Cargador de batería de li-Ion

Cargador de batería de li-Ion

Las baterías de Li-Ion marcaron un antes y un después en el diseño de productos electrónicos, sin ellas difícilmente podríamos tener ahora equipos tan compactos funcionando con baterías.


La autonomía de los equipos electrónicos móviles es vital, todo lo relacionado con IOT conlleva la necesidad de funcionar sin estar conectados a la red eléctrica y  funcionar de forma continua y con bajo consumo. 


Imagina que te solicitan un proyecto de monitoreo de PH de la tierra de un cultivo o de la cantidad de humedad, no sería económicamente viable llevar cables a cada dispositivo de sensado  ubicado en medio del cultivo, entonces es en este momento donde nos enfrentamos a un problema de autonomía.


La solución a este problema conlleva aplicar un par de conceptos que ignoramos en el desarrollo de proyectos convencionales los cuales son:


  1. Optimización de consumo eléctrico

  2. Fuente de energía alternativa.


La primera parte es relativamente simple, solo hay que cambiar todo el circuito a 3.3V y controlar la potencia disipada por cada dispositivo.


La segunda parte es un poco más complicada, hay que pensar en una fuente de energía alternativa como son los paneles solares. El inconveniente es que solo entregan energía durante el día, es por esta razón que debemos acumular la energía para ser usada durante la noche.



Como acumulador de energía usamos baterías de Li-Ion, sin embargo estas baterías son un poco delicadas y pueden deteriorarse o explotar si no se usan apropiadamente, es por esta razón que presentó la siguiente solución basada en el popular TP4056 [PDF].


Módulo TP4056



Es un módulo para cargar baterías de Li-Ion de 3.7V se alimenta de 4V a 8V máximo, trabajando con un promedio de 5V. El pin 2 del circuito integrado se usa para controlar la corriente de carga y se configura a través de una resistencia (R3)  pudiendo entregar hasta un máximo de 1A. 


La fórmula para calcular la corriente entregada es la siguiente:


Corriente de Carga = 1200/R3


Según mastervolt ellos recomiendan una corriente de carga máxima igual al 30% de la capacidad total de la batería, por ejemplo, si la batería es de 2600 mA la corriente de carga debe ser de 780 mA aproximadamente, esto solo se aplicaría a baterias genericas que no cuentan con hoja de dato.


Este módulo cuenta además con un circuito de protección de batería, para evitar su deterioro por exceso de descarga, en caso que se use al mismo tiempo que se carga.


Diseñando el circuito de carga 


A pesar que el TP4056 forma parte de un módulo extremadamente barato, sigue siendo eso, un módulo, y cuando queremos implementarlo en una placa de circuito impreso (PCB) resulta complicado debido a que no se consigue el circuito integrado tan fácilmente y el circuito de protección peor aún. 


Nota: he realizado la búsqueda en los principales proveedores de componentes electrónicos, Digikey, mouser, arrow he incluso en Optopart.


Es por eso que me he tomado el tiempo de rediseñar el circuito usando el mismo concepto de este módulo y usando integrados similares pero de fabricantes conocidos y el resultado es el siguiente



Este circuito es similar al módulo comercial con la ventaja que todos sus componentes son comerciales y pueden ser usados en nuestra PCB personalizadas.


El circuito de carga es el MCP73831de microchip y el protector de batería el AP9101C de la compañía diodes incorporated. 


Este circuito a pesar de funcionar como el módulo original cuenta con la desventaja que solo puede cargar a una corriente máxima de 500 mA, sin embargo, es suficiente para la mayoría de las baterías genéricas del mercado en un tiempo aceptable. 


Actualización


He actualizado el circuito porque me di cuenta que entregar 3.3V a las a la salida no es tan práctico, debido a que la mayoría de las sensores funcionan a 5V, es por esta razón que he incorporado al circuito una fuente step-up o elevadora, que convierte los 3.7V de la batería a 5V y es capaz de entregar hasta 1A, esto sería suficiente para alimentar un microcontrolador y la mayoría de sensores que se encuentran en el mercado.


Kicad a incorporado la librería del  MCP73831 es por esta razón que el nuevo circuito tendrá una pequeña diferencia visual, pero es eso solo es visual.


En el cuadro 1 se puede ver el mismo circuito que de la imagen anterior, solo que con las modificaciones que le hice y que también me di cuenta que faltaba una tierra en R3 (perdón   ) 

En el cuadro 2 hay una hoja de jerarquía la cual contiene en su interior el circuito necesario para elevar el voltaje. Esta fuente se alimenta directamente de la batería, por lo que sí exigimos demasiado y no está conectado a una fuente de carga el circuito protector actuará y desconectara el sistema cuando el voltaje de la batería sea menor a 2.5V.



Si desean cambiar el voltaje de salida por un voltaje que les guste, que se yo 6.3V , solo deben reemplazar R5 y R6 según la siguiente ecuación.

La hoja de dato proporciona una tabla con valores recomendados de resistencia según el voltaje de salida.

Con estas especificaciones tendremos una fuente entregando 5V con un 90% de eficiencia, la cual nos serviría para alimentar circuitos electrónicos de propósito general. 

Acabado de PCB


El PCB resultó en un tamaño de 2.7x1.3 cm, lo suficientemente pequeño para incorporar a cualquier proyecto.

Todos los componentes están por una cara lo que facilita su ensamblaje en caso que lo quieran ensamblar con JLCPCB.



todo este circuito lo pueden clonar desde mi cuenta de github o en la zona de descargas


Si tienes algún comentario no dudes en hacerlo. 


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