4,5V over de tilkoblede Li-ion-cellene.

Den forrige IC741-kretsen er en overladningsavbruddskrets som overvåker ladningen over cellene og kobler fra forsyningen når den når over 4,2V.

BC547 til venstre i nærheten av ICLM338 er introdusert for å bruke riktige korrigerende tiltak når cellene begynner å bli varme.

I tilfelle cellene begynner å bli for varme, treffer tilførselen fra temperaturfølerens optokobler LM338-transistoren (BC547), transistoren leder og slår øyeblikkelig av LM338-utgangen til temperaturen kommer ned til normale nivåer, fortsetter denne prosessen til celler blir fulladet når IC 741 aktiverer og kobler cellene permanent fra kilden.

I alle 25 celler kan være koblet til denne kretsen parallelt, hver positive linje må inneholde en separat diode og en 5 Ohm 1 watt motstand for jevn fordeling av ladningen.

Hele cellepakken bør festes over en vanlig aluminiumplattform slik at varmen blir ledet jevnt over aluminiumplaten.

D1 bør limes riktig over denne aluminiumsplaten slik at den avledede varmen blir registrert optimalt av sensoren D1.

Automatisk Li-Ion Cell Charger og Controller Circuit.

Konklusjon

• De grunnleggende kriteriene som må opprettholdes for ethvert batteri er: lading under behagelige temperaturer, og kutting av strømforsyningen så snart den når fulladet. Det er den grunnleggende tingen du må følge, uavhengig av batteritype. Du kan overvåke dette manuelt eller gjøre det automatisk, i begge tilfeller vil batteriet lade seg trygt og ha lengre levetid.
• Ladings- / utladningsstrømmen er ansvarlig for temperaturen på batteriet. Hvis disse er for høye i forhold til omgivelsestemperaturen, vil batteriet ditt lide på lang sikt.
• Den andre viktige faktoren er å aldri la batteriet lades ut tungt. Fortsett å gjenopprette fulladet eller fortsett å fylle det når det er mulig. Dette vil sikre at batteriet aldri når sitt lavere utladningsnivå.
• Hvis du synes det er vanskelig å overvåke dette manuelt, kan du gå til en automatisk krets som beskrevet på denne siden .

Har du ytterligere tvil? La dem komme gjennom kommentarfeltet nedenfor