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Todos los detalle de como interactuan los bloques y componentes
electrónicos de este circuito
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En esta ocasión vamos a profundizar sobre el funcionamiento del circuito
electrónico que conforma el cargador para baterías de iones de litio
avanzado que enseñe a armar en la entrada pasada, cuyas características cubren
los requerimientos recomendados por los fabricantes para una carga más
profesional y completa en comparación con la inmensa mayoría de
circuitos caseros similares que se comparten en Internet y que no toman en
cuenta esas recomendaciones.
ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO CARGADOR DE BATERÍAS DE LITIO
AVANZADO.
Para los que siguen este blog, ya saben de qué circuito estoy hablando. Pero
para los visitantes casuales que apenas descubrieron este texto, les comparto
el diagrama electrónico del cargador de baterías de
litio que analizaremos y que forma parte de un proyecto que
pueden armar si van a
esta entrada
donde encontrarán las instrucciones, detalles de construcción y pruebas de este circuito.
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Circuito electrónico avanzado para cargar baterías de litio
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Como introducción: Este cargador de baterías de litio avanzado se conforma de
4 circuitos electrónicos independientes diseñados con amplificadores
operacionales (OPAM´s por sus siglas en inglés) configurados en modo
comparador.
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Tres de estos OPAM´s y su respectivo diseño de circuito cubren las
características más importantes que se requieren para
recargar las baterías de iones de litio
correctamente:
- Monitoreo y control de la etapa de carga con corriente constante (CC)
- Monitoreo y control de la Etapa de carga con voltaje Constante (CV)
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Monitoreo e indicación de carga completa con una saturación del 100% en la
batería.
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Y un cuarto OPAM se encarga de generar un carril de voltaje necesario para
el correcto funcionamiento de los otros 3 OPAM´s y los transistores.
A continuación el mismo diagrama pero identificando los 4 bloques que
conforman el circuito completo.
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Identificación de los cuatro bloques que conforman el circuito cargador
de baterías de litio.
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Les recomiendo descargar e imprimir este último diagrama y tenerlo a la mano
para que, de manera muy práctica, puedan darle vistazos, pues en cada punto de
las siguientes explicaciones será necesario.
Por obvias razones, que el corazón del circuito es un IC: LM324N que
contiene en su interior los cuatro OPAM´s necesarios para el proyecto.
Comprendida esta introducción, es importante conocer de manera rápida como es
proceso de carga que realiza este circuito de principio a fin, para después
explicar cómo los módulos con OPAM´s funcionan en cada etapa del
proceso.
PROCEDIMIENTO COMPLETO DE CARGA QUE REALIZA EL CIRCUITO.
1.- Antes de conectar cualquier batería de litio que requiera
recargarse, primero se debe ajustar la corriente máxima que circulará
por esta con el potenciometro P1. Recuerden que este ajuste es manual para
abarcar todo tipo y potencia (mAh) de baterías de una celda (3.7V).
2.- Hecho este ajuste manual se conecta la batería al circuito y
comenzara con el proceso de carga con corriente constante (CC) que es
monitoreada y controlada por el bloque 1 del circuito mostrado en el
diagrama de arriba.
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3.- Cuando termina la etapa de CC y la batería alcanza aproximadamente 4.2
volts, comienza la etapa de CV (voltaje constante) controlada por el bloque 2
del circuito. El cual se encarga de que la batería nunca supere este valor de
tensión, evitando daños o sobrecalentamiento mientras continúa recargándose
hasta que la corriente que circula por ella llega al 5% del valor en mAh que
puede entregar en su descarga.
4.- Cuando la batería llega a ese 5%, el bloque 3 del circuito se activa
y apaga el led2. Esto indica una carga satisfactoria con una saturación del
100% y la batería puede removerse del circuito cargador.
No es un proceso complejo ciertamente. Solo es delicado; pues es de suma
importancia vigilar y controlar con mucha precisión las tensiones e
intensidades eléctricas mientras la batería pasa de un ciclo de carga a otro.
Y la mejor opción para lograr eso en electrónica, es con amplificadores
operacionales que estén comparando dichos voltajes y corrientes para controlar
el comportamiento de carga en la batería a través del transistor de potencia
Q2.
Una vez comprendido el proceso de carga que realiza el circuito, continuemos
con la explicación de cada uno de los bloques que lo conforman…
FUNCIONAMIENTO E INTERACCIÓN DE CADA BLOQUE QUE CONFORMAN EL CIRCUITO
ELECTRÓNICO DEL CARGADOR.
AJUSTE Y CONTROL DE CORRIENTE DE CARGA: BLOQUE 1.
Es la parte mas importante del circuito, pues aquí se ajusta y limita la
corriente máxima de carga en la batería.
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Bloque que ajusta y limita la corriente en el circuito cargador
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Se trata de un circuito seguidor de voltaje que funciona como limitador de
corriente (amperes) ajustable con P1, y que controla la intensidad que fluye
en la batería con Q2. El OPAM IC1C comparará el voltaje obtenido del divisor
de tensión conformado por R4, R5 y P1 que van desde los 130mV y hasta los
2.1Volts según se ajuste P1 con la formula:
Voltaje de salida comparador = (R5+P1/(R5+P1)+(R4+P1)) xVcc
...con el voltaje que se obtiene desde R8 de 1 ohm, que está configurada con
el transistor Q2 como resistencia Shunt. Lo que significa que por cada
volt que se mida en R8, esta circulando 1 amperio en la batería y el
transistor Q2.
I= Voltaje en R8 x Valor en ohms de R8
I= 1v x 1ohms
I=1A
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Si P1 se ajusta para que el divisor de tensión entregue 500mV a la entrada
“+” del IC1C, este aumentara el voltaje y por consiguiente la corriente a la
base del transistor que trabajara en forma lineal hasta que se obtengan
500mV en el emisor, R8 enviara este valor a la entrada “-“ de IC1C. Logrando
un equilibrio de tensiones en las ebtradas de IC1C que se mantiene asi y
garantiza que por la batería estén circulando máximo 500mA
I= 0.500V x 1 Ohm
I=0.500A = 500mA.
CONTROL DE VOLTAJE HASTA 4.25V MAXIMO: BLOQUE 2.
Este bloque se encarga de monitorear el voltaje que el cargador suministra a
la batería y lo mantiene a máximo 4.2V. Es el segundo bloque más
importante.
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Bloque que controla el voltaje hasta 4.25V en el circuito
cargador.
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Se trata de un circuito comparador de voltaje usando el OPAM IC1D que censa
la tensión directamente de la batería conectada al colector de Q2 y la
compara con una referencia fija y muy precisa de 4.2 volts que viene del
arreglo compuesto por R9, R10, R11 y DZ1. Mientras la batería no alcance el
umbral de 4.2 volts, la salida del IC1D enlazada con la entrada negativa (-)
de IC1C a través de D2 y R12, permitirán aumentar la tensión en Q2. Pero
cuando dicha tensión en la batería llega a 4.2V. IC1D detiene ese
aumento de tensión en Q2 con IC1C.
La parte mas importante de este bloque es obtener los 4.2v que se usan como
referencia. Esto se logra usando un diodo zener de 5.1 volts: DZ1, conectado
a un divisor de tensión conformado por R9 y R10. Que son resistencias
de precisión. La formula para obtener el voltaje exacto es la siguiente:
Voltaje de referencia "+" del OPAM IC1D (Vref) = Voltaje del diodo
zener (Vz) - voltaje del divisor de tension (Vdr)
Vref = Vz - Vdr
Vz = 5.1
Vdr = (R10/R10 + R9) x Vz
Vdr= (2000/2000 + 10000) x 5.1
Vdr = 0.85v
Vref = 5.1 – 0.85
Vref = 4.25v
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Esta tensión de referencia se pueden medir en R9 con un multímetro y no debe
ser mayor a 4.25v o menor a 4.15v. la exactitud de este valor es importante
pues será la misma que tendrá la batería en el ciclo de voltaje constante,
por eso se usan resistencias de precisión al 1% de tolerancia que casi
siempre aseguran obtener un voltaje exacto de 4.20V. Si el valor no entra en
el rango recomendado, se debe usar un diodo Zener con una tolerancia de 1% o
estar probando con varios hasta que se logre el voltaje correcto.
MONITOR DE CARGA COMPLETA: BLOQUE 3:
Circuito encargado de censar el nivel de carga de la batería e indicar con
un LED cuando se a completado todo el proceso.
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Monitor de nivel de carga en la batería.
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Es otro comparador de voltaje usando el OPAM IC1B, que toma una muestra de
la tensión de salida del divisor de tensión del bloque 1 (el que fija la
corriente máxima de carga en el circuito) y la reduce diez veces con R13 y
R14 que es un tercer divisor de tensión formado con resistencias de
precisión.
Por 1 volt de muestra que salga del P1, se obtienen 0.10V en la entrada “+”
de IC1B para comprarla con el voltaje que viene de R8. Cuando la corriente
que circula en la batería también es una décima parte de la corriente
seleccionada con P1, las entradas del comparador IC1B se igualan y en su
salida la tensión cae a cero; LED2 se apaga. Y como la corriente
seleccionada con P1 es de entre el 50% y el 70% (0.5C y 0.7C) la corriente
al apagarse LED2 sera de entre el 5% y 7% del valor en mAh que la batería
puede entregar. Esto garantiza que LED2 se apagara cuando esta tenga
la saturación de carga máxima recomendada.
CARRIL DE VOLTAJE VIRTUAL PARA LOS OPAMS Y Q2: Bloque 4:
Debido a que el circuito usa transistores que trabajan en la zona lineal con
corrientes y tensiones bajas, así como los OPAM´s no pueden trabajar en el
umbral de 0V por el tipo de alimentación que tiene (12v - GND) porque
podrían existir fenómenos de inestabilidad, pues los OPAM no funciona bien
con ese tipo de alimentación, es necesario trabajar con uno o dos volts por
encima de cero (Masa virtual). Para solucionar esto, es necesario crear un
segundo carril de voltaje que permite operar a los OPAM´s en umbrales muy
cercanos a un "cero virtual" y así evitar que Q2 se active o desactive de
forma inestable con poco voltaje y corriente. Para logarlo, se usa el OPAM:
IC1A y Q1.
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Carril de voltaje de 2.5v para el buen funcionamiento de los OPAM´s y
Q2.
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Es por eso que puede verse que el transistor Q2 que controla el flujo de
corriente y voltaje en la batería está conectado a un riel de voltaje con Q1
y no a GND directamente. Este arreglo hace que la tensión de las
salidas de los OPAMS en el LM324N no alcanzasen su tensión de alimentación
negativa y sólo puede ir alrededor de 2.5V sobre ésta. Sin este ajuste el
transistor darlington podría apagarse y no limitar el voltaje y la corriente
correctamente.
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Entonces IC1A y el transistor Q1 es utilizado para crear esa masa virtual de
2.5v sobre GND. R1 y R2 son un cuarto divisor de voltaje de precisión
(resistencias con 1% de tolerancia) con una salida de 2.5V. IC1A toma
ese voltaje de referencia y lo compara con el voltaje que recibe de Q2 y el
resto del circuito, así mantiene conduciendo a Q1 de tal manera que
independientemente de la corriente, los 2.5v caerán siempre a través de él
evitando comportamientos extraños, valores diferentes en los divisores de
tensión e inestabilidad en las salidas de los OPAM´s y Q2.
Como este diseño tiene bastantes años (década de los 2000), hoy en día se
pueden realizar muchas mejoras si se remplazan los transistores darlington
con Mosfet canal N. que al trabajar con tensión y no con corriente. Una de
estas mejoras es prescindir de este último bloque y aumentar la
corriente de trabajo de todo el circuito de carga hasta quizá 6 amperes o
mas. Estoy trabajando en eso y pronto les compartiré la versión actual o
2.0, con un transistor Mosfet en lugar de usar dos BJT Darlington.
Debo admitir que omití muchos cálculos y conceptos de electrónica para no
hacer el texto tan denso. Pero siempre pueden realizar sus preguntas sobre
el propósito y cálculo de los componentes y circuitos pasivos que no
menciono. Así como las ecuaciones para modificar el circuito con otros
valores de referencia. Quizá, y como ejemplo, para cambiar el valor de
voltaje en el siclo CV de 4.2v a 4.1v o 3.7v para algunos tipos de baterías
de litio poco comunes.
Con esta publicación queda explicado el funcionamiento del circuito que
armamos en la
entrada pasada. Les recomiendo que lo lean varias veces para que se comprenda mejor y me
den su opinión y comentarios para refinarlo y mejorarlo, agregando o
quitando contenido, conceptos y formulas.
Me parece que ahora ya comprenden mas al amiguito de la imagen de abajo y
descubrieron con grata alegría que pese a que aparenta ser muy complejo, en
realidad tiene un funcionamiento simple: vigilando y limitando la corriente
y el voltaje usados para cargar la batería y al final solo indicarnos el
punto de saturación correcta de la carga.
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Cargador de baterías de litio avanzado Versión 1.0
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Nos leemos pronto con más información interesante o algún proyectito
practico para su taller o laboratorio electrónico.
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