Arma un Circuito cargador para baterías de litio ajustable a cualquier tipo y capacidad.

Construye un circuito diseñado para cargar baterías de litio aplicando un riguroso proceso recomendado por todos lo fabricantes.

Este circuito casero funciona para casi todos los tipos, capacidades y tamaños actuales de baterías de iones de litio. Su diseño cumple todas las etapas y características rigurosas para una carga completa, confiable y al 100%. Ventajas que no ofrecen la mayoría de proyectos similares que basan su funcionamiento en detenerse cuando la batería alcanza una tensión de 4.2 voltios; dejándola con una carga de apenas el 60% u 80%.

CONTRUYENDO UN CARGADOR PROFESIONAL PARA BATERIA DE IONES DE LITIO.

Son costosas, delicadas en el proceso de carga y tienen una corta vida de uso con apenas 500 ciclos de carga y descarga en el mejor de los casos. Pero también son la mejor opción que tenemos considerando la potencia que ofrecen, peso y tamaño. Así que aprovechar al máximo una batería de iones de litio es una obligación moral, ecológica y técnica. Y para obtener todo el rendimiento posible, un punto fundamental es su proceso de recarga que debe garantizar la mejor saturación y conseguir el 100% de su capacidad sin dañarla o sobrecargarla. Para lograrlo, los fabricantes de estas baterías exigen y exhiben todos los datos necesarios, así como el proceso riguroso de todo el ciclo de carga que se debe realizar.  Toda esta información viene en las hojas técnicas (datasheet) de sus productos. 

Dentro de las marcas rojas los datos para el ciclo de carga ideal de una batería de litio.

¿Por qué este y no otro circuito casero de internet o comercial para el mismo propósito?

Porque por desgracia, todo parece indicar que una gran parte de la comunidad de electrónicos que se animan a diseñar y compartir circuitos caseros para tan fin, ignoran, no entienden o desconocen las características del proceso de carga correcto y completo que se aplica en estas baterías, enfocándose solo en el cliché que reza: “Se cargan hasta llegar a los 4.2 voltios”. Rondan en internet cientos de diagramas y tutoriales que, al examinarlos, prácticamente realizan un proceso mediocre que apenas logra una carga parcial, y que no consideran el ajuste y monitoreo de corriente (amperios), parámetro muy importante en la carga de baterías para lograr un 100% de saturación. Esto último es fundamental en todo tipo de baterías, no solo las de litio. Pero como dije: Casi todos se enfocan en detener la carga a los 4.2V y yá; Prácticamente diseñan fuentes de voltaje con interruptor automático que apenas cumple el método simplificado de “carga y ejecuta”.

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Otra opción más aceptable es conseguirse un moderno módulo de recarga comercial de origen chino con chips diseñados específicamente para tal fin. La desventaja de estos módulos es que casi todos están calculados específicamente para un tipo y capacidad de batería, dejándonos un margen muy limitado de ajuste para usarlo con otros tipos o capacidades diferentes al de su diseño. Tener uno de estos para cada caso no es practico ni rentable si se requieren recargas de diferentes baterías en el taller o laboratorio electrónico de forma constante.

Modulo comercial diseñado para cargar un solo tipo de batería de litio.

Entonces: Para quien quiera tomar en serio este asunto de cargar una batería de litio, les comparto un circuito diseñado para realizar el proceso de carga completo que abarca todas las etapas que los fabricantes recomiendan. Además de que se puede ajustar para la gran mayoría de tipos y capacidades actuales; Desde las usadas en dispositivos como Tablets o Smartphones, hasta las cilíndricas 18650 o las de alta densidad usadas en equipos de mayor consumo como drones. Este proyecto será una maravillosa herramienta de taller o laboratorio que soluciona esa necesidad de adaptación para usarse en diferentes casos. 

CARACTERISTICAS DE ESTE CARGADOR PROFESIONAL.

