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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Ricarica sicura delle batterie agli ioni di litio. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Caricabatterie, batterie, celle galvaniche Negli ultimi anni la rivista Radio ha descritto moltissimi caricatori, compresi quelli cosiddetti "intelligenti", che oltre ad automatizzare al massimo il processo di ricarica della batteria (regolano la corrente di carica a seconda della tensione presente, trasformano spegnerlo quando è completamente carico), ma anche scaricarlo alla tensione iniziale richiesta prima della ricarica. Tuttavia, tutti questi dispositivi sono progettati per batterie Ni-Cd e Ni-MH e sono poco adatti alla ricarica di batterie Li-ion (ioni di litio) a causa delle loro caratteristiche specifiche. L'articolo pubblicato descrive un semplice caricabatterie progettato per caricare proprio tali batterie. Nonostante l'abbondanza di informazioni sulle batterie agli ioni di litio, Internet è pieno di controversie tra gli utenti, che indicano la necessità di un dispositivo abbastanza semplice e affidabile per caricarle. Il progetto proposto è solo una delle possibili soluzioni a questo problema, incentrato principalmente sul basso costo della sua fabbricazione. A differenza, ad esempio, del dispositivo descritto in [1], il costo dei microcircuiti utilizzati non supererà 1 USD. Certo, ci sono indicatori che, per motivi di economicità, non dovrebbero assolutamente essere trascurati. Il principale tra questi è la sicurezza operativa, che è diventata una "persona coinvolta" in racconti di radioamatori sulle esplosioni di batterie agli ioni di litio durante esperimenti incuranti con esse. In [2], le misure adottate dalle aziende per prevenire la distruzione involontaria delle batterie ricaricabili al litio sono descritte in modo sufficientemente dettagliato. Tuttavia, i produttori avvertono dell'inammissibilità di scaricarli a una tensione inferiore a 2,5 V o correnti elevate (più di 2,5 A), nonché di ricaricare. Sia la scarica profonda che la carica di corrente a lungo termine, anche solo di pochi microampere, possono stimolare la formazione di dendriti sugli elettrodi della batteria e provocarne il guasto prematuro. Pertanto, la conclusione suggerisce se stessa: per prolungare la "vita" di una batteria agli ioni di litio, è meglio ricaricarla in modo tempestivo (senza attendere che la tensione scenda a 2,5 V), senza necessariamente raggiungere un pieno (100 %) carica. È questo principio che sta alla base del funzionamento del dispositivo descritto progettato per caricare la batteria LGR18650E (le sue caratteristiche sono quasi le stesse del NEC ICR-18650 [2]). Se necessario, utilizzando le formule di calcolo riportate nell'articolo, è possibile modificare il caricabatteria con altre caratteristiche. Lo schema elettrico del dispositivo è mostrato in figura. La sua base è un microcircuito DA1 TSM101A specializzato, prodotto nei pacchetti D1P8 e S08.
Come sapete, le batterie agli ioni di litio devono prima essere caricate con una corrente costante e, una volta raggiunto un determinato livello di tensione, deve diminuire in modo esponenziale [2]. Nel dispositivo proposto, l'amplificatore operazionale DA1.2 confronta il segnale dal sensore di corrente di carica - resistore R3 - con parte della tensione di riferimento Uo6p = 1,24 V, prelevata dal motore del resistore R7, e apre leggermente il transistor VT1 esattamente come tanto quanto è necessario per creare la caduta di tensione richiesta attraverso il sensore di corrente. Inoltre, il dispositivo fornisce la cosiddetta modalità di condizionamento durante la ricarica di una batteria completamente scarica. Calcoliamo i parametri del dispositivo. Poiché in questo caso non è previsto il monitoraggio termico della batteria ricaricabile, ci limiteremo alla corrente di carica massima Icharge = 1 A. Ovviamente può essere aumentata a 1,6 A, ma in questo caso è necessario tener conto le raccomandazioni esposte, ad esempio, in [3]. L'amplificatore operazionale del chip DA2, che in questo caso non viene utilizzato, facilita l'implementazione del controllo termico della batteria in carica. Per il valore accettato della corrente di carica, la caduta di tensione attraverso il resistore R3 è di 0,22 V. È questa tensione che deve essere impostata sul motore del resistore R7 prima dell'installazione nel dispositivo, applicando una tensione di 1,24 V da uno stabilizzato fonte di alimentazione alla sua uscita superiore (secondo il circuito). La modalità di condizionamento della batteria ricaricabile G1 dovrebbe accendersi automaticamente se la tensione su di essa all'inizio della carica non supera i 2,5 V. A tal fine, il comparatore DA3.1 monitora la tensione su G1 (attraverso un divisore - un resistore di sintonia R11), e se è inferiore a 2,5 B, il transistor di uscita del comparatore si apre alla saturazione, collegando il pin 2 del chip DA1 al filo comune e quindi accendendo la sorgente di corrente esemplare. Come nel caso precedente, prima di installare il resistore R11 nel dispositivo, viene applicata una tensione calibrata (ma ora - 2,5 V) alla sua uscita superiore (secondo lo schema) e ruotando il cursore si ottiene una tensione di 1,24 V Dopo aver acceso la sorgente di corrente esemplare, Iobr = 1,4 mA di tensione all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale DA1.2 è la somma algebrica delle cadute di tensione attraverso i resistori R3 e collegati in parallelo R4, R6. Trascurando la caduta di tensione creata dalla corrente Iobr sul sensore di corrente R3, calcoliamo la resistenza del resistore R4 per il valore generalmente accettato della corrente di condizionamento Icond - 0,1 Icharge:
La resistenza richiesta è più semplice da selezionare collegando in parallelo R4 il resistore R6 indicato nel diagramma dei valori nominali. Pertanto, le resistenze dei resistori di impostazione della corrente indicate sul circuito forniscono la carica di una batteria completamente scarica con una corrente non superiore a 100 mA e quando la tensione su di essa sale a 2,5 V, con una corrente di 1 A. Finora abbiamo parlato della fase iniziale di ricarica della batteria. Al suo completamento, OS DA1.1 inizia a funzionare. Confrontando la tensione di riferimento all'ingresso non invertente con parte della tensione prelevata dal motore del resistore R10, apre il transistor VT1 quel tanto che basta in modo che la tensione sulla batteria non superi il livello specificato di 4,2 V. Per fare ciò, prima di installare il dispositivo sull'uscita superiore (secondo il circuito) del resistore R10 fornire una tensione di 4,2 V e impostare il motore in una posizione in cui la tensione ai suoi capi è di 1,24 V. Come accennato in precedenza, la ricarica di una batteria al litio dovrebbe essere completata a un certo valore di corrente. In questo caso viene scelto pari a 95 mA, che corrisponde a circa il 90% della sua capacità [2]. L'indicatore della corrente di carica è il LED HL2 collegato all'uscita del comparatore DA3.2. Quest'ultimo confronta il segnale del trasmettitore di corrente R3 con la tensione di riferimento. Nella fase finale della ricarica, questo segnale è molto piccolo e, per eliminare l'influenza dei parametri del comparatore e la necessità della sua selezione, nel dispositivo è stato introdotto l'amplificatore operazionale DA2.1. Modificando la resistenza del resistore R9 nel circuito OOS che lo ricopre, il comparatore viene fatto funzionare con una corrente di carica di 95 mA. Con i resistori R8, R9 indicati nel diagramma dei valori nominali, la luminosità del LED HL2 a questa corrente si riduce di circa la metà e quando scende a 93 mA l'indicatore si spegne. Questo comportamento del LED è dovuto alla comparsa di un "rimbalzo" di tensione all'uscita del comparatore quando si avvicina al punto di spegnimento e si osserva se la batteria è collegata direttamente al circuito di carica, bypassando i contatti del relè K1. L'introduzione di quest'ultimo ha permesso non solo di eliminare i "rimbalzi" indesiderati, ma anche di implementare lo spegnimento automatico della batteria al termine della ricarica. Succede nel modo seguente. Quando si preme il pulsante SB1, viene applicata una tensione di polarità positiva alla base del transistor VT2 (attraverso i resistori R15, R16) e si apre. Di conseguenza, il relè K1 viene attivato e con i suoi contatti K1.1 collega la batteria al circuito di carica. Poiché sia durante il condizionamento che durante la ricarica con corrente elevata, il comparatore DA3.2 accende il LED HL2 e il diodo emettitore dell'accoppiatore ottico U1, il fototransistor aperto collega il resistore R14 al bus di alimentazione +7 V, dopodiché il pulsante premuto SB1 può essere rilasciato. Il bagliore di HL2 consente di giudicare l'affidabilità della connessione tra il dispositivo e la batteria: se la qualità dei contatti è scarsa (la resistenza di contatto è elevata), non si accende. In questo caso il relè, dopo aver rilasciato il pulsante, ritorna nella sua posizione originaria, scollegando la batteria dal circuito di carica. Se la resistenza dei contatti è sufficientemente piccola, la ricarica procede secondo l'algoritmo descritto. Con una diminuzione della corrente nella fase finale e un tentativo da parte del comparatore di creare un "rimbalzo", il rilascio del relè provoca la disconnessione della batteria dal circuito di carica e al suo posto viene collegato il LED HL3 con un resistore limitatore di corrente R18. Glow HL3 segnala la fine della carica. Condensatore C4 nel circuito di base del transistor VT2 - soppressione del rumore. Per non sprecare la durata di una batteria agli ioni di litio, si consiglia di utilizzare una batteria di due o tre batterie Ni-Cd con una capacità di 0,5 ... 