Praktická elektronika/Nabíjení akumulátorů

Akumulátory hrají klíčovou roli v moderní elektronice a energetice. Od mobilních telefonů a notebooků přes elektrická vozidla až po záložní napájecí systémy – všechny tyto aplikace závisí na efektivním a bezpečném nabíjení akumulátorů. Správné nabíjení je zásadní nejen pro prodloužení jejich životnosti, ale také pro zachování výkonu a bezpečnosti. Každý typ akumulátoru má specifické vlastnosti, které vyžadují odpovídající nabíjecí metody. Zatímco olověné akumulátory snesou pomalejší nabíjení a určitou míru přebití, lithium-iontové články vyžadují přesné řízení napětí a proudu, aby se zabránilo jejich přehřátí či poškození.

Partyzánská nabíječka

Stabilizátor LM7805

Jednoduchý obvod umožňující nabíjení mobilu z autobaterie. V podstatě se nejedná o nabíječku, protože nemá regulaci proudu, ta je integrována přímo v mobilu. Tento obvod pouze zajišťuje napájecí napětí 5V. Výstupem je tedy USB konektor, jehož dva napájecí piny se používají k nabíjení. Běžně je mezi napětí​ 5 V​ a může protékat maximální proud 1 A Většina mobilů má při nabíjení odběr cca​ 0,6 A. Vstupem je olověný akumulátor má na svých svorkách napětí cca 12-14 V​. Jako nejjednodušší řešení použijeme integrovaný stabilizátor napětí LM7805, který má přesně vyhovující parametry. Ten stabilizuje výstupní napětí právě na 5 V a dokáže dodat proud 1 A. Aby správě fungoval, musí být jak jeho vstupu napětí alespoň o dva volty větší než je požadované výstupní. Maximální napětí, které nesmí být překročeno je 35 V. Platí tak:

• $U_{IN}=7-35V$
• $U_{OUT}=5V;I_{OUT}\leq 1A$

  

  Zapojení USB

Podle doporučení výrobce doplníme na vstup a výstup kondenzátory o příslušné kapacitě:

• $C_{IN}=330nF$
• $C_{OUT}=100nF$

  

  Schéma nabíječky

Dále pak přidáme LED diodu (zelená: u_D = 2,6 V) pro signalizaci přítomnosti výstupního napětí, kterou doplníme vhodným předřadným odporem:

• $R\geq {\frac {U_{OUT}-u_{D}}{I_{MAX}}}={\frac {5-2,6}{0,02}}=120\Omega$; volíme z řady E12 → ​ 150 Ω
• Kontrola na ztrátový výkon: $\Delta P={\frac {(U_{OUT}-u_{D})^{2}}{R}}={\frac {(5-2,6)^{2}}{150}}=0,038W$; běžný 0,25 W vyhoví.

Na vstup je potřeba připojit pojistku pro ochranu před nadproudem a zkratem. Jelikož proud tekoucí do pinu 2 je velice malý (cca 15 mA), stejně jako proud tekoucí diodou (cca 20mA), můžeme je zanedbat a uvažovat, že vstupní proud se stejný jako výstupní. Podle toho volíme velikost jmenovitého proudu pojistky:

• $I_{N}\gneq I_{IN}\approx I_{OUT}$→ volíme 1 A

Olověný akumulátor sice dodává bezpečné napětí 12V, nicméně jde o tzv. tvrdý zdroj (s nízkým vnitřním odporem) a v případě zkratu může proud dosahovat hodnot až několik stovek ampér a způsobit poškození akumulátoru a/nebo nabíječky.

Test funkce nabíječky

Seznam součástek:

• X_IN - Bateriové svorky 69mm
• X_OUT - USB - A (♀)
• F - přístrojová pojistka 5×20 mm; 1A (F)
• Q - LM7805 + chladič (TO-220)
• C_IN = 330 nF/50 V
• C_OUT = 100 nF/50 V
• R = 150 Ω / 0,25 W
• D - LED ⌀ 5mm; 2,6 V/20 mA (zelená)

Nabíječka nemá příliš vysokou účinnost (cca 40 %) a na chladiči stabilizátoru vznikají značné ztráty

Energetická bilance:

• $I_{IN}\approx I_{OUT}=0,6A;U_{IN}=14V;U_{OUT}=5V$
• Výkon odebíraný ze zdroje: $P_{IN}=U_{IN}\cdot I_{IN}=14\cdot 0,6=8,4W$
• Výkon dodávaný do telefonu: $P_{OUT}=U_{OUT}\cdot I_{OUT}=5\cdot 0,6=3W$
• Ztráty na chladiči regulátoru: $\Delta P=P_{IN}-P_{OUT}=8,4-3=5,4W$
• Účinnost: $\eta =100\cdot {\frac {P_{OUT}}{P_{IN}}}=100\cdot {\frac {3}{8,4}}\approx 36\%$

Nabíječka Li-ion a Li-pol akumulátorů

Průběhy proudu a napětí při nabíjení

Schéma nabíječky

Tento obvod slouží k nabíjení Li-ion a Li-pol akumulátorů. Stejně jako v předchozím případě se jedná o stabilizátor napětí, v tomto případě ale s nastavitelným výstupním napětím a rovněž zpětnou vazbou zajišťující proudové omezení. Čip Q₁ je regulátor napětí LM317, jehož výstup je nastaven pomocí rezistorů R₁ a R₂. Čip pracuje tak, že se snaží udržet mezi piny 1 a 2 konstantní napětí (o velikosti rovné vnitřní napěťové referenci 1,25 V) při téměř nulovém proudu tekoucím do pinu 1; potom tedy platí:

${\frac {U_{REF}}{R_{1}}}={\frac {U_{OUT}}{R_{1}+R_{2}}}\rightarrow U_{OUT}=1,25\cdot (1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}})$.