1.- Cumple con las 2 etapas de carga exigidas por todos los fabricantes de baterías de litio: siclo de corriente constante: CC. Y siclo de voltaje constante: CV. Para garantizar una carga completa.

2.- Se puede ajustar y limitar la corriente de carga con un potenciómetro: Desde los 130mA y hasta los 2100mA (2.1 Amperios) para cargar baterías de 1 celda (3.7v - 4.2v) con capacidades de 260mAh y hasta los 4200mAh, usando una constante de carga de 0.5C. El circuito siempre impedirá que la batería se recargue con más de la corriente fijada. 

3.- Limita el voltaje máximo de carga en la batería con 4.2 voltios en todo el proceso para no dañarla.

4.- No detiene la carga al llega a los 4.2v (60-80%) continua hasta lograr la carga de saturación optima (100% completa) sin dañar la batería.

5.- Indica con un LED cuando se alcanza el nivel máximo de saturación de carga. O sea: Cuando circula por la batería una corriente (mA) de entre el 3% y 10% de la capacidad máxima que ofrece en mAh. 

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6.- Solo puede cargar baterías de 1 celda. Se pueden recargar módulos o bancos con múltiples celdas, pero separándolas y cargando una a la vez. 

7.- Se alimenta con una fuente externa de 12 Voltios a 3 Amperios. 

8.- Usa componentes electrónicos fáciles de conseguir incluso reciclados.

Casi todos los componentes para armar el circuito son fáciles de conseguir, incluso recuperados de equipos desechados. 

DIAGRAMA ELECTRONICO.

En la imagen siguiente pueden ver el diagrama completo del proyecto. El corazón del diseño es un IC LM324: 4 amplificadores operacionales usados en modo comparador. No es un circuito simple, pero tampoco es algo que requiera un nivel de ingeniería para entenderlo y armarlo.

Diagrama electrónico del cargador de baterías de iones de litio profesional.

Te recomiendo que lo imprimas para facilitar e identificar los puntos de las futuras referencias que pondré más abajo. Un archivo PDF con el mismo diagrama más nítido lo podrás descargar en un enlace que comparto si continúas leyendo. Para los lectores con algo de experiencia en armado de circuitos, no les resultara difícil interpretarlo. El diagrama tiene todos valores y números de parte correspondiente para cada componente. El circuito no requiere de una calibración especial. Solo algunos detalles son necesarios de aclarar para que el proceso de armado sea fluido y claro. Y por supuesto, las instrucciones de uso para ajustarlo acorde a cada tipo de batería a recargar, están mas adelante.

LISTA DE COMPONENTES ELECTRONICOS:

• 1 IC: LM324N
• 2 TRANSISTORES TIP122
• 2 LEDS COMUNES DE 5MM. VERDE PARA LED1 Y ANARANJADO PARA LED2
• 1 POTENCIOMETRO 10K
• 1 RESISTENCIA DE 1 OHM A 7 O 10 WATTS (ALAMBRE)
• 3 RESISTENCIAS DE 560 OHMS A ¼ DE WATT. 1 DE ELLAS DE PREFERENCIA DE PRECISION.
• 1 RESISTENCIA DE 1 K A ¼ DE WATT. DE PREFERENCIA DE PRECISION.
• 1 RESISTENCIA DE 1.8 K A ¼ DE WATT.
• 1 RESISTENCIA DE 2    K A ¼ DE WATT. DE PREFERENCIA DE PRECISION.
• 1 RESISTENCIA DE 2.7 K A ¼ DE WATT. DE PREFERENCIA DE PRECISION.
• 2 RESISTENCIAS DE 4.7 K A ¼ DE WATT. DE PREFERENCIA DE PRECISION.
• 4 RESISTENCIAS DE 10 K A ¼ DE WATT. DE PREFERENCIA DE PRECISION.
• 1 RESISTENCIA DE 33 K A ¼ DE WATT. DE PREFERENCIA DE PRECISION.
• 1 RESISTENCIAS DE 100 K A ¼ DE WATT. DE PREFERENCIA DE PRECISION.
• 1 CONDENSADOR DE 100nF (104) a 50 voltios CERAMICO O POLIESTER DE BUENA CALIDAD.
• 1 CONDENSADOR DE 10nF (103) a 50 voltios CERAMICO O POLIESTER DE BUENA CALIDAD.
• 1 CONDENSADOR DE 1nF (101) a 50 voltios CERAMICO O POLIESTER DE BUENA CALIDAD.
• 2 CONECTORES DE PLASTICO TIPO EMKDS O SIMILARES
• CABLE CALIBRE 20 PARA CONECTAR LA BATERIA Y LA ENTRADA DE ALIMENTACION.
• ALAMBRE DELGADO PARA PUENTES: J1, J2, J3, J4.
• CABLE FLEXIBLE CALIBRE 24 PARA CONECTAR EL POTENCIOMETRO DE 10K.
• 1 DISIPADOR DE CALOR DE AL MENOS 10X10 CTMS PARA LOS TRANSISTORES.
• 1 FUENTE DE VOLTAJE DE 12 VOLTS CON AL MENOS 2.5A; 3A RECOMENDADO  Y DE PREFERENCIA DE TIPO CONMUTADA.

