O akumulátory Li-ion jsem se začal intenzivněji zajímat loni v létě, když se mi podařilo přivézt si z dovolené telefon bez nabíječky. Po několika experimentech vzniklo zapojení na obr. 1, které se velmi osvědčilo. Zapojení zajišťuje fázi nabíjení omezeným proudem a konstantním napětím.
Obr. 1. Zapojení jednoduché nabíječky Li-ion
Fig. 1. Simple Li-ion charger
Nabíjecí proud z usměrněného napětí transformátoru prochází tranzistorem T1, diodou D5, akumulátorem a rezistorem R2 zpět na síťový zdroj. Procházející proud vytváří na R2 úbytek napětí, který otevírá T2. Tranzistor T2 ovládá proud procházející T1 - proud je regulován tak, aby na R2 byl přibližně konstantní úbytek napětí. V kolektoru T2 je zapojena LED1, indikující fázi nabíjení proudem. Odpor rezistoru R1 je záměrně volen poměrně malý, aby rezistorem tekl podstatně větší proud, než je potřeba k řízení T1. Většina tohoto proudu pak protéká LED1 a T2. LED proto po celou fázi nabíjení proudem svítí přibližně konstantním jasem. Zapojení LED1 omezuje minimální výstupní napětí, při kterém obvod korektně funguje asi na 1 V. Protože i vybitý akumulátor má pořád napětí větší než 3 V, není to na závadu. Část obvodu pro stabilizaci výstupního napětí se ve fázi nabíjení proudem neuplatní. LED2 prochází malý proud a slabě svítí.
Stabilizátor s TL431C se uplatní až při dosažení konečného napětí. Se zvětšujícím se napětím začíná téci IO proud, zatímco proud tekoucí T2 se zmenšuje. Konečné nabíjecí napětí je nastaveno děličem R4, R5 a R6. Rezistor R5 slouží pro přesné nastavení výstupního napětí. Funkce obvodu TL431C je velmi jednoduchá - zvětší-li se napětí na vstupu R nad 2,5 V, zvětší se proud tekoucí mezi vývody K a A. Kondenzátor C2 a rezistor R7 slouží k zajištění stability regulátoru.
Ve fázi nabíjení konstantním napětím LED1 zhasne (T2 se uzavře) a rozsvítí se LED2. Je tak velmi jednoduše indikován postup nabíjení. Pokud svítí LED2, je článek nabit na více jak 70 % a můžeme jej používat. Naopak, ponecháme-li článek v nabíječce, článek se postupně dobije na 100 % a nabíjecí proud klesne postupně k nule. Vzhledem k tomu, že akumulátory nevykazují žádný paměťový jev, částečné vybíjení a nabíjení jim neškodí.
Jako výkonový prvek je při regulaci napětí i proudu použit tranzistor T1. Dioda D5 omezuje vybíjení akumulátoru, pokud je akumulátor připojen k nabíječce a ta není připojena k síti. Při použití Darlingtonovy dvojice tranzistorů, sestavené z diskrétních tranzistorů, by stačil přechod b-e, který má v závěrném směru napětí větší než 5 V. „Integrovaná“ dvojice tranzistorů má však v sobě rezistory a diodu, antiparalelně zapojenou mezi kolektor a emitor.
Obr. 2. Deska s plošnými spoji nabíječky Li-ion. Kliknutím
získáte obrázek v rozlišení 600 dpi
Figure 2. Li-ion charger PCB layout. Click
to get 600 dpi resolution image
Obr. 3. Rozmístění součástek na desce
Figure 3. Locations of components on the
board
Nabíječku můžete postavit na desce s plošnými spoji podle obr. 2 a 3. Tranzistor T1 opatříme malým chladičem (DO1). S použitými součástkami je však ztráta na T1 velmi malá. LED jsou typy pro malé proudy (2 mA). Oživení nabíječky je velmi jednoduché. Bez připojeného akumulátoru zkontrolujeme výstupní napětí, mělo by být co nejpřesněji 4,2 V (nebo 4,1 V u starších článků). Pokud tomu tak není, vyměňte R5 za jiný s odporem 180, 200, 240 nebo 270 kOhm. Výstupní napětí je třeba měřit na kvalitním přístroji, levné přístroje nemají dostatečnou přesnost; můj ukazoval 4,14 V, zatímco na výstupu bylo 4,09 V. Požadujeme-li konečné napětí 4,2 V, rezistor R5 zcela vypustíme. Nabíjecí proud ověříme tak, že na výstup připojíme takovou zátěž, aby napětí pokleslo pod 4 V. Nabíjecí proud lze upravit změnou odporu R2. S odporem 2,2 ohmů byl nabíjecí proud asi 220 mA.
Nastavíte-li nabíjecí proud větší, než je schopný dodat transformátor, nerozsvítí se při nabíjení LED1. Nabíjecí proud pak není omezen nabíječkou, ale výkonem transformátoru. Na funkci nabíječky to nemá vliv. Popsanou nabíječku používám již déle než půl roku k nabíjení „mobilu“ bez pozorovatelného negativního vlivu na kapacitu akumulátoru.
