Laden und Ladeanzeige für LiPo-Akkus

In den Projekten der Praktischen Elektronik werden LiPo-Akku-Zelle zur Stromversorgung eingesetzt.

Es werden Akkus verwendet, die durch eine integrierte Elektronik sich selbst gegen

• Überladung und

• Tiefentladung schützen.

Unsere Ladeschaltung für LiPo-Akkus soll mit 5V über USB betrieben werden.

Wir gehen von eines LiPo-Akkus mit folgenden Daten aus.

• Die Kapazität des LiPo-Akkus beträgt 105mAh.

• Die Ladeschlussspannung eines LiPo-Akkus liegt bei 4,2V.

• Die Schutzschaltung des LiPo-Akkus schaltet den Ladevorgang bei 4,3V ab.

• Die Spannung einem entladenen LiPo-Akku liegt unter 3V. Wir gehen von 2,8V aus.

• Im Mittel liegt die Spannung eines LiPo-Akkus bei 3,6V.

Wir nutzen den internen Schutz eines LiPo-Akkus gegen Überladung aus. Dann kann beim Laden ein einfacher Vorwiderstand verwendet werden. Ein LiPo-Akku wird am besten in ein bis zwei Stunden geladen, also mit 105mAh/2h=52,5mA bis 105mA geladen.

Einfachste Ladeschaltung

Die einfachste Ladeschaltung besteht aus einem Vorwiderstand R₁ zwischen USB und LiPo-Akku. Der Vorwiderstand begrenzt den Ladestrom in dem LiPo-Akku.

Diese Ladeschaltung hat zwar keine Anzeige, ist aber sehr einfach.

Bei einem voll geladenen LiPo-Akku haben wir am Vorwiderstand eine Spannung von U_vh=5V-4,3V=0,7V und bei einem voll entladenen LiPo-Akku U_vl=5V-2,8V=2,2V und im Mittel U_v=5V-3,6V=1,4V.

Mit einem Vorwiderstand R₁=22Ω liegt der Ladestrom zwischen 90mA und 30mA.

Diese einfache Schaltung hat aber einen Nachteil:

Wenn ein USB-Ladegerät angeschlossen ist, das keine Spannung liefert, weil es nicht ans 230V-Netz angeschlossen ist, kann es einen kleinen Widerstand zwischen die Anschlüsse legen. Meistens liegt dieser zwischen 1kΩ und 10kΩ. Darüber wird der LiPo-Akku dann entladen. Der LiPo-Akku kann aber wegen der Schutzschaltung nicht tiefentladen werden.

Wir könnten an ein USB-Ladegerät gelangen, das einen sehr kleinen Innenwiderstand hat. Wir nehmen einfach einen Kurzschluss an. Der LiPo-Akku würde über den Vorwiderstand entladen. Das sind etwa 3,6V/22Ω=160mA. Das ist zwar keine Überlastung des LiPo-Akkus, entlädt ihn aber nach kurzer Zeit.

Ladeschaltung mit Anzeige

Wir könnten einfach eine LED parallel zum USB-Anschluss schalten, aber die LED würde auch dann leuchten, wenn nicht geladen wird, weil sie über den Vorwiderstand versorgt würde

Wenn wir eine Anzeige-LED haben wollen, die nur leuchtet, wenn die Spannung vom USB-Anschluss anliegt, müssen wir sicherstellen, dass kein Strom vom LiPo-Akku zur Anzeige-LED fließen kann. Das geht nur mit einer Diode.

In der Schaltung in Bild 2 sind der Vorwiderstand R₁ und die Diode D1 in Reihe geschaltet. Wir müssen also die Flussspannung der Diode beim Laden berücksichtigen. Diese macht sich besonders bei der Ladeschlussspannung des LiPo-Akkus bemerkbar. Bei einer Silizium-Diode mit einer Flussspannung von mindestens 0,6V haben wir dann nur noch U_vh=5V-4,3V-0,6V=0,1V am Vorwiderstand.

Besser ist eine Schottky-Diode. Die Schottky-Diode BAT42 hat eine Flussspannung von 0,65 V bei 100 mA, aber nur 0,3 V bei 20 mA. Mit dem Vorwiderstand R₁=22Ω haben wir damit einen Ladestrom zwischen 60mA und 20mA.

Während des Ladens liegt zwischen dem Eingang und dem LiPo-Akku eine Spannung zwischen 0,7V und 2,2V. Mit dieser Spannung können wir den PNP-Transistor Q1 und damit die LED1 einschalten. Wenn die Schutzschaltung des LiPo-Akkus eine weitere Ladung verhindert, beträgt die Spannung am Akku 5V und der Transistor schaltet die LED1 aus.

Die LED2 leuchtet nur, wenn die 5V vom USB-Anschluss anliegen.

Entladeströme

Wir müssen noch untersuchen, was passiert, wenn der LiPo-Akku nicht geladen wird.

Wir haben zwei Fälle:

Im 1. Fall kann ein Strom durch R₂, Basis-Emitter Q1, R₄ und LED2 fließen. Die Basis-Emitter-Strecke von Q1 wird in Sperrrichtung betrieben. Es fließt nur ein geringer Sperrstrom. Das gleiche gilt für R₂, Basis-Kollektor Q1, R₃ und LED1. Über D1, R₁, R₄ und LED2 kann der Sperrstrom der Schottky-Diode D1 fließen. Das sind sicher alles Ströme um 1µA.

Im 2. Fall müssen wir davon ausgehen, dass der USB-Anschluss einen Widerstand zwischen den Anschlüssen hat. Wir nehmen einen Kurzschluss an. Im Prinzip haben wir die gleiche Situation wie im 1. Fall. Nur R₄ und LED2 entfallen. Es kann nur der Sperrstrom der Schottky-Diode D1 fließen.

Wir messen nach und stellen fest, dass unter 10µA fließen. Unser LiPo-Akku mit 105mAh hält damit mehr als ein Jahr.