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MATERIAL OPCIONAL:

• PLACA FENOLICA DE 5 X 7 CTMS PARA CIRCUITO IMPRESO.
• CHASIS DE PLASTICO PARA MONTAR EL CIRCUITO.
• TORNILLOS PARA FIJAR LA PLACA.
• CAIMANES PARA CABLES DE CONEXIÓN A LA BATERIA. 

HERRAMIENTAS NECESARIAS PARA EL MONTAJE:

• CAUTIN CON PUNTA FINA DE AL MENOS 20WATTS.
• SOLDADURA DE 1 MM DE BUENA CALIDAD.
• MUTIMETRO CON ESCALA DE AMPERIOS EN CORRIENTE DIRECTA (10 A DC)

DETALLES Y RECOMENDACIONES AL MOMENTO DE MONTAR EL CIRCUITO.

Todas las resistencias indicadas con * en el diagrama he indicadas en la lista, debe ser preferentemente de precisión al 1% de tolerancia, o usar normales del 5% de tolerancia que se aproxime mucho al valor indicado.  Valores muy alejados al recomendado causarán variaciones que saldrán fuera de los recomendados para el proceso de carga.

R1 es una resistencia de alambre de al menos 7W - 10W. Usar una de menos potencia de disipación vuelve inestable al circuito en cargas con más de 1 amperios. Si no se puede conseguir de ese valor de disipación y se usa menor, recomiendo usar un ventilador que enfrié este componente y a los transistores.

La fuente de poder de 12V – 3A, debe ser muy estable y con la mayor exactitud en el valor de su salida. De 11.8v y hasta 12.3v máximo. Y que se mantenga así incluso al consumir 2300mA que el circuito cargador llegue a requerir.  Una de 2.5A funciona bien, pero en cargas con 2.1A (2100mA), podría calentarse y entregar valores de tensión inestables causando extraños comportamientos en el circuito.  Recomiendo usar del tipo conmutada (switching, pulsante, chopper) de buena calidad. 

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En cualquier tipo de prueba, se debe montar el disipador de calor en los transistores, usar el circuito sin este, podrían dañar eso componentes por la temperatura que disipan en cargas con más de 600mA.

Evita usar leds de alto brillo. Estos consumen más corriente y no es necesario un indicador muy intenso para el estado de carga. 

Se puede usar cualquier otro IC con 4 amplificadores operaciones que tenga las mismas características y orden de pines que el LM324N como el BA10324F. Incluso se pueden usar Chips por separado como el UA741 con sus respectivos ajustes en el circuito.

CIRCUITO IMPRESO (PCB) 

Con el diagrama puesto arriba, cualquiera puede montar el circuito en un protoboard o una tableta universal perforada colocando los componentes a gusto y conveniencia de cada lector que se anime a armarlo. Pero para aquellos que no tengan las habilidades necesarias o no querían hacerse la vida complicada, he diseñado una platilla con un circuito impreso (PCB) de apenas 5x7 ctms. Con todas las indicaciones para colocar y soldar los componentes perfectamente con la certeza de que ya fue 100% probada y garantizada en su correcto funcionamiento. 

Muestras de Plantilla para el PCB del circuito cargador de baterías de litio.

Pueden mandarla fabricar o hacerla ustedes mismos con el método que mejor manejen. Solo deben tener mucho cuidado de la calidad en el resultado final; es uno de los PCB´s más elaborado que he diseñado, con pistas muy delgadas y juntas que cuesta un poco hacerlo si no se tiene experiencia en la elaboración de estas placas.

Descarga la plantilla y el diagrama dando clic en el siguiente vinculo:

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DIAGRAMA Y PLANTILLA PCB PARA CIRCUITO CARGADOR DE BATERIAS DE LITIO

Clave archivo .rar: reparalo-ya-con-vazzen.blogspot.com 

Con el diagrama, la lista de materiales y la plantilla para una hermosa PCB, solo pones tu ingenio y tiempo. Una vez armado el circuito… ¡NO lo actives! Antes lee la siguiente parte de este texto.

PRUEBAS Y AJUSTES DEL CIRCUITO CARGADOR YA ARMADO.

Usándose por primera vez:

Una vez montado todo el circuito y verificando que todo esté en su lugar, bien soldado y correctamente conectado (si no se usó el PCB que comparto) es momento de energizarlo con la fuente de 12 voltios: El LED1 (Verde) debe iluminarse, ningún transistor, ni el IC LM324N o R1 (1 ohm, 7-10 watts ) debe calentarse y LED2  (Naranja) debe permanecer apagado. Imagen A de la foto 1.

Gira el potenciómetro al sentido contrario de las manecillas del reloj hasta llegar a tope. Esto ajusta el valor de corriente de carga para la batería al nivel más bajo, unos 130mA. Ningún LED cambia de estado al realizar este ajuste. Imagen B de la foto 1.

FOTO 1

Probando el ajuste de corriente de carga:

Configura el multímetro para mediciones de amperios DC y selecciónalo en la escala mas alta que tenga, típicamente 10A DC, conectar las puntas con los cables de salida para la batería: “Conector BAT” respetando la polaridad. El LED2 naranja se ilumina y el multímetro debe mostrar un flujo de corriente de 120-130 mA. (0.12A - 0.13A) Ver imagen A de foto 2. 

Si se gira la perilla del potenciómetro al sentido de las manecillas del reloj sin desconectar las puntas del multímetro, el valor se incrementará hasta los 2.1 amperios (tope de giro) Ver imagen B de foto 2. Valor máximo con que puede entregar el cargador. Si las mediciones son como se indica o con un rango de diferencia del +/- 2%, el circuito funciona correctamente. Regresar el potenciómetro al valor mínimo de corriente de salida y retira las puntas del multímetro. El LED2 naranja debe apagarse.

FOTO 2

Realizando la primera carga.

Toma una batería de iones de litio que requiera recargarse y fíjate en su etiqueta o superficie buscando el valor de mAh que puede entregar.  vuelve a conectar las puntas del multímetro al circuito cargador como se indica en el paso anterior y ajusta la salida de corriente a la mitad del valor que viste en la batería.

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Por ejemplo: si la batería indica que es 3.7v con 2400mAh (Imagen A de foto 3). Gira la perilla del potenciómetro  hasta que el multímetro indique 1.2 Amperes (imagen B de foto 3). Esto quiere decir que vas a recargar la batería con la mitad de corriente en comparación a la que puede entregar, o sea: Un factor de carga de 0.5C. 

