วงจรชาร์จแบตเตอรี่ Li-Ion USB 3.7V

ในบทความนี้เราศึกษาวงจรเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบ USB 3.7V ของคอมพิวเตอร์ที่มีคุณสมบัติการควบคุมกระแสไฟอัตโนมัติ

มันทำงานอย่างไร

วงจรสามารถเข้าใจได้ด้วยความช่วยเหลือของคำอธิบายต่อไปนี้:

IC LM358 ถูกกำหนดค่าให้เป็นตัวเปรียบเทียบ ไม่ได้ใช้ IC LM741 เนื่องจากไม่ได้ระบุให้ทำงานกับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 4.5V

พิน # 2 ซึ่งเป็นอินพุทกลับด้านของ IC จะใช้เป็นพินตรวจจับและต่อด้วยพรีเซ็ตสำหรับการปรับเปลี่ยนและการตั้งค่าที่จำเป็น

พิน # 3 ซึ่งเป็นอินพุทที่ไม่กลับด้านของ opamps อ้างอิงที่ 3V โดยยึดด้วยไดโอดซีเนอร์ 3V

สามารถมองเห็นไฟ LED สองดวงต่อสายที่ขาเอาต์พุตของ opamp เพื่อตรวจจับและระบุสภาพการชาร์จของวงจร ไฟ LED สีเขียวแสดงว่ากำลังชาร์จแบตเตอรี่ในขณะที่ไฟสีแดงจะสว่างขึ้นทันทีที่ชาร์จแบตเตอรี่จนเต็มและแหล่งจ่ายไฟถูกตัดออกจากแบตเตอรี่

วิธีชาร์จโดยใช้พอร์ต USB

โปรดจำไว้ว่าขั้นตอนการชาร์จอาจค่อนข้างช้าและอาจใช้เวลาหลายชั่วโมงเนื่องจากโดยปกติแล้วกระแสไฟจาก USB ของคอมพิวเตอร์จะต่ำมากและอาจอยู่ในช่วงระหว่าง 200mA ถึง 500mA ขึ้นอยู่กับว่าจะใช้พอร์ตหมายเลขใดตามวัตถุประสงค์

เมื่อประกอบและตั้งค่าวงจรแล้วการออกแบบที่แสดงด้านล่างนี้สามารถใช้สำหรับชาร์จแบตเตอรี่ Li-Ion สำรองผ่านพอร์ต USB

ขั้นแรกให้เชื่อมต่อแบตเตอรี่ตามจุดที่ระบุจากนั้นเสียบขั้วต่อ USB กับซ็อกเก็ต USB ของคอมพิวเตอร์ของคุณ ไฟ LED สีเขียวควรติดทันทีแสดงว่ากำลังชาร์จแบตเตอรี่

คุณสามารถติดโวลต์มิเตอร์บนแบตเตอรี่เพื่อตรวจสอบการชาร์จและตรวจสอบว่าวงจรตัดการจ่ายไฟอย่างถูกต้องหรือไม่ตามขีด จำกัด ที่ระบุ

เนื่องจากกระแสจาก USB ของคอมพิวเตอร์อาจมีน้อยลงจึงสามารถละเว้นขั้นตอนการควบคุมปัจจุบันได้และการออกแบบข้างต้นสามารถทำให้ง่ายขึ้นได้มากดังที่แสดงด้านล่าง:

คลิปวิดีโอแสดงการตัดการทำงานอัตโนมัติเมื่อเซลล์ Li-Ion ชาร์จสูงถึง 4.11V:

โปรดทราบว่าวงจรจะไม่เริ่มการชาร์จเว้นแต่จะเชื่อมต่อแบตเตอรี่ก่อนที่จะเปิดสวิตช์ดังนั้นโปรดเชื่อมต่อแบตเตอรี่ก่อนที่จะเชื่อมต่อกับพอร์ต USB

LM358 มี opamp สองอันซึ่งหมายความว่าหนึ่ง opamp เสียที่นี่และยังคงไม่ได้ใช้งาน อาจลองใช้ LM321 แทนที่จะหลีกเลี่ยงการมี opamp ที่ไม่ได้ใช้งาน

วิธีการตั้งค่าวงจรชาร์จ USB Li-ion ด้านบน:

