Ładowarka akumulatorów Li-Ion i Li-Poly

Ładowarka akumulatorów Li-Ion i Li-Poly
Pobierz PDF Download icon

Od kilku lat na rynku powszechnie dostępne są akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe w stosunkowo niewygórowanej cenie. Korzystny stosunek ciężaru do pojemności, małe gabaryty, brak efektu pamięci i możliwość szybkiego ładowania to tylko niektóre z ich zalet. Ale nie ma róży bez kolców. Tych akumulatorów nie można ładować w tak prosty sposób, jak kwasowych, gdyż mogą ulec zniszczeniu. Prezentowany układ w nieskomplikowany sposób rozwiązuje ten problem, a ponadto umożliwia ładowanie np. z portu USB.

Głównym elementem ładowarki jest układ typu MCP73831 (rysunek 1). Jest to scalony kontroler ładowania pojedynczego ogniwa Li-Ion lub Li-Po. Zawiera w strukturze źródła napięć i prądów odniesienia, wzmacniacze operacyjne i tranzystory wykonawcze, przez co wymaga niewielkiej liczby elementów zewnętrznych. Dioda LED1 sygnalizuje obecność napięcia zasilającego, LED2 status ładowania.

Rysunek 1. Schemat ideowy ładowarki akumulatorów

Rezystory dołączone do wyprowadzenia PROG ustalają maksymalny prąd ładowania. Rezystor R5 (10 kΩ) ogranicza go do wartości 100 mA, natomiast równoległe dołączenie do niego rezystorów R3 i R5 (poprzez przełączenie switcha) daje wypadkową rezystancję ok. 2 kΩ. Wtedy akumulator jest ładowany prądem maksymalnym ok. 500 mA. Można ustalić własną wartość prądu, jednak nie większą niż 500 mA, zgodnie ze wzorem: IŁAD [mA] = 1000 V/ RPROG [kV], gdzie RPROG to wypadkowa rezystancja między wyprowadzeniem PROG a masą.

Należy mieć na uwadze, że dołączenie ogniwa do już zasilonej ładowarki nie rozpocznie procesu ładowania, gdyż układ scalony uznał je za zakończone. Podczas pierwszego etapu, na US1 wytraca się stosunkowo duża moc, jak na obudowę SOT23-5. Z tego powodu jest zalecane, aby napięcie zasilające było tylko o 0,3...0,4 V wyższe od maksymalnego napięcia ładowania, które dla akumulatorów Li-Po i Li-Ion wynosi 4,2 V.

W przeciwnym razie, zwłaszcza przy ładowaniu prądem 500 mA, wbudowane zabezpieczenie termiczne nie dopuści do przegrzania, a czyni to obniżając prąd i wydłużając tym samym czas potrzebny do osiągnięcia stanu naładowania. Natomiast maksymalne napięcie, którym można zasilać ładowarkę, to 6V, zaś pobierany prąd jest nie większy niż 20 mA od wartości nastawionej. Nie ma przeciwwskazań, by prąd ten zmieniać w trakcie ładowania.

Rysunek 2. Schemat montażowy ładowarki akumulatorów

Po podłączeniu akumulatora, ustawieniu odpowiedniego prądu i podłączeniu zasilania, ładowanie przebiega według następującego algorytmu:

  1. Ładowanie stałym prądem (CC). Napięcie na ogniwie powoli rośnie, aż do osiągnięcia wartości maksymalnej, na jaką pozwala układ, czyli 4,2V. Dioda LED2 świeci.
  2. Ładowanie stałym napięciem (CV). Powoli spada prąd płynący przez ogniwo. Dioda LED2 świeci.

Zakończenie procesu ładowania po wykryciu spadku prądu ładowania poniżej pewnego progu (kilka procent wartości prądu maksymalnego) - następuje odłączenie ładowanego ogniwa od zasilania i wyłączenie diody LED2.

Schemat ideowy ładowarki pokazano na rysunku 2. Jej montaż jest nieskomplikowany, nawet przylutowanie kontrolera, pomimo jego miniaturowej obudowy, nie powinno sprawić problemów.

Wykaz elementów:

R1: 220 Ω
R2: 470 Ω
R3: 2,2 kΩ
R4: 330 Ω
R5: 10 kΩ
C1, C3: 100 nF
C2, C4: 4,7 µF/16 V
LED1: czerwona 5mm
LED2: zielona 5mm
US1 MCP73831T-2ACI/OT
J1, J3: ARK2 5 mm
J2: goldpin 2-pin
S1 przełącznik HSS1270R

Na koniec kilka zdań na temat eksploatacji samych ogniw. Nie powinny być rozładowywane poniżej 3,2 V; niektórzy producenci dopuszczają 3 V. Zwarcie wyprowadzeń grozi zniszczeniem takiego akumulatora, a nawet jego wybuchem lub zapłonem. W większości przypadków, nie należy ustawiać prądu ładowania większego niż 0,5 C, niektóre ogniwa pozwalają nawet na 1 C lub 2 C.

Ich żywotność skraca ekspozycja na mrozy lub wysokie temperatury oraz przechowywanie w stanie rozładowania. Przy ładowaniu ogniw połączonych szeregowo, trzeba ładować każde z nich z osobna lub przy użyciu kilku ładowarek, zasilanych z odseparowanych galwanicznie zasilaczy. Ogniwa litowo-polimerowe od litowo-jonowych różnią się elektrolitem - jest on w postaci stałej, a nie ciekłej, co podnosi bezpieczeństwo ich użytkowania.

Michał Kurzela, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2013
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów