Indicatore di fine carica per pile agli ioni di litio
Da qualche anno negli apparecchi elettronici portatili le pile al litio stanno soppiantando quelle al nickel-metallo
idruro e nickel-cadmio. Maggiore capacità specifica, minore peso, nessun problema di "effetti memoria" e leggende annesse e non ultimo il prezzo ormai
abbordabile hanno velocemente pensionato la precedente tecnologia. Personalmente ne ho acquistate e recuperate diverse e convertito alcuni apparecchi per
l'utilizzo di questi accumulatori con piena soddisfazione. Per quanto riguarda la loro ricarica esistono vari tipi di caricabatterie, più o meno
"intelligenti" e un po' per tutte le tasche. Nell'ambito delle batterie composte da una sola cella, quindi con tensione nominale di 3.7 volt, i parametri
da rispettare non sono poi molti: tensione costante di 4.20 volt con limitazione della corrente al valore tipico di circa un quinto della capacità in
amper-ora della cella. Per qualche tempo ho utilizzato il caricabatteria della fotocamera e cavetti volanti, fino alla decisione di realizzare un circuito
dedicato. Il circuito, un superclassico, prevede un LM317 in configurazione a tensione costante ed un circuito di limitazione della corrente erogata che
utilizza una resistenza di basso valore ed un transistor - Q1 e R3 nello schema che segue - per "tagliare" l'uscita del 317 al superamento del valore
di soglia.
Riciclo del riciclo, avevo nel cassetto il circuito bello e pronto, realizzato per la carica in tampone di una batteria
piombo-gel. Infatti il criterio tensione costante + limitazione della corrente si presta benissimo ai due tipi di batterie. Uniche modifiche apportate:
ho cortocircuitato il diodo D5 e la resistenza R4 per ottenere una miglior precisione della taratura. E' molto importante non superare i 4.20 volt, anche
pochi millivolt in più possono causare il logoramento prematuro della batteria sotto carica.
La fine carica
Con il circuito sopra descritto la batteria ad esso collegata assorbe via via meno corrente all'avvicinarsi della
carica completa. Pur non essendoci il pericolo di sovraccarica, oltre un certo limite la batteria assorbe così poco che diventa opportuno
interrompere il processo. Per evidenziare questo stato (e, lo ammetto, per scimmiottare i caricabatteria commerciali) ho messo a punto lo schema
che segue:
Inserito a monte del regolatore di carica, lo scopo ultimo (e unico) del circuito è quello di accendere il led rosso quando
la corrente che vi transita supera qualche decina di mA; al di sotto di questa soglia il led rosso si spegne e si accende il verde.
Come funziona
Come accennato, il circuito è inserito a monte del regolatore di carica della batteria. Il
diodo D1, inserito sul ramo negativo dell'alimentazione, è attraversato dalla corrente che carica la batteria e da quella utilizzata dal
circuito di regolazione. R1, in parallelo ad esso, determina la soglia di intervento. In condizione di riposo Q2 è interdetto da R4 e R2
e di conseguenza LED1 (rosso) è spento; In questa situazione Q4 è in conduzione, polarizzato da R7 e dal partitore formato
da R10 e R8; il LED2 (verde) è acceso. In presenza di carico, ai capi di D1 è presente una tensione sufficiente a portare in conduzione Q2
tramite R2 ed accendere LED1. La tensione a valle di R7 scende a meno di tre volt, somma della Vce di Q2 e della tensione diretta della
giunzione del LED. A causa del partitore R8/R10 la polarizzazione di Q4 diventa insufficiente e dunque si spegne, e con esso LED2.
Anche se il dimensionamento dei componenti è stato effettuato in modo molto empirico il circuito ha funzionato immediatamente. Tuttavia in
fase di test ho notato una seppur piccola zona di transizione nell'accensione dei led che mi ha portato ad aggiungere una ulteriore sezione
allo schema iniziale. R3, R35, T1 E R4 hanno la funzione di introdurre una certa isteresi fra le condizioni di "batteria in carica" e "carica
ultimata". Una sorta di trigger di Schmitt a componenti discreti per discriminare gli stati di funzionamento. In pratica, non appena Q2 inizia
a condurre, ai capi di R7 la tensione aumenta fino a portare in conduzione T1; la corrente che scorre dal collettore incrementa la polarizzazione
di Q2 con una retroazione positiva, completando di fatto la transizione. Con i valori indicati la soglia di intervento si attesta a circa 30 mA
con una azione molto netta. Per il montaggio ho utilizzato transistor di recupero con sigla sconosciuta in contenitore M-type, piedinatura BCE.
Con ragionevole certezza credo che qualunque dispositivo di piccola potenza possa funzionare egregiamente. In caso di correnti superiori a 1A
occorre utilizzare per D1 un diodo più robusto. In una ipotetica versione "pimpata" del circuito, ad esempio per aggiornare il caricabatteria
dell'auto, sarebbe opportuno montare D1 esternamente alla scheda, opportunamente dimensionato e raffreddato, e ridurre R2 per avere una soglia
intorno a 0.5A.
LAYOUT COMPONENTI
LATO RAME
Al lavoro...
Ho montato l'indicatore di fine carica su un ritaglio di millefori e infilato le due piastrine (regolatore e indicatore)
nel primo contenitore che mi è capitato. Per alloggiare le pile ho utilizzato un portapile AA; stiracchiando un po' la molla del contatto negativo riesco
a caricare le stilo AA (formato 14500), le 14340 e le ministilo AAA - 10440. Per i 12 volt necessari al funzionamento sono ricorso al cassetto del
ciarpame, dal quale è uscito un alimentatore da muro non stabilizzato da 800 mA. Nella scatola ci sarebbe posto per un trasformatore da una decina di
VA, che col suo peso renderebbe il tutto più stabile. Non appena me ne capita uno a tiro...
Ho chiuso il contenitore prima di scattare qualche foto della realizzazione, quindi non rimane che un close-up virtuale dell'indicatore di fine carica
che si intravede nell'immagine di assieme:
Osservazioni
Attualmente il regolatore limita la corrente erogata a circa 6-700 mA. Mi aspettavo che per buona parte del tempo di ricarica la corrente si
sarebbe attestata su quel valore; invece, anche con pile quasi completamente scariche, raramente ho misurato oltre 300 mA con tensione di 4.20 volt.
Forse ho utilizzato pile vecchiotte e a fine vita, proverò con altre nuove. Per verificare l'effettiva validità dell'indicatore ho provato a collegare una
pila appena ricaricata al caricabatteria della fotocamera che ho assunto come riferimento, se non altro per il blasone del marchio sfoggiato in
bella mostra. Risultato: dopo una ventina di secondi si è spento il led arancio, a conferma che la batteria aveva raggiunto la piena carica. Missione
compiuta! Utilizzo questo caricabatterie da qualche settimana e funziona molto bene; ho già preparato il progetto per un secondo esemplare, magari da
utilizzare in auto per esigenze "campali". Questa versione, più compatta, comprende regolatore e indicatore di carica in un'unica scheda:
