Lityum Pil Şarj Devresi | Detaylı Rehber

Merhabalar, Bu yazımızda “Pil şarj devresi” konusuna değineceğiz. Keyifli okumalar…

pil şarj devresi

Elektrikli Araçlar, Drone ve IoT araçları gibi diğer mobil elektronikteki gelişmeler gelecek için umut verici görünüyor. Bunların arasında ortak nokta, hepsinin pillerle beslenmesidir. Moore’un yasasına göre, elektronik cihazlar günden güne daha küçük hale gelme eğilimindedir. Bu taşınabilir cihazların çalışabilmeleri için üzerlerinde kendi güç kaynakları bulunmalıdır.

Günümüzde taşınabilir elektronikler için en yaygın kullanılan batarya seçimi, Lityum İyon veya Lityum Polimer Pillerdir. Bu Piller çok iyi şarj yoğunluğuna sahip olsalar da, zorlu koşullar altında kimyasal olarak dengesiz olduklarından, onları şarj ederken ve kullanırken dikkatli olunmalıdır.

Lityum Pil Şarj Devresi

Bu projede, Lityum iyon veya lityum polimer pilleri şarj etmek için kullanılabilecek İki Aşamalı pil şarj cihazı devresi (CC ve CV) oluşturacağız. Pil şarj devresi, çoğu robot projesinde sıkça kullandığımız 7.4V lityum pil paketi (2×18650) için tasarlanmıştır. Bildiğiniz gibi, bu piller için hazır Şarj Aletleri mevcuttur, ancak ucuz olanlar çok yavaş ve hızlı olanlar çok pahalıdır. Bu yüzden bu devrede, CC ve CV modlu LM317 entegreleri ile basit bir şarj cihazı oluşturacağız.

Lityum pillerin dikkatlice kullanılması gerektiğini unutmayın. Aşırı şarj veya Kısa devre yapılması patlamalara ve yangın tehlikesine neden olabilir. Uygulama anında koruyucu ekipmanlarınız var ise giymenizi öneririm. Eğer lityum piller konusunda tamamen yeniyseniz, daha fazla devam etmeden önce “Lityum piller hakında bilmeniz gerekenler” başlıklı makalemizi okumanızı tavsiye ederim.

CC ve CV Modlu Pil Şarj Cihazı

Bu projede oluşturacağımız lityum pil şarj devresi, İki Adımlı Şarj Cihazı olacaktır. Cihaz, Sabit Şarj (CC) ve Sabit Voltaj (CV) olmak üzere iki şarj moduna sahip olacaktır. Bu iki modu birleştirerek, pili normalden daha hızlı şarj edebileceğiz.

Sabit Şarj (CC)

Uygulamaya alınacak ilk mod CC modu olacaktır. Burada pile girmesi gereken şarj akımı miktarı sabittir. Bu akımı korumak için voltaj buna göre değişecektir.

Sabit Voltaj (CV)

CC modu tamamlandığında CV modu devreye girecektir. Burada Gerilim sabit tutulacak ve akünün şarj gereksinimine göre akımın değişmesine izin verilecektir.

Elimizde 18650 hücrelerden oluşan , 3.7V’luk 2 adetlik lityum batarya paketi var.(3,7V + 3,7V = 7,4V)

Daha sonra CC modunda şarj akımına hesaplayalım. Bu akım değeri normalde pilin veri sayfasında bulunabilir ve değer pilin Ah derecesine bağlıdır. Bu projede Sabit Şarj akımı olarak 800mA değerini işleme almak uygun olacaktır. Başlangıçta devre, şarj cihazını CC moduna geçirerek ve şarj voltajını değiştirerek 800mA akımı pile iletmesi gerekir. Bu işlem pili şarj eder ve pil voltajı yavaş yavaş artmaya başlar.

Pile yüksek voltaj değerleri olan yüksek bir akım bastığımız için, pil tam olarak dolana kadar CC modunda bırakamayız. Pil voltajı önemli bir değere ulaştığında, şarj cihazını CC modundan CV moduna geçirmeliyiz. Buradaki pil grubumuz tam şarj olduğunda 8.4V değerinde olmalıdır. 8.2V ulaşıldığı zaman CC modundan CV moduna geçirebiliriz.

