Projetando um Power Bank (Parte 2/9)

À medida que a popularidade e o uso de smartphones e tablets cresceram, a demanda por fontes de alimentação portáteis e práticas também aumentou. O smartphone e os tablets vêm com bateria que descarrega em 4 a 5 horas de uso. Como solução para este problema, os bancos de energia foram introduzidos no mercado para os utilizadores frequentes. Esses bancos de energia também recorrem quando o usuário está em uma longa viagem e não tem facilidade para carregar seu telefone ou tablet. Um banco de energia é basicamente um dispositivo portátil que pode fornecer energia para dispositivos como smartphones e tablets através da porta USB. O próprio banco de energia pode ser carregado pela porta USB e armazena carga que mais tarde pode ser usada para ligar outros dispositivos.
Neste experimento, será projetado um banco de potência que pode fornecer uma saída de energia de 5V/4A. O banco de energia será construído com uma bateria de íons de lítio de 3,7 V e terá um circuito de carregador construído com IC TP056 e circuito de reforço de energia na saída. A bateria de íons de lítio armazenará a carga e, em seguida, a carga armazenada na bateria será usada para fornecer energia aos dispositivos. Para armazenar a carga, primeiro a bateria de íons de lítio precisa ser carregada usando um circuito de carregador para o qual o IC TP056 é usado. Este IC é comumente usado para carregar baterias de íon-lítio. O IC foi especialmente projetado para carregar uma única bateria de íons de lítio de 3,7 V e pode fornecer corrente de carga máxima de 1A.
Os telefones celulares e a maioria dos aparelhos eletrônicos precisam de 5 V para ligar, mas a bateria de íons de lítio fornecerá uma tensão máxima de 4,2 V. Portanto, será necessário um circuito amplificador de energia que possa amplificar a potência de saída para 5 V. Para amplificar a energia armazenada na bateria, é usado o IC regulador XL6009, que aumentará a energia CC da bateria para 5 V CC regulados. O XL6009 fornece corrente máxima de 4 A na saída (conforme folha de dados). Portanto, o banco de potência projetado neste projeto eletrônico fornecerá uma potência de saída de 5V/4 A.

Componentes necessários

Lista de componentes necessários para Power Bank
Fig. 1: Lista de componentes necessários para Power Bank

Como funciona o circuito –

Protótipo de Power Bank projetado em uma protoboard

Fig. 2: Protótipo de Power Bank projetado em uma protoboard

O circuito do banco de potência possui dois blocos de construção – 1) Circuito de recarga da bateria e 2) Circuito amplificador de saída. Se a tensão de saída necessária fosse apenas 3,7 V ou 4 V, o circuito amplificador não seria necessário. Porém, a tensão de saída necessária é de 5V, por isso o circuito amplificador na saída do dispositivo é obrigatório. De acordo com as seções do circuito, o dispositivo também opera em dois estágios – 1) Carregamento da bateria e 2) Captação da saída da bateria através do circuito amplificador.

1) Carregamento da bateria de íons de lítio com carregador TP4056

Neste projeto eletrônico, uma bateria de íon-lítio de 3,7 V é usada para armazenar a carga que está totalmente carregada quando a tensão terminal atinge 4,2 V. À medida que qualquer bateria é carregada, a saída de tensão em seus terminais continua aumentando. Cada bateria tem um valor de tensão terminal de pico para o qual a bateria está totalmente carregada. Assim, a porcentagem de carga da bateria também é estimada medindo a tensão terminal. A bateria de íons de lítio precisa ser manuseada com cuidado, pois pode pegar fogo devido à sobrecarga. Portanto, para carregar a bateria de íon-lítio, são usados ​​ICs especiais como o TP4056 IC, que desconecta automaticamente a bateria da fonte de entrada quando a bateria está totalmente carregada.
O TP4056 é um IC especialmente projetado para carregar baterias de íon-lítio de 3,7 V. Este é um controlador linear de carregador de bateria com corrente constante e tensão constante. Ao adicionar um único resistor programável, o IC pode ser usado para carregar uma bateria de íons de lítio de 3,7 V. A tensão de carga é fixada em 4,2 V e a corrente de carga pode ser definida adicionando algum resistor e capacitor de acordo com a bateria a ser carregada. O IC também fornece proteção térmica interna e limitação de corrente. Não há necessidade de adicionar diodo de bloqueio extra devido ao P-MOSFET interno que bloqueia a corrente reversa.
O IC TP4056 vem em pacote SOP, o que o torna ideal para uso em dispositivos portáteis. Também requer menos componentes externos, nada menos que alguns resistores e capacitores. O IC possui 8 pinos com a seguinte configuração de pinos –
Tabela listando a configuração dos pinos do IC TP4056
Fig. 3: Tabela listando a configuração dos pinos do IC TP4056

O IC necessita de tensão mínima de 4V a 8V para seu funcionamento. Ele pode fornecer corrente de carga máxima de 1000mA para a bateria e 4,2 V fixos na saída. O circuito fornecido na folha de dados do IC é usado para projetar o carregador.

Diagrama de circuito do carregador de bateria Power Bank baseado em IC TP4056

Fig. 4: Diagrama de circuito do carregador de bateria Power Bank baseado em IC TP4056

Para decidir o valor da corrente de carga da bateria a Rprograma o resistor deve ser conectado no pino PROG conforme descrito a função do pino PROG na folha de dados.

Para corrente de carga de 1000mA Rprograma pode ser calculado da seguinte forma –

EUbastão = ( VPROG./RPROG. )*1200 (VPROG. = 1V)

Rprograma = (Vprograma/EUbastão)*1200

Rprograma = (1/1)*1200

Rprograma = 1,2k

A bateria deve ser conectada conforme a polaridade indicada no IC, pois o IC TP4056 não possui nenhum circuito de proteção contra inversão de polaridade.

ó Indicadores de carga da bateria

Para indicação visual do término da carga e do estado de carga da bateria, os LEDs podem ser conectados aos pinos 6 e 7 do IC. Quando a alimentação de entrada é fornecida ao circuito, o LED vermelho no pino 7 acende, indicando o estado de carregamento da bateria. Quando a tensão da bateria atingir 4,2 V, a bateria consumirá menos corrente. A corrente de carga quando cai para 1/10º da corrente programada (1000mA), o carregamento será encerrado. O LED verde no pino 6 acenderá e dará uma indicação visual de que a bateria está totalmente carregada (pois a tensão do terminal atingiu 4,2V).

2) Extraindo a saída da bateria através do amplificador de tensão e do circuito regulador –

Assim que a bateria estiver totalmente carregada pelo circuito do carregador TP4056, ela estará pronta para fornecer saída. A tensão de saída da bateria de íon-lítio precisa de um conversor boost que aumentará a tensão de saída da bateria para 5V.
Um conversor boost é usado para converter o sinal DC de entrada para o nível de tensão mais alto. O CI regulador XL6009 é usado para circuito conversor boost que fornece tensão regulada e amplificada. Este conversor boost amplifica o sinal para cerca de 1,6 vezes o sinal de entrada da bateria com uma eficiência de 94%. O XL6009 é um conversor DC para DC capaz de gerar tensões de saída positivas ou negativas com a tensão de entrada na faixa de 5V a 32V.
O IC possui MOSFET de potência de canal N integrado e oscilador de frequência fixa que permite fornecer uma saída estável em uma ampla faixa de tensões de entrada. O IC foi especialmente projetado para uso em Boost automotivo, conversores inversores, adaptadores para notebook e equipamentos eletrônicos portáteis. O IC possui recursos como compensação de frequência, desligamento térmico, limitação de corrente e partida suave. Ele está disponível no pacote T0263-5L. O XL6009 funcionará com tensão de alimentação de entrada de -0,3V a 36V e pode fornecer uma saída na faixa de -0,3V a 60V. O IC possui cinco pinos com a seguinte configuração de pinos –
Tabela listando a configuração dos pinos do IC regulador XL6009
Fig. 5: Tabela listando a configuração dos pinos do IC regulador XL6009

O circuito especificado na folha de dados do IC para aplicação típica de conversor boost é utilizado neste projeto.

Observação: Você pode encontrar o circuito conversor de reforço XL6009 na guia “Diagrama de circuito 2”.

Na entrada e saída do regulador, os capacitores (Cin e Cout) são usados, o que reduz as ondulações e ruídos indesejados do sinal. O Cout fornece uma tensão CC regulada e suave na saída. Um pequeno valor do capacitor 1uF (C4) também é conectado em paralelo com o capacitor de alto valor Cout para reduzir a ESR (resistência equivalente em série) na saída (já que capacitores de alto valor têm alta ESR).
O indutor conectado entre os pinos 3 e 4 desempenha um papel importante no conversor boost. A principal função do indutor é armazenar a corrente. Quanto maior o valor do indutor, maior será a corrente armazenada nele, mas um indutor de alto valor também terá um tamanho maior. Portanto, deve ser selecionado um indutor que possa fornecer a corrente desejada na saída. No projeto são utilizados um indutor (L1) de 47 uH e um diodo Schottky (D3). O diodo SS34 é escolhido porque tem uma queda de tensão menor e funciona bem em alta frequência. Uma lista de diodos Schottky adequados para o IC de acordo com a demanda de corrente e tensão de entrada pode ser encontrada na folha de dados do IC XL6009. Por conveniência, a tabela é repetida com precisão abaixo –
Tabela listando diodos Schottky adequados para regulador IC XL6009
Fig. 6: Tabela listando diodos Schottky adequados para IC regulador XL6009
Diagrama de circuito do indutor e diodo Schottky conectado ao XL6009
Fig. 7: Diagrama do circuito do indutor e diodo Schottky conectado ao XL6009

Internamente o XL6009 possui MOSFET de potência de canal N com frequência fixa do oscilador (conforme figura 4 abaixo). Este MOSFET atua como um transistor chaveador e oscilador que gera uma onda quadrada de cerca de 400kHz (conforme folha de dados). Durante o meio ciclo positivo da onda quadrada, o indutor armazena alguma energia e gera um campo magnético de modo que o terminal esquerdo do indutor tenha uma tensão positiva e o terminal direito seja negativo. Portanto, o ânodo do diodo está com potencial mais baixo e atua como um circuito aberto.

A base do MOSFET recebe tensão positiva e o MOSFET é LIGADO. Assim, toda a corrente da alimentação flui através do indutor para o MOSFET e finalmente para o terra.
Diagrama de circuito mostrando o ciclo de carga negativa do MOSFET interno do XL6009
Fig. 8: Diagrama de circuito mostrando o ciclo de carga negativa do MOSFET interno do XL6009
Durante o meio ciclo negativo, o MOSFET é desligado. Devido a isso, o indutor não consegue carregar. Agora, a corrente no indutor gera uma fem reversa (de acordo com a lei de Lenz) que inverte a polaridade do indutor (como mostrado na imagem abaixo). Portanto, o diodo fica polarizado diretamente. Agora a carga armazenada no indutor começa a descarregar através do diodo e uma tensão