Sơ đồ mạch sạc pin 3.7V tự ngắt là một mạch sạc pin bằng cách cung cấp lại các hạt mang điện (electron) cho pin. Việc sạc pin phụ thuộc vào loại pin. Có nhiều loại pin sử dụng vật liệu điện phân khác nhau. Bất kể loại nào, pin đều có một vấn đề chung là sạc quá mức và xả quá mức. Các loại pin khác nhau có giới hạn dung sai khác nhau khi sạc quá mức. Một số loại pin rất nhạy cảm đến nỗi chúng có thể phát nổ sau một thời hạn sạc nhất định.

Để sạc pin Li-ion,  có thể sử dụng các phương pháp khác nhau. Các phương pháp này thực chất là các phương thức sạc pin. Về cơ bản, có ba chế độ sạc pin :

1) Chế độ nhỏ giọt

2) Chế độ dòng điện không đổi

3) Chế độ điện áp không đổi

Trong thí nghiệm này, một bộ sạc pin cho pin Li-ion 3.7V với công suất đầu ra là 4.2 V / 1 A được thiết kế. Để thiết kế một mạch điện thông minh có thể theo dõi quá trình sạc trong thời gian thực, IC TP4056 được sử dụng.

IC này cung cấp đủ dòng điện và điện áp sạc cho pin Li-ion 3.7V. IC có thể tự động cắt dòng sạc khi pin đã được sạc đầy. Do đó, nó làm giảm nguy cơ hư hỏng vĩnh viễn cho pin.

Linh kiện bắt buộc – Sơ đồ mạch sạc pin 3.7V tự ngắt

Hình 1: Danh sách các linh kiện cần thiết cho bộ sạc pin Li-ion 3.7 V

Kết nối mạch

Trong phần này, pin Li-ion 3,7 V được sử dụng để lưu trữ điện tích được sạc đầy khi điện áp của nó đạt đến 4,2 V. Khi bất kỳ lần sạc pin nào, điện áp trên  nó không ngừng tăng lên. Mỗi pin đều có giá trị điện áp cực đại mà pin được sạc đầy. Vì vậy, phần trăm sạc của pin cũng được ước tính bằng cách đo điện áp của hai đầu pin. Pin Li-ion cần được xử lý cẩn thận vì pin có thể bắt lửa do sạc quá mức. Do đó để sạc pin Li-ion, các IC đặc biệt như IC TP4056 được sử dụng để tự động ngắt kết nối pin khỏi nguồn điện đầu vào khi pin đã được sạc đầy.

TP4056 là một vi mạch được thiết kế đặc biệt để sạc pin Li-ion 3,7 V. Đây là bộ điều khiển sạc pin tuyến tính với dòng điện không đổi và điện áp không đổi. Bằng cách thêm một điện trở để điều chỉnh, IC có thể được sử dụng để sạc pin Li-ion 3.7V. Điện áp sạc được cố định ở mức 4,2V và dòng điện sạc có thể được thiết lập bằng cách thêm một số điện trở và tụ điện theo pin cần sạc. IC này có thể cung cấp dòng sạc tối đa 1A.

IC cũng cung cấp khả năng bảo vệ quá nhiệt, hạn chế dòng điện và dòng điện tích âm. Khi pin được sạc đầy thì bộ sạc TP4056 sẽ cắt dòng điện. Vì vậy có thể có khả năng dòng điện chạy từ pin đến IC TP4056 khi pin ở mức điện áp cao. Do đó, không cần thêm điốt zener. Khi pin sạc đầy, IC sẽ ngắt dòng điện sạc để giúp pin không bị hư hỏng.

IC TP4056 có cả kiểu SOP, lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị di động. Nó cũng yêu cầu ít linh kiện bên ngoài hơn, không có gì khác ngoài vài điện trở và tụ điện. IC cần điện áp tối thiểu 4 V đến 8 V để hoạt động. IC có 8 chân với cấu hình chân như sau: 

IC TP4056 có tính năng tự động sạc lại. Khi điện áp của pin giảm xuống khoảng 4,05V thì IC sẽ lại bắt đầu chu kỳ sạc của nó. Thao tác này sẽ khởi động lại quá trình sạc pin một lần nữa. Nó đi kèm với cảm nhận nhiệt độ. Chân 1 hoặc chân TEMP của nó được kết nối với đầu ra nhiệt điện trở NTC (hệ số nhiệt độ âm) được tích hợp sẵn trong bộ pin. Nếu điện áp pin dưới 45% hoặc cao hơn 80% điện áp cung cấp trong hơn 0,15 giây có nghĩa là nhiệt độ pin rất cao hoặc rất thấp thì quá trình sạc pin sẽ dừng lại. Nối đất chân này sẽ vô hiệu hóa chức năng của chân cảm nhận nhiệt độ. Trong thử nghiệm này, chốt này sẽ được nối đất sẽ vô hiệu hóa chức năng của chốt cảm nhận nhiệt độ. 

Để sạc pin Li-ion 3.7V, cũng có thể sử dụng mô-đun TP4056 sẵn có trên thị trường. Mô-đun này cung cấp tất cả các thành phần được nhúng với IC TP4056 và nó được thiết kế đặc biệt để sạc một pin Li-ion 3.7V. Để hiểu đầy đủ về mạch sạc, nó được thiết kế từ đầu trong dự án này. 

IC TP4056 có sơ đồ chân sau: 

Hình 2: Sơ đồ chân của IC TP4056

Trước hết, IC cần được cung cấp nguồn điện đầu vào, sau đó sẽ cung cấp năng lượng cho pin được sạc. Các chân sau trên IC được thiết kế để kết nối với nguồn điện bên ngoài – 

Gnd (chân 3) – Nó cung cấp đất cho IC và cần được kết nối với cực âm của pin.

Vcc (chân 4) – Đây là chân cung cấp Đầu vào. 

Vì vậy, cung cấp nguồn cung cấp đầu vào cho IC. Khi điện áp nguồn giảm xuống trong vòng 30mV so với điện áp chân BAT. Sau đó TP4056 chuyển sang chế độ nghỉ và giảm dòng điện cung cấp cho chân BAT xuống dưới 2uA. Chân BAT là chân đó, tại đó cực dương của pin sẽ được kết nối. Điện áp đầu vào của IC phải là điện áp từ 4V đến 8V để nó hoạt động bình thường.

Trong thí nghiệm này, nguồn cung cấp 5V cho IC được cung cấp. Một tụ điện cũng được kết nối từ Vcc với mặt đất để bỏ qua các xung điện áp không mong muốn và nhiễu. Tuy nhiên, giá trị lớn của tụ điện cần phải tách ra bằng một điện trở nối tiếp (được hiển thị dưới dạng điện trở R3 trong sơ đồ mạch) từ 0,2 ôm đến 0,5 ôm để làm giảm điện áp gợn sóng. 

Thứ hai, IC TP4056 cần được kích hoạt. Đối với CE này (chân 8) – Được cung cấp kích hoạt chip. Đầu vào cao ở chân này kích hoạt IC TP4056 và kéo chân này xuống thấp sẽ vô hiệu hóa IC. Vì vậy, chân này đã được kết nối trực tiếp với điện áp cung cấp để kích hoạt IC. 

Bây giờ, dòng sạc phải được thiết lập theo pin được sử dụng. Vì mục đích này, Prog (pin 2) được cung cấp. Chân này quyết định dòng sạc pin bằng cách sử dụng một điện trở có thể lập trình (RPROG) được kết nối từ chân cắm xuống đất. Chân này cung cấp điện áp tham chiếu không đổi là 1V (VPROG) cho một điện trở bên ngoài được kết nối giữa chân này và đất.

Điện áp ở chế độ dòng điện không đổi được điều chỉnh ở mức 2V và ở chế độ sạc trước là 0,2V tại chân này. Ở chế độ dòng điện không đổi, dòng điện nạp gấp 1200 lần dòng điện qua điện trở này. Ở cả chế độ (dòng điện không đổi và chế độ sạc trước), điện áp được sử dụng để đo dòng điện tại chân này theo phương trình sau:

Dòng điện tại chân PROG, Iprog = (VPROG / RPROG) 

Dòng sạc của pin có thể được tính như sau: 

Icharge = Iprog * 1200 

Trong thử nghiệm này, 1A của dòng sạc (Icharge) sẽ được đặt để sạc pin. Đối với dòng điện 1A, điện trở Rprog được nối với chân này với đất (như trong sơ đồ mạch điện). Giá trị của điện trở Rprog có thể được tính như sau: 

Icharge = Iprog * 1200    (như đã nêu ở trên)

Icharge = (Vprog / RPROG) * 1200      (từ phương trình trên của Iprog)

RPROG = (Vprog / Ibat) * 1200    (Icharge = 1A và VPROG = 1V)

Rprog = (1/1) * 1200

Rprog = 1,2k

Hình 3: Sơ đồ mạch hiển thị Điện trở có thể lập trình để đặt Dòng sạc

Bây giờ pin có thể được kết nối với TP4056 IC. Để kết nối pin, BAT (chân 5) hoặc chân kết nối Pin được cung cấp. Cực dương của pin được kết nối với chân này. Chân BAT này cung cấp dòng điện sạc và 4.2V được điều chỉnh cho pin. Trong thí nghiệm này, một tụ điện được kết nối song song với chân BAT kết nối với đất để bỏ qua các xung điện áp không mong muốn và nhiễu (như thể hiện trong hình bên dưới) – 

Hình 4: Sơ đồ mạch hiển thị kết nối pin với IC TP4056

Để có dấu hiệu trực quan về việc sạc pin, có thể sử dụng CHRG (chân 7) hoặc Trạng thái sạc của chân pin. Khi pin đang sạc thì chân này ở mức thấp, ngược lại, nó vẫn ở trạng thái trở kháng cao. Để có dấu hiệu trực quan về việc sạc pin, đèn LED Đỏ được kết nối với điện trở (R2) nối tiếp với chân này sẽ sáng lên khi pin đang sạc, nếu không, nó sẽ ở trạng thái tắt. Điện trở hạn chế dòng điện từ đèn LED. 

Để có dấu hiệu trực quan về việc sạc đầy pin, có thể sử dụng STDBY (chân 6) hoặc pin trạng thái Kết thúc sạc. Khi pin được sạc đầy, chân này sẽ yếu đi, ngược lại, nó sẽ ở trạng thái trở kháng cao.

Trong thí nghiệm này, để chỉ thị trực quan, một đèn LED màu xanh lá cây được kết nối với điện trở (R1) mắc nối tiếp tại chân này. Đèn LED này sẽ sáng khi pin được sạc đầy nếu không sẽ ở trạng thái tắt. Điện trở hạn chế dòng điện từ đèn LED. 

Hình 5: Sơ đồ mạch hiển thị quá trình sạc và hoàn thành sạc Chỉ báo kết nối đèn LED với TP4056

Vì vậy, IC này yêu cầu số lượng linh kiện bên ngoài ít hơn. Nó có tính năng tự động ngắt khi pin đã được sạc đầy. Nó có bảo vệ quá áp và nhiệt bên trong. IC cung cấp khả năng tự động sạc lại và sạc đầy và chỉ báo sạc pin cho pin có thể được kết nối với nó. 

Điều quan trọng là các tụ điện nên được sử dụng ở nguồn cung cấp đầu vào cũng như với pin để lọc tín hiệu. Điều này sẽ làm giảm xung đột điện áp không mong muốn, bảo vệ pin cũng như vi mạch khỏi bị hư hỏng. Một điện trở (R3 trong sơ đồ mạch) nên được mắc nối tiếp với giá trị lớn của tụ điện ở nguồn cung cấp đầu vào để giữ cho điện áp gợn sóng thấp. Pin phải được kết nối theo cực được chỉ định trên IC vì IC không có bất kỳ mạch bảo vệ phân cực ngược nào.

Không được xả pin bằng cách kết nối tải, trong quá trình sạc. Việc sạc và xả đồng thời có thể làm giảm tuổi thọ của pin và có thể gây hại cho IC TP4056. Nguồn đầu vào phải được cung cấp cho IC trong phạm vi làm việc của nó. Ngoài ra, các cực kết nối phải đúng. Trong khi kết nối pin với IC TP4056, nếu cả hai đèn LED màu đỏ và xanh lá cây sáng lên thì phải kiểm tra kết nối mạch của pin. 

Cách hoạt động của mạch – Sơ đồ mạch sạc pin 3.7V tự ngắt

Trong quá trình sạc pin, có ba chế độ cơ bản trong đó IC TP4056 hoạt động. Có các chế độ bổ sung theo các tính năng nhúng trong vi mạch. Các chế độ này có thể được quan sát từ biểu đồ sau lấy từ biểu dữ liệu: 

Hình 6: Biểu đồ hiển thị các chế độ sạc của IC TP-4056 (Nguồn – biểu dữ liệu TP4056)

1) Chế độ nhỏ giọt

Khi điện áp của pin nhỏ hơn 2,8V thì IC sẽ chuyển sang chế độ sạc nhỏ giọt để đưa điện áp của pin về chế độ an toàn. Trong chế độ này, dòng điện sạc (giá trị dòng điện mà pin sẽ được sạc) giảm xuống còn 13% (Kiểu 130mA) của dòng điện toàn dải. Khi điện áp pin đạt trên điện áp nhỏ giọt (Vtrickle (2.9V) + Delta Vtrickle (0.08V)), IC sẽ chuyển sang chế độ dòng điện không đổi. Trong thí nghiệm này, dòng sạc là 1A (được thiết lập bởi điện trở lập trình ở chân 2). Ở chế độ nhỏ giọt, dòng sạc sẽ giảm xuống và có thể được tính như sau

 Itrickle = 13% Icharge (dòng sạc)

 Trong trường hợp của chúng tôi sạc hiện tại, Icharge = 1A

 Itrickle = (13 * 1) / 100

 Itrickle = 130mA

2) Chế độ dòng điện không đổi

Dòng điện chạy ra khỏi chân PROG sẽ không đổi. Dòng điện này được sử dụng để sạc pin và được gọi là dòng sạc. Trong thí nghiệm này, dòng sạc này là 1A (Icharge) (như được thiết lập bởi điện trở lập trình ở chân 2) và pin sẽ được sạc qua dòng điện không đổi 1A này cho đến khi điện áp đầu của pin đạt điện áp danh định lớn nhất (4.2 V).

3) Chế độ điện áp không đổi

Bây giờ khi điện áp của pin đã đạt đến giá trị cao nhất là 4,2 V thì điện áp của pin sẽ cố gắng vượt quá 4,2 V. Khi đó, IC sẽ không cho thêm dòng điện chạy qua pin. Dòng điện ở chế độ này sẽ từ từ bắt đầu giảm xuống bằng cách duy trì điện áp không đổi là 4,2 V ở pin (như trong biểu đồ trên). 

4) Chế độ chờ

IC tự động dừng sạc khi dòng sạc giảm xuống còn 1 / 10Th của dòng / dòng sạc được lập trình sau khi đạt đến điện áp tối đa (4,2 V) của pin. Trong thử nghiệm này, giá trị hiện tại này có thể được tính như sau

I = 1/10 * (Icharge) Dòng sạc

I = 1/10 * (1)    (vì Icharge = 1A)

I = 0,1A

Trong chế độ này, IC sẽ tạo ra dòng điện tối đa 100uA theo biểu dữ liệu.

5) Chế độ tắt  

Khi không kết nối Pin RPROG và điện áp đầu vào nhỏ hơn điện áp pin thì IC sẽ ở chế độ tắt. 

Thử nghiệm – Sơ đồ mạch sạc pin 3.7V tự ngắt

Hình 7: Hình ảnh của Mô-đun TP-4056 và Pin

Nguồn đầu vào cung cấp cho IC là 5V DC nên Vin = 5V

Dòng điện tối đa được cung cấp bởi TP4056, Imax = 1A

Dòng sạc cho pin, Icharge là 1A (được thiết lập bởi điện trở lập trình được kết nối tại chân 2 của IC). Một pin Li-ion 3,7 V có dung lượng 3000 mAH đang được tích điện bởi mạch. Trước khi kết nối pin với TP4056, điện áp pin ban đầu mà Vbat đo được là 3,98V. Khi pin được kết nối với TP4056 thì dòng điện do pin Ibat rút ra là 90mA. Thời gian để sạc đầy pin là khoảng 5 giờ. Cần lưu ý rằng bộ sạc này chỉ được thiết kế cho pin Li-Ion 3.7 V. 

Sơ đồ mạch sạc pin 3.7V tự ngắt