Sabit Voltaj ve Sabit Akım Uygulaması

Şarj cihazı CV moduna geçtiğinde sabit bir voltaj uygulamamız gerektiğini yukarıda ki bölümlerde bahsetmiştik. Bu durumda sabit voltajın değeri 8.6V’dur. Pil, CC modunda neredeyse şarj olduğu için pile CV modunda, CC modundan daha az bir akım uygulamak yeterli olacaktır. Bu nedenle sabit 8.6V’da pil daha az akım tüketecek ve akü şarj edildiğinde bu akım azalacaktır. Pil dolmaya yakın 50mA’den daha düşük bir akım değerine ulaşacaktır. Bu akım değerini izleyerek bir röle vasıtası ile pilin beslemesini ayırmamız gerekmektedir.

Özetlemek gerekirse,

  1. CC moduna girin ve pili sabit 800mA Düzenli akım ile şarj edin.
  2. Batarya gerilimini izleyin ve 8.2V değerine ulaştığında CV Moduna geçin.
  3. CV modunda, pili sabit 8.6V Filtrelenmiş Voltaj ile şarj edin.
  4. Şarj akımını azaldıkça izleyin.
  5. Akım 50mA’ya ulaştığında, aküyü otomatik olarak şarj cihazından çıkarın.

7.4V lityum pil takımı kullandığımızdan 800mA, 8.2V ve 8.6V değerleri sabit değerlerdir. Bu değerleri pil grubunun gereksinimine göre kolayca değiştirebilir. Ayrıca piyasa da birçok şarj cihazı bulunduğunu da unutmayın. Bizim projemizde ki iki kademeli lityum pil şarj devresi en çok kullanılan şarj cihazları arasındadır. Üç kademeli bir pil şarj devresinde, kademeler CC, CV ve kayan nokta olacaktır.

Dört veya altı kademeli bir lityum pil şarj devresinde iç direnç, sıcaklık vb. Dikkate alınacaktır. Şimdi, lityum pil şarj devresinin gerçekte nasıl çalışması gerektiğine dair kısa bir bilgiye sahip olduğumuza göre, Devre şeması bölümüne gidelim.

Lityum Pil Şarj Devresi Şeması

Lityum pil şarj devresi için tam devre şemasını aşağıda ki resim üzerinden görüntüleyebilirsiniz.

Gördüğünüz gibi devre oldukça basittir. Projede Biri Akımı, diğeri Voltajı düzenlemek için iki LM317 Değişken voltaj regülatörü kullanıldı. İlk röle, CC ve CV modu arasında geçiş yapmak için kullanılır ve ikinci röle, bataryayı şarj cihazına bağlamak veya bağlantısını kesmek için kullanılır. Devreyi bölümlere ayıracak olursak;

LM317 Akım Regülatörü

LM317 entegresi, tek bir direnç yardımıyla bir akım regülatörü görevi görebilir. Aynı devre aşağıda gösterilmiştir.

LM317 Akım Regülatörü

Pil şarj devresi için gerekli olan akım miktarının 800mA olduğunu yukarıda söylemiştik. Gerekli akım miktarını elde etmek için direnç değerinin hesaplanması gerekir. Hesaplama için gereken formül entegrenin veri sayfasında belirtilmiştir.

Direnç (Ohm) = 1.25 / Akım (Amper)

Formül üzerine gerekli veriler eklenerek direnç değeri bulunur;

Direnç (Ohm) = 1.25 / 0.8 (A)

= 1.56 Ohm

Projede bu direnç değerine en yakın değer olan 1.5 Ohm direnç kullandık.

LM317 Voltaj Regülatörü

Lityum pil şarj devresi CV modu için daha önce söylediğimiz gibi, voltajı 8.6V’a ayarlamamız gerekir. Yine LM317 entegresi bunu sadece iki direnç yardımıyla yapabilir. Aynı devre aşağıda gösterilmiştir.