Přestože tento typ akumulátorů má jmenovité napětí 3,6 až 3,7 V; výstup nabíječky se nastavuje na hodnotu vyšší, a to tzv. cílové napětí. To odpovídá napětí plně nabitého článku a je rovno zhruba 4,2 V. Na tuto hodnotu se pomocí trimru R₂ nastaví výstupní napětí ve stavu naprázdno, tedy s odpojeným akumulátorem. Aby se omezily ztráty způsobené proudem protékajícím rezistory R₁ a R₂, musí být jejich odpor minimálně v řádu stovek ohmů.

K omezení proudu při nabíjení slouží tranzistor Q₂, dioda D a rezistor R₃. Proud tekoucí baterií vytváří úbytek napětí na odporu R₃ a tento úbytek působí na sériové spojení diody D a přechodu B-E tranzistoru Q₂. Pokud překročí prahovou hodnotu (součet prahových napětí dvou PN přechodů, cca 0,95 V), tranzistor Q₂ se začne otevírat a tím přemosťovat trimr R₂. To má stejný efekt, jako by se jeho odpor snížil, dojde tak ke snížení výstupního napětí a tím i proudu. Platí tak:

$R_{3}={\frac {u_{P}}{I_{MAX}}}={\frac {0,5+0,45}{I_{MAX}}}\rightarrow I_{MAX}={\frac {0,95}{R_{3}}}$.

Proces nabíjení začíná režimem konstantního proudu. Po připojení vybitého akumulátoru (napětí cca 3,3 V) dojde ke snížení výstupního napětí a proud je udržován na nastavené hodnotě. Napětí na článku nabíjením roste dokud nedosáhne cílové hodnoty. V tomto okamžiku přechází nabíjení do režimu konstantního napětí. S rostoucím stupněm nabití proud klesá k nule. Proces je ukončen, když proud klesne pod předepsanou hodnotu.

Nabíječka s akumulátorem Li-pol 3,6 V/200mAh napájená laboratorním zdrojem

Nastavení:

• pomocí R₂ nastavit U_OUT na 4,1 V při R₁ = 330 Ω

$4,1=1,25\cdot (1+{\frac {R_{2}}{330}})\rightarrow R_{2}=330\cdot ({\frac {4,1}{1,25}}-1)=752\Omega$

(trimr 1k s lineárním průběhem nastavený na cca 75 %)

• nastavit I_MAX pomocí R₃

Li-pol monočlánek 3,6V/200mAh:

• nabíjecí proud: $I_{MAX}=1C=200mA$
• odpor: $R_{3}={\frac {0,95}{0,2}}=4,57\rightarrow$ volíme z řady E12 hodnotu 4,7 Ω
• výkonová ztráta: $\Delta P=RI^{2}=4,7\cdot (0,2)^{2}=0,188\rightarrow$ běžný rezistor 0,25W vyhoví
• F: ${I_{N}}\geq I_{MAX}\rightarrow$ volíme 250mA

Seznam součástek:

• U_N = 9 - 24 V
• B - 3,6V/200 mA
• Q₁ - LM317
• Q₂ - BC547
• D - 1N4007
• C = 10 μF (36 V)
• R₁ = 330 Ω (0,25 W)
• R₂ = 1 kΩ/N (0,125 W)
• R₃ = 4,7 Ω (0,25 W)
• F: I_N = 250 mA

Články Li-ion a Li-pol mohou v případě zkratu, přebíjení, příliš vysokého nabíjecího nebo vybíjecího proudu, vysoké teploty, mechanického poškození nebo jiného nevhodného zacházení explodovat!

Nabíjení olověného akumulátoru

Tento obvod lze použít k nabíjení olověného akumulátoru 12 V, například v autě nebo v záložním zdroji (UPS). Čip Q stabilizuje napětí na 13,7 V a proud na cca 1,5 A. Pro napájení této nabíječky ze sítě je nutné napětí snížit transformátorem a poté usměrnit a vyfiltrovat. Po připojení baterie by proud v ampérech měl být zhruba roven kapacitě akumulátoru v ampérhodinách, s rostoucím stavem nabití klesá. Akumulátor je nutné odpojit nejpozději když proud klesne pod 1 % této hodnoty, nebo po uplynutí doby rovné podílu kapacity v ampérhodinách a počátečního proudu v ampérech.

Schéma nabíječky

Seznam součástek

• u_IN = 16 - 40 V
• Q - PB137
• C_IN = 1 μF
• C_OUT = 10 μF
• u_OUT = 13,5 - 14 V
• i_OUT = 0,5 - 2 A
• B - baterie 12 V