R1 | 1 kOhm |
R2 | 2,2 Ohm @ 220 mA 1,5 Ohm @ 330 mA jinak podle potřeby |
R3 | 470 Ohm |
R4 | 15 kOhm 1 % |
R5 | 220 kOhm, viz text |
R6 | 22 kOhm 1 % |
R7 | 10 kOhm |
C1 | 1000 µF/25 V |
C2 | 100 nF, keramic. |
D1 - D4 | B250C1000 (kulatý) |
D5 | 1N4001 |
LED1 | červená, 2 mA |
LED2 | zelená, 2 mA |
T1 | BD675 |
T2 | BC548 apod. |
IO1 | TL431C |
Tr | Transformátor 3,2 VA 230 V / 9 V TR EI38/13,6-1x9 Pro nabíjecí proud do 250 mA |
deska s plošnými spoji bcs24 |
Obr. 4. Deska nabíječky
Fig. 4. Charger board
Obr. 5. Nabíječka se "slotem" pro mobilní telefon
Fig. 5. Charger with mobile phone
Update 19. 11. 2003: |
Neustále dostávám dotazy, zda lze nabíjet více článků zapojených v sérii. Akumulátory v sérii nabíjet lze, stačí upravit odpor rezistorů R4 a R5 tak, aby na výstupu bylo stabilizované napětí 2x nebo 3x 4,2 V - podle počtu článků. Můžete také upravit odpor R2 a zvětšit tak nabíjecí proud. Před stabilizátorem (na kondenzátoru C1) musí být napětí nejméně o 3 až 4 V větší, takže je třeba použít jiný transformátor. Pro nabíjení celého paku je nutné, aby všechny akumulátory byly shodné!! V praxi tomu tak není. I když byly možná akumulátory původně vybrány tak, aby byly jejich parametry shodné, stárnutí se projeví u každého jinak. Akumulátor s nejmenší kapacitou se nabije dříve a pak trpí přebíjením, čímž se jeho životnost dále zkracuje. Pokud je to možné, je lepší nabíjet každý akumulátor zvlášť. Mám doma několik akumulátorů CGR18650HG vybraných z nějakého akupaku (asi z notebooku) a každý je jiný. Je-li u akumulátoru se dvěma články vyvedeno spojení článků, tak stačí nejakým jednoduchým obvodem udržovat v tomto bodu 1/2 nabíjecího napětí. Návrh zapojení (nevyzkoušeno!!!) je na obrázku. |
|
S akumulátory Li-ion je třeba zacházet opatrněji než s jinými typy akumulátorů. Akumulátor by neměl být nabíjen a vybíjen nadměrným proudem. Nabíjecí proud byl u nejstarších typů 0,1 C, novější typy lze nabíjet proudem 0,5 až 2 C. Vybíjecí proud může být několikanásobně větší. Je vhodné si k akumulátoru sehnat nějaké údaje.
Největší nebezpečí číhá na akumulátor ve fázi nabíjení konstantním napětím. Některé typy se nabíjejí napětím 4,1 V, modernější typy všechny napětím 4,2 V. Článek s nabíjecím napětím 4,1 V se může již při napětí 4,2 V vážně poškodit. Při ještě větším napětí se některé typy článků přeruší a jsou nenávratně zničeny, pokud není vybaven elektronickým ochranným obvodem. V literatuře se většinou udává pouze nabíjecí napětí 4,2 V.
Neseženete-li k akumulátoru údaj o nabíjecím napětí, můžete v některých případech změřit, na jaké napětí akumulátor nabíjí pro něj určená nabíječka. To je možné např. pro akumulátory z telefonů nebo videokamer, které koupíte jako náhradní díl a pak použijete k jiným účelům. Další možností je akumulátor nabíjet napětím 4,10 až 4,15 V a smířit se s menší kapacitou článku.
Podklady pro článek jsem čerpal většinou z Internetu.
Bohužel jsem si většinu adres nepoznamenal. Stačí však v
nějakém vyhledávači zadat klíčová slova „Li-ion“ a
„charge“ a pak si již jen vybrat. Dobře se osvědčil www.google.com.
Trocha teorie k nabíjení Li-ion zde.
[1] Zandl, P.: Přehled napájecích článků (nejen) pro
mobilní telefony. http://www.mobil.cz/poradna/baterie/akupack.html
[2] Havlík, L.: Vlastnosti a použití nabíjecích článků a
akumulátorů. KTE - Rádio plus 2/2001 s. 19.
Jaroslav Belza
Publikováno v Praktické elektronice č. 4/2001 na s. 12
Ve zkrácené a upravené podobě i v časopise RC revue č. 5 na
s. 10 (upravil MIC)
19. 11. 2003 upd.
2. 4. 2001