FOTO 3

Retira las puntas del multímetro y conecta la batería al cargador respetando la polaridad: cable Positivo del cargador con polo positivo de la batería. Y cable negativo con polo negativo. Usa cables rojo y negro para que nunca falles. El LED2 naranja se iluminará y el proceso de carga comenzará. Es normal que los transistores y la resistencia de alambre se caliente mucho por un tiempo.  Cuando la batería alcance su nivel de carga optimo y al 100%, LED2 naranja se apagará, indicando que la recarga a terminado y la batería esta lista y  con una corriente de carga de apenas un 5% o 7% de la capacidad en mAh de la batería.  Este proceso pude llevar de 1 a 4 horas máximo, dependiendo de que tan descargada estaba la batería. 

Primera carga real usando el cargador armado.

Si mides el voltaje de la batería con el multímetro mientras esta se recarga, notaras que al principio del ciclo las mediciones estarán por debajo de los 4.2V hasta incluso 3.3V (ver imagen A de foto 4), Pero el valor de la corriente de carga será alto dependiendo que tan descargada este. Cuando el LED2 naranja se apaga, la batería no pasara de un voltaje máximo con 4.250V (ver imagen B de foto 4).   

FOTO 4

Recuerda: Al cargar cualquier batería de iones de litio, se debe usar un porcentaje menor o igual de corriente tomando como referencia la potencia en mAh que la batería indica. El valor optimo de ese porcentaje es puesto por todos los fabricantes de baterías en su hoja técnica (datasheet). Pero con el tiempo y la experiencia, se entiende que, para todos los casos y tipos, siempre se recomienda un porcentaje de entre: 50%: 0.5C. un 70%: 0.7C.

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Te recomiendo cargar todas las baterías con un factor de carga de 0.5C. O sea: la mitad de mAh de su capacidad indicada. Aunque puedes usar factores de carga de 0.7C y hasta 1C, realmente no cambia mucho el tiempo que se lleva ni el proceso en el cargador. 

Entendiendo esto último, se puede deducir fácilmente que nuestro circuito tiene la capacidad de recargar cualquier batería de iones litio simplemente ajustado el potenciómetro para seleccionar la corriente de carga. llegando hasta las de 4200mAh (4.2Ah) con un factor de carga de 0.5C, que es el equivalente a ajustarlo con la corriente máxima que entrega: 2100mA (2.1A). Pero no hay ningún problema si se usa con baterías de mayor capacidad; 4700mAh, 5400mAh, etc. Simplemente tardara mas tiempo el proceso de recarga al usar un factor de caga de menos de 0.5C. Pero esto no daña o degrada la batería que se cargara igual de bien  que las de menos mAh. 

Tampoco es problema si la batería usa un modulo de control integrado, es muy común que baterías usadas en smartphones cuenten con este tipo de circuitos incorporados. al final se cargaran con este circuito. 

Y con esto concluyo la explicación de todos los detalles y pruebas del circuito cargador que puedes armar. Seguro no tendrás problema en su proceso montaje.  

¡Ah...! Pero si quieres saber más a fondo cómo funciona el circuito, entender que componentes actúan en cada siclo y como realizan los procesos  de carga de corriente constante (CC) y voltaje constante (CV), así como la explicación de como regula y fija el voltaje a 2.4V hasta que detecta e indica cuando la batería tiene una carga total,  Te invito a que visites el blog periódicamente, pues en el siguiente articulo explicare a detalle el funcionamiento de cada etapa que lo conforma. será muy educativo e interesante.  Ponerlo en esta misma entada volvería laaaaargo, denso y tedioso el contenido.  Así que mejor por separado. Nos vemos pronto.

Actualización 9 de Febrero 2022: 

Pero bueno...  La entrada con la explicación del circuito a detalle que les mencioné arriba ya esta disponible. Búscala en la pagina principal del blog o simplemente haz clic aquí. 

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