../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Laden und Ladeanzeige für LiPo-Zellen mit Schutzschaltung


list.png

Laden und Ladeanzeige für LiPo-Zellen

Attention attention

Nur für LiPo-Zellen mit interner Schutzschaltung

Diese Schaltung darf nur für LiPo-Zellen mit interner Schutzschaltung gegen Überladung verwendet werden.

  • LiPo-Zellen ohne Schutzschaltung werden überladen
  • und können brennen.

Die folgenden Schaltungen sind nur für kleine LiPo-Zellen bis maximal 250mAh sinnvoll.

In Projekten der Praktischen Elektronik werden LiPo-Zellen für die Stromversorgung verwendet.

Es werden Zellen eingesetzt, die durch eine integrierte Elektronik sich selbst gegen

  • Überladung und
  • Tiefentladung schützen.
Attention flag

Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass ein LiPo-Akku mit integrierter Schutzschaltung verwendet wird.

  • Er wird im Internet z.B. unter "Lipo PCB" angeboten. In der Beschreibung sollte sinngemäß stehen:
  • "schützendes PCB-Lademodul, verhindert Überladung, Tiefentladung, Überstrom ..."
  • In der Abbildung sind bei den Anschlüssen ein bis zwei Chips zu sehen.
  • Der z.B. von Conrad angebotene LiPo-Akku von Renata hat keine integrierte Schutzschaltung.
LiPo-130mAh-PCB.png
Der abgebildete LiPo-Akku enthält links die Schutzschaltung.
  • Die integrierte Schutzschaltung bedeutet nicht, dass der Akku zum Laden unmittelbar an eine Spannungsquelle angeschlossen werden kann. Es muss vielmehr eine Ladeschaltung vorgesehen werden.

Unsere Ladeschaltung für LiPo-Zellen soll an 5V über USB betrieben werden.

Wir gehen von einer LiPo-Zelle mit folgenden Daten aus.

  • Die Kapazität der LiPo-Zelle beträgt 105mAh.
  • Die Ladeschlussspannung einer LiPo-Zelle liegt bei 4,2V.
  • Die Schutzschaltung der LiPo-Zelle schaltet bei 4,3V das Laden ab.
  • Die Spannung einer entladenen LiPo-Zelle liegt unter 3V. Wir gehen von 2,8V aus.
  • Im Mittel liegt die Spannung einer LiPo-Zelle bei 3,6V.

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

Attention >

LiPos hoher Kapazität

Die hier vorgestellten Ladeschaltungen sind nur für einzelne LiPo-Zellen

  • mit 3,6V
  • mit integriertet Schutzschaltung gegen Überladung
  • mit kleiner Kapazität (maximal 250mAh)
  • und nicht für LiPo-Akkus

geeignet.

Siehe Kasten Laden von LiPo-Zellen hoher Kapazität

Einfachste Ladeschaltung

Lipo-Lader.png
Bild 1: Einfache Ladeschaltung für LiPo-Zellen mit interner Schutzschaltung

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

Diese Ladeschaltung hat zwar keine Anzeige ist aber sehr einfach.

Bei einer voll geladenen LiPo-Zelle haben wir am Vorwiderstand eine Spannung von Uvh=5V-4,3V=0,7V und bei einer voll entladenen Uvl=5V-2,8V=2,2V und im Mittel Uv=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 geringen Widerstand zwischen die Anschlüssen legen. Meistens sind es zwischen 1kΩ und 10kΩ. Darüber wird die LiPo-Zelle dann entladen. Die LiPo-Zelle kann wegen der Schutzschaltung dennoch nicht tief entladen werden.

Wir könnten an ein USB-Ladegerät gelangen, das einen sehr kleinen Innenwiderstand hat. Wir gehen einfach von einem Kurzschluss aus. Die LiPo-Zelle würde über den Vorwiderstand unmittelbar entladen. Das sind etwa 3,6V/22Ω=160mA. Dieses stellt keine Überlastung der Zelle dar.

Ladeschaltung mit Anzeige

Lipo-Ladeanzeige.png
Bild 2: Schaltung einer Ladeanzeige für LiPo-Zellen mit interner Schutzschaltung

Wir könnten einfach eine LED parallel zum USB-Anschluss legen, aber die LED würde auch 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 dafür sorgen, kein Strom von der LiPo-Zelle in die Anzeige-LED fließen kann. Das geht nur mit einer Diode.

In der Schaltung in Bild 2 liegen der Vorwiderstand R1 und die Diode D1 in Reihe. Wir müssen also die Flussspannung der Diode beim Laden berücksichtigen. Dieses macht sich insbesondere bei der Ladeschlussspannung der LiPo-Zelle bemerkbar. Mit einer Siliziumdiode mit einer Flussspannung von 0,6V haben wir dann nur noch Uvh=5V-4,3V-0,6V=0,1V am Vorwiderstand.

Eine Siliziumdiode ist nicht gut geeignet. Eine Schottkydiode ist besser. Allerdings haben kleine Schottkydioden schon bei Strömen von 50mA eine Flussspannung, die im Bereich von Siliziumdioden liegt. Am besten wird ein Schottkygleichrichter verwendet. Der in der obigen Schaltung verwendete 1N5817 hat bei 100mA eine Flussspannung unter 0,2V.

Mit dem Vorwiderstand R1=22Ω haben wir damit einen Ladestrom zwischen 83mA und 21mA.

Während des Ladens fallen zwischen Eingang und LiPo-Zelle 0,7V bis 2,2V ab. Wir können diese Spannung verwenden, um einen PNP-Transistor einzuschalten und damit die LED2. Wenn die Schutzschaltung der LiPo-Zelle eine weitere Ladung unterbindet, ist die Spannung an der Zelle 5V und der Transistor schaltet die LED2 aus.

Entladeströme

Wir müssen noch untersuchen, was passiert, wenn die LiPo-Zelle nicht geladen wird.

Wir haben zwei Fälle:

1.
USB ist nicht angeschlossen.
2.
USB ist angeschlossen aber liefert keine Ladespannung.

Im 1. Fall kann ein Strom über 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 des Schottkygleichrichters fließen. Das sind sicherlich alles Ströme unter 1µA. Wir messen nach und stellen fest, dass insgesamt unter 1µA fließen :-)

Im 2. Fall müssen wir davon ausgeben, dass der USB-Anschluss einen Widerstand zwischen die Anschlüsse liegt. Wir gehen von einem Kurzschluss aus. Im Prinzip haben wir eine Situation wie im 1. Fall. Nur R4 und LED2 entfallen: R2 und Basis-Emitter Q1 sowie D1 und R1. Wir messen nach und stellen fest, dass etwa 10µA fließen. Unsere LiPo-Zelle mit 105mAh kann damit über ein Jahr leben.


Attention >

Laden von LiPo-Zellen hoher Kapazität

  • LiPo-Zellen sind sehr empfindlich gegen Überladung.
  • LiPo-Zellen können zerstört werden.
  • LiPo-Zellen können brennen.
  • Für die Ladung von LiPo-Zellen sollten die passend zu den Zellen angebotenen Ladegeräte oder -schaltungen verwendet werden.
  • Es gibt fertige Lademodule für kleines Geld.
  • LiPo-Akkus höherer Spannung, also mehreren Zellen in Reihe, dürfen nicht einfach mit einem passenden Ladestrom und Überwachung der Ladeschlussspannung geladen.
  • die Ladeschlussspannung jeder einzelnen Zelle muss getrennt überwacht werden.
  • Dafür gibt es Balancer-Schaltungen.
  • Ladeschaltungen für LiPo-Zellen und LiPo-Akkus selbst zu bauen, ist aufwändig, weil die Ladeschlussspannung auf 0,5% eingehalten werden muss.
  • Es ist eine hochgenaue Referenzspannung notwendig (besser als 0,5%).
  • Es müssen hochgenaue Widerstände verwendet werden (besser als 0,5%).
  • Diese Bauelemente sind sehr teuer.
  • Fertige Lademodule und -geräte werden für kleines Geld angeboten.
  • Z.B. das DEBO2 3.7LI 1.0A von Reichelt für 1,30€ mit USB-Anschluss