LM317 Voltaj Regülatörü

LM317 Regülatörünün çıkış gerilimini hesaplamak için formül aşağıdaki gibidir:

Vout = 1.25 x ( 1+( R2 / R1 ) )

Çıkış gerilimimiz (Vout) 8,6V olmalı ve R1’in değeri (burada R2) 1000 ohm’dan az olmalı, bu yüzden 560 Ohm’luk bir değer seçmemiz gerekmektedir. Bununla R2 değerini hesaplarsak 3.3k Ohm bulmuş oluruz. Alternatif olarak, çıkış voltajını 8,6V olması şartıyla herhangi bir direnç kombinasyonu değerini kullanabilirsiniz.

CC ve CV modu Geçiş Rölesi

Her biri Arduino tarafından, BC547 NPN transistörleri üzerinden sürülen iki adet 12V Röleyi modlar arası geçiş yapmak için devreye entegre ediyoruz. Her iki rölenin bağlantı şekli aşağıda gösterilmiştir.

lityum pil şarj cihazı

İlk Röle, pil şarj devresinin CC ve CV modu arasında geçiş yapmak için kullanılır, bu Röle “Mod” olarak etiketlenmiş Arduino pini tarafından tetiklenir. Sistem ilk olarak CC Modunda başlar. Röle tetiklendiği zaman CC modundan CV moduna geçiş yapar.

Benzer şekilde, ikinci Röle şarj cihazını pile bağlamak veya çıkarmak için kullanılır; bu Röle, “Şarj” olarak etiketlenen Arduino pini tarafından tetiklenir. Bu röle, pili şarj cihazından ayırır, tetiklendiğinde ise şarj cihazını pile bağlar. Bunun dışında iki diyot D1 ve D2, devreyi ters akımdan korumak için kullanılır. R4 ve R5 referanslı 1K Dirençler, transistörden akan akımı sınırlamak için kullanılır.

Lityum Pil Voltajını Ölçme

Şarj durumunu izlemek için pil voltajını ölçmemiz gerekir, ancak o zaman pil voltajı 8.2V’a ulaştığında pil şarj devresi’ni CC modundan CV moduna geçirebiliriz. Arduino gibi Mikrodenetleyicilerle gerilimi ölçmek için kullanılan en yaygın teknik, bir gerilim bölücü devre kullanmaktır. Burada kullanılan yapı aşağıda gösterilmiştir.

Lityum Pil Voltajını Ölçme

Arduino Analog pininin ölçebileceği maksimum voltajı 5V olarak biliyoruz, ancak bataryamız CV modunda 8.6V kadar yükselebiliyor. Bu yüzden bu gerilimi daha düşük bir gerilime düşürmemiz gerekir. Bu tam olarak Gerilim bölücü devresi tarafından yapılır.

Devreye uygun direnç değerini hesaplayabilir, hesapladığınız dirençleri projenizde kullanabilirsiniz. Bu projede çıkış gerilimi orijinal giriş geriliminin yarısı kadar düşürüldü. Çıkış gerilimi daha sonra “B_Voltage” referansı ile Arduino Analog pinine gönderilir.

Şarj Akımını Ölçme

Ölçülecek bir diğer hayati parametre şarj akımıdır. CV modunda, şarj akımı 50mA’nın altına düştüğünde şarjın tamamlandığını bir şekilde öğrenmemiz gerekir. Akımı ölçmek için birçok yöntem vardır, en yaygın kullanılan yöntem şönt direnç kullanmaktır. İlgili devre aşağıda gösterilmiştir.

Şarj Akımını Ölçme

Bunun arkasındaki kavram basit ohm yasasıdır. Pile akan akımın tamamı, şönt direnç olarak kullanılan 2.2R üzerinden halledilir. O zaman, Ohm yasasıyla (V = IR) bu direnç üzerindeki voltaj düşüşünün içinden geçen akımla orantılı olacağını biliyoruz.

Direnç ve Voltajın değerini bildiğimiz için Arduino Analog pin kullanılarak ölçümü gerçekleştirebiliriz. Bu sayede akım değeri kolayca hesaplanabilir. Direnç üzerindeki gerilim düşümü değeri Arduino’ya “B_Current” referansı ile gönderilir. Maksimum şarj akımının 800mA olarak hesaplamıştık, bu nedenle V = IR ve P = I2R formüllerini kullanarak Direnç değerini ve Direnç’in Güç değerini hesaplayabiliriz.