ใช้งานได้ง่ายมาก

1. ขั้นแรกตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ย้ายค่าที่ตั้งล่วงหน้าไว้ที่ด้านกราวด์จนสุด ความหมายพิน # 2 ควรอยู่ที่ระดับพื้นดินผ่านค่าที่ตั้งไว้ในตอนแรก
2. ถัดไปโดยไม่ต้องเชื่อมต่อแบตเตอรี่ใด ๆ ให้ใช้ 4.2 V ที่แน่นอนกับ +/- สายจ่ายของวงจรผ่านแหล่งจ่ายไฟที่ปรับได้อย่างแม่นยำ
3. คุณจะเห็นไฟ LED สีเขียวติดสว่างทันที
4. ตอนนี้ให้หมุนค่าที่ตั้งไว้อย่างช้าๆจนกระทั่งไฟ LED สีเขียวดับลงและไฟ LED สีแดงจะเปิด
5. แค่นั้นแหละ! ตอนนี้วงจรทั้งหมดถูกตั้งค่าให้ตัดที่ 4.2 V เมื่อเซลล์ Li-Ion จริงถึงระดับนี้
6. สำหรับการทดสอบขั้นสุดท้ายให้เชื่อมต่อแบตเตอรี่ที่หมดแล้วเข้ากับตำแหน่งที่แสดงเสียบไฟเข้าผ่านซ็อกเก็ต USB ของคอมพิวเตอร์และสนุกไปกับการเฝ้าดูเซลล์ที่กำลังชาร์จและตัดไฟตามเกณฑ์ 4.2 V ที่กำหนด

เพิ่มคุณสมบัติ CC ปัจจุบันคงที่

ดังจะเห็นได้ว่ามีการเพิ่มคุณสมบัติกระแสคงที่โดยการรวมขั้นตอน BC547 เข้ากับฐานของ BJT หลัก

ที่นี่ตัวต้านทาน Rx จะกำหนดตัวต้านทานการตรวจจับปัจจุบันและในกรณีที่ถึงขีด จำกัด กระแสไฟฟ้าสูงสุดการลดลงที่อาจเกิดขึ้นในตัวต้านทานนี้จะเรียกใช้ BC547 อย่างรวดเร็วซึ่งเป็นฐานของไดรเวอร์ BJT ปิดการนำไฟฟ้าและการชาร์จแบตเตอรี่ .

ตอนนี้การกระทำนี้ยังคงแกว่งที่ขีด จำกัด ปัจจุบันทำให้กระแสคงที่ CC ที่ต้องการ ควบคุมการชาร์จ สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เชื่อมต่อ

ไม่จำเป็นต้องมีการ จำกัด กระแสไฟ USB

แม้ว่าจะมีการแสดงสิ่งอำนวยความสะดวกในปัจจุบัน แต่อาจไม่จำเป็นต้องใช้เมื่อใช้วงจรกับ USB เนื่องจาก USB มีกระแสไฟฟ้าค่อนข้างต่ำอยู่แล้วและการเพิ่มตัว จำกัด อาจไม่มีประโยชน์

ควรใช้ลิมิตเตอร์ปัจจุบันเฉพาะเมื่อกระแสต้นทางสูงมากเช่นจากโซลาร์เซลล์หรือจากแบตเตอรี่อื่น

การปรับปรุงวงจรเพิ่มเติม

หลังจากการทดสอบบางส่วนปรากฏว่าทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันไม่สามารถเปลี่ยนกระแสที่เพียงพอไปยังเซลล์ Li-Ion ได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ปล่อยออกมาอย่างมาก ส่งผลให้ระดับแรงดันไฟฟ้าทั่วเซลล์ต่างกันและทั่วรางจ่ายของวงจร

เพื่อต่อสู้กับปัญหานี้ฉันพยายามปรับปรุงการออกแบบเพิ่มเติมโดยแทนที่ Darlington BJT เดียวด้วยเครือข่าย NPN / PNP คู่ดังที่ระบุด้านล่าง:

การออกแบบนี้ช่วยปรับปรุงการส่งกระแสไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญและส่งผลให้ระยะขอบของความแตกต่างระหว่างระดับแรงดันขั้วแบตเตอรี่กับระดับแรงดันไฟฟ้าจริงลดลงและการสลับการตัดที่ผิดพลาด

วิดีโอต่อไปนี้แสดงผลการทดสอบโดยใช้วงจรด้านบน:

ใช้รีเลย์ 5V

การออกแบบข้างต้นสามารถสร้างขึ้นโดยใช้ 5V ซึ่งจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าการส่งกระแสไฟฟ้าไปยังเซลล์จะดีที่สุดและชาร์จได้เร็วขึ้น แผนภาพวงจรสามารถดูได้ด้านล่าง:

โปรดทราบ:

บทความนี้มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากเมื่อเร็ว ๆ นี้ดังนั้นการอภิปรายเกี่ยวกับความคิดเห็นที่เก่ากว่าอาจไม่ตรงกับแผนภาพวงจรที่แสดงในการออกแบบและคำอธิบายที่ปรับปรุงในปัจจุบันนี้