1 Ah come carico durante l'installazione del dispositivo, che a il primo stadio è collegato direttamente al catodo VD1, bypassando il gruppo di contatti del relè. Se si seguono attentamente le raccomandazioni per la preinstallazione dei resistori di regolazione R7, R10, R11, potrebbe non essere nemmeno necessario configurare il dispositivo, ma controllare gli indicatori principali (corrente di condizionamento, tensione di soglia per l'attivazione della corrente di carica completa, è ancora necessario il suo valore iniziale, la tensione finale sulla batteria in carica, il valore della corrente di fine carica visualizzata). Per il tempo di regolazione, un voltmetro digitale e un amperometro da 1 A sono collegati al circuito di carica e, invece di una batteria agli ioni di litio, è collegata una batteria di due celle Ni-Cd scaricate a 1 V. Dopo aver applicato la tensione di alimentazione di 7 V, la modalità di climatizzazione dovrebbe attivarsi. La corrente richiesta (0,1 A) viene impostata selezionando il resistore R6. Man mano che la batteria si carica, la tensione sulla batteria aumenterà e non appena diventerà pari a 2,5 V, la corrente di carica dovrebbe aumentare a 1 A. Se necessario, questo valore corrente viene impostato con un resistore di regolazione R7 e in ordine affinché cambi a una tensione di 2,5 V, regolare la posizione del cursore del resistore R11. Quindi una batteria di tre batterie viene collegata al dispositivo e si osserva come, dopo aver aumentato la tensione su di esso a circa 4 V, la corrente di carica inizi a diminuire. Con il suo valore pari a 95 mA, la luminosità del LED HL2, come notato, dovrebbe essere dimezzata, ea 93 mA dovrebbe spegnersi. Durante il passaggio dell'intervallo specificato della corrente di carica, il rimbalzo dei contatti del relè sarà chiaramente udibile. Poiché il suo gruppo di contatti in questa fase commuta una corrente di soli 5 mA circa (accende e spegne HL3), le sue condizioni non peggioreranno dopo tale test. Quando si carica per la prima volta, questo processo procede piuttosto lentamente, ma se si spegne il dispositivo e lo si riaccende (con batteria carica), la corrente diminuisce in pochi secondi e non è difficile ottenere il comportamento desiderato del LED entro i limiti di variazione di corrente specificati (selezionando la resistenza R9). Come indicato, la tensione finale sulla batteria è impostata su 4,18 V con un resistore di regolazione R10. Successivamente, la batteria viene collegata tramite i contatti del relè e viene verificato il funzionamento del circuito di avviamento, nonché l'accuratezza della disconnessione della batteria al termine della ricarica. In questo caso, potrebbe essere necessaria una scarica preliminare a breve termine di una batteria carica attraverso un resistore con una resistenza di 5 ... 10 Ohm. Al termine della regolazione viene collegata al dispositivo una batteria agli ioni di litio e, in fase di ricarica dello stesso, viene verificato il rispetto del voltaggio (tranne 2,5 V, ovviamente) e della corrente di carica con i valori impostati . A causa di alcune differenze nella resistenza interna delle batterie Li-ion e Ni-Cd, potrebbe essere necessario regolare nuovamente il dispositivo. Il dispositivo è assemblato su una breadboard 60x45 mm (il circuito stampato non è stato sviluppato). Il transistor VT1 è montato su un dissipatore di calore con una superficie di raffreddamento di circa 100 cm2. Possiamo sostituire il diodo 1N5822 con qualsiasi altro diodo Schottky con una corrente di lavoro fino a 3 A. I resistori trimmer R7, R10, R11 sono fili multigiro, ad esempio SP5-3. Condensatore C5 - qualsiasi ossido con una capacità di 6,8 ... 10 μF con una tensione nominale di 10 ... 35 V. Invece di KT829A, è possibile utilizzare qualsiasi altro potente transistor composito con un coefficiente di trasferimento di corrente statico della base h21E 750 ... 1000. Il dispositivo utilizza un relè reed RES55A con passaporto RS4.569.604 (nuova designazione - RS4.569.600-16). Poiché la sua tensione operativa è molto inferiore a 7 V, un resistore R17 è collegato in serie all'avvolgimento. È consentito utilizzare un relè di questo tipo con un passaporto RS4.569.603 (RS4.569.600-15). In questo caso, la resistenza del resistore che estingue l'eccesso di tensione dovrebbe essere ridotta a 43 ohm. Come fonte di corrente di carica, è possibile utilizzare l'adattatore CA descritto in [1] impostando la sua tensione di uscita a 7 V. Informazioni sui chip TSM101A, LM358 e LM393 Letteratura
Autore: S. Kosenko, Voronezh
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