Arduino ve LCD

Arduino ve LCD kullanarak voltajı ve akımı ölçüp, Röleleri mod geçişleri için tetikleyerek, şarj işlemini son kullanıcıya göstermiş olacağız.

Arduino ile lcd sürme

Arduino Nano’nın dahili Voltaj regülatörü vardır. Bu regülatör sayesinde Arduino ve 16×2 LCD ekranı kolayca çalıştırabilir. Gerilim ve Akım, sırasıyla “B_Voltage” ve “B_Current” etiketleri kullanılarak A0 ve A1 Analog pinleri ile ölçülebilir. Röle, “Mod” ve “Şarj” etiketleriyle bağlanan D8 ve D9 GPIO pini’ni açarak tetiklenebilir.

Arduino Programlama

Devre hazır olduğunda, Arduino Nano kodunu yazmaya devam edebiliriz. Bu proje için programın tamamına yazının en alt kısmından erişebilirsiniz. Doğrudan Arduino’nuza yükleyebilirsiniz. Şimdi, programı küçük parçalara ayıralım ve kodun gerçekte ne işe yaradığını anlayalım.

Pil Şarj Devresi Bölüm 1

Her zamanki gibi programa Giriş – Çıkış pinlerini tanıtarak başlıyoruz. Tasarımı oluştururken, A0 ve A2 pinlerini sırasıyla Gerilim ve akımı ölçmek için kullanmıştık. D8 ve D9 pinleri ise Mod röle ve Şarj rölesini tetiklemek için kullanılır.

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; //LCD için bağlantı pinleri

LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

int Charge = 9; //Pili devreye bağlamak veya bağlantısını kesmek için pin

int Mode = 8; //CC ve CV modları arasında geçiş yapmayı sağlayan rölenin bağlandığı pin

int Voltage_divider = A0; //Pil voltajını ölçme

int Shunt_resistor = A1; //Şarj akımını ölçme

float Charge_Voltage;

float Charge_current;

Pil Şarj Devresi Bölüm 2

Kurulum fonksiyonunun içinde LCD fonksiyonunu başlatır ve ekranda bir giriş mesajı görüntüleriz. Röle pinlerini çıkış pinleri olarak tanımlarız. Ardından şarj rölesini tetikleriz, pili şarj cihazına bağlarız. Sistem varsayılan olarak CC modunda başlar.

void setup() {

lcd.begin(16, 2); //Initialise 16*2 LCD

lcd.print(“7.4V Li+ charger”); //Giriş Mesajı

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“-CircuitDigest “); //Giriş Mesajı

lcd.clear();

pinMode (Charge, OUTPUT);

pinMode (Mode, OUTPUT);

digitalWrite(Charge,HIGH); //Pili bağlayarak Başlangıçta Şarj Etmeye Başlayın

digitalWrite(Mode,LOW); //CV modu için YÜKSEK ve CC modu için DÜŞÜK, başlangıçta CC modu

delay(1000);

}

Pil Şarj Devresi Bölüm 3

Sonsuz döngü fonksiyonunun içinde, Pil Voltajı ve Şarj akımı ölçerek programa başlarız. 0.0095 ve 1.78 değerleri, 0 ile 1024 arasında gerçek gerilim ve akım değerine dönüştürülmek için Analog değer ile çarpılır, gerçek değeri ölçmek ve ardından çarpan değerini hesaplamak için bir multimetre kullanabilirsiniz.

//Başlangıçta voltaj ve akım ölçümü

Charge_Voltage = analogRead(Voltage_divider) * 0.0092; //Pil gerilimi ölçümü

Charge_current = analogRead(Shunt_resistor) * 1.78; //Şarj akımı ölçümü

Pil Şarj Devresi Bölüm 4

Şarj Gerilimi 8.2V’den düşükse, CC moduna gireriz ve 8.2V’den yüksekse CV moduna gireriz. Her modun bir süre döngüsü vardır. CC modu döngüsünün içinde, Mod pinini CC modunda kalmak ve ardından gerilimi ve akımı izlemeye devam etmek için LOW olarak tutarız. Gerilim 8.2V eşik gerilimini aşarsa, CC döngüsünden bir break komutu ile çıkarız. Şarj voltajının durumu, CC döngüsünün içindeki LCD’de de gösterilir.

//Pil voltajı 8,2V’den düşükse, CC moduna girin

while(Charge_Voltage<8.2) //CC MOD Döngüsü

{

digitalWrite(Mode,LOW); //CC Modda kal

//Akım ve Gerilimi Ölç

Charge_Voltage = analogRead(Voltage_divider) * 0.0095; //Pil gerilimini ölçümü

Charge_current = analogRead(Shunt_resistor) * 1.78; //Şarj Akımını ölçümü

//Ekran üzerinde yazdır.

lcd.print(“V=”); lcd.print(Charge_Voltage);

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“In CC mode”);

delay(1000);

lcd.clear();

//CC Moddan çıkılacak mı test et

if(Charge_Voltage>=8.2) // Evet ise

{

digitalWrite(Mode,HIGH); //CV Moda geçiş yap!

break;

}

}

Pil Şarj Devresi Bölüm 5

Aynı yöntem CV modu için de uygulanabilir. Gerilim 8,2V’yi aşarsa, şarj cihazı Mod pinini yüksek tutarak CV moduna girer. Şarj işlemi boyunca sabit 8.6V gerilim uygular ve şarj akımının pil gereksinimine göre değişmesine izin verilir.

Ardından bu şarj akım değeri okunur ve 50mA’nın altına düştüğünde, pili şarj cihazından ayırarak şarj işlemini sonlandırabiliriz. Bunu yapmak için, aşağıdaki kodda gösterildiği gibi Şarj rölesini kapatmanız yeterlidir.

//Pil voltajı 8.2V büyükse CV Moduna geçiş yap

while (Charge_Voltage>=8.2) //CV MOD Döngüsü

{

digitalWrite(Mode,HIGH); //CV Modda kal

//Akım ve Gerilim Ölçümü

Charge_Voltage = analogRead(Voltage_divider) * 0.0092; //Pil voltajı ölçümü

Charge_current = analogRead(Shunt_resistor) * 1.78; //Şarj Akımı ölçümü

//Ekran üzerinde gösterimler

lcd.print(“V=”); lcd.print(Charge_Voltage);

lcd.print(” I=”); lcd.print(Charge_current);

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“In CV mode”);

delay(1000);

lcd.clear();

//Şarj akımını izle

if(Charge_current<50) //If yes

{

digitalWrite(Charge,LOW); //Şarjı kes

while(1) //Baştan başlatana kadar sistemi kapalı konumda tut

{

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“Charge Complete.”);

delay(1000);

lcd.clear();

}

}

}

}

7.4V İki Adım Lityum Pil Şarj Devresinin Çalışması

Devreniz hazır olduğunda programı Arduino’ya yükleyin. Ardından pili kartın şarj terminaline bağlayın. Pili doğru kutuplara bağladığınızdan emin olun. Kutupları ters çevirmek pilin ve kartın ciddi şekilde zarar görmesine neden olur. Pili taktıktan sonra şarj cihazını 12V Adaptör kullanarak açın. Şarj cihazı pilin durumuna bağlı olarak CC moduna veya CV moduna geçecektir. Pil şarj sırasında tamamen boşalmışsa, CC moduna girecek ve LCD’niz aşağıdaki gibi bir şey gösterecektir.

lityum pil şarj cihazı devresi

Pil şarj edildiğinde, Voltaj aşağıdaki videodaki gibi artacaktır. Bu voltaj 8.2V’a ulaştığında, şarj cihazı CC modundan CV moduna girecek ve aşağıda gösterildiği gibi hem Voltaj hem de akımı gösterecektir.

lityum pil şarj cihazı devresi

Akım 50mA veya altına ulaştığında, şarj cihazı pilin tamamen şarj olduğunu varsayarak röleyi tetikleyerek pili, şarj cihazından ayırır ve aşağıdaki ekranı görüntüler. Bundan sonra pili şarj cihazından çıkarabilir ve uygulamalarınızda kullanabilirsiniz.

pil şarj cihazı fiyatları

Çalışmanın tamamı aşağıdaki videoda bulunabilir. Herhangi bir sorunuz varsa aşağıdaki yorum bölümünden sorunuzu sorabilirsiniz.

Devre sadece eğitim amaçlıdır. Bu nedenle lityum pilleri kullanırken dikkatli olmanız gerekmektedir.

Pil Şarj Devresi Programı

/*

* 7.4V Lityum İki Kademeli Şarj Cihazı Programı

* By: Aswinth Raj

* Dated: 11-1-2019

*/

#include <LiquidCrystal.h> //2×16 Lcd için kütüphane

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; //LCD Pin Bağlantıları

LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

int Charge = 9; //Şarj cihazı ile pilin bağlantısını kesen röle pini

int Mode = 8; //CC ve CV modları arası geçiş röle pini

int Voltage_divider = A0; //Voltaj ölçümü

int Shunt_resistor = A1; //Şarj akımı ölçümü

float Charge_Voltage;

float Charge_current;

void setup() {

lcd.begin(16, 2); //LCD Yükle

lcd.print(“7.4V Li+ charger”); //Giriş mesajı

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“-CircuitDigest “); //Giriş mesajı

lcd.clear();

pinMode (Charge, OUTPUT);

pinMode (Mode, OUTPUT);

digitalWrite(Charge,HIGH); //Şarj işlemine başla

digitalWrite(Mode,LOW);

delay(1000);

}

void loop() {

//Girişte pil voltajını ve şarj akımını ölç

Charge_Voltage = analogRead(Voltage_divider) * 0.0092; //Pil voltajı ölçümü

Charge_current = analogRead(Shunt_resistor) * 1.78; //Şarj akımı ölçümü

//Pil 8.2V dan düşük ise CC moduna geç

while(Charge_Voltage<8.2) //CC MOD Döngüsü

{

digitalWrite(Mode,LOW); //CC Modda kal

//pil voltajını ve şarj akımını ölç

Charge_Voltage = analogRead(Voltage_divider) * 0.0095; //Pil voltajı ölçümü

Charge_current = analogRead(Shunt_resistor) * 1.78; //Şarj akımı ölçümü

//LCD Değer okuma

lcd.print(“V=”); lcd.print(Charge_Voltage);

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“In CC mode”);

delay(1000);

lcd.clear();

//8.2V Dan büyük ise mod değiştir

if(Charge_Voltage>=8.2) // Evet mi?

{

digitalWrite(Mode,HIGH); //CV Moda geçiş yap

break;

}

}

while (Charge_Voltage>=8.2) //CV MOD Döngüsü

{

digitalWrite(Mode,HIGH); //CV Modda kal

//pil voltajını ve şarj akımını ölç

Charge_Voltage = analogRead(Voltage_divider) * 0.0092; //Pil voltajı ölçümü

Charge_current = analogRead(Shunt_resistor) * 1.78; //Şarj akımı ölçümü

//Bilgileri kullanıcıya göster

lcd.print(“V=”); lcd.print(Charge_Voltage);

lcd.print(” I=”); lcd.print(Charge_current);

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“In CV mode”);

delay(1000);

lcd.clear();

//Şarj tamamlandı ise bu durumu kullanıcıya göster

if(Charge_current<50) //Evet ise

{

digitalWrite(Charge,LOW); //Şarj işlemini kapat

while(1) //sistem kapatılıp açılana kadar off konumunda kal

{

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“Charge Complete.”);

delay(1000);

lcd.clear();

}

}

}

}

Pil Şarj Devresi Videosu 

Kaynak: Circuitdigest

Yazımızı beğendiyseniz hemen alttaki Sosyal medya butonlarından arkadaşlarınızla paylaşabilirsiniz. Öneri veya eleştirilerinizi alttaki yorumlar bölümünden yapabilirsiniz. Elektronik Tasarımlar ailesi olarak bir çok yeni içerik eklemeye devam edeceğiz. Bizi takip etmeyi unutmayın. Okuduğunuz için teşekkür ederiz.

İlginizi Çekebilir!!!



Paylaşın, Herkes Faydalansın!

Yorum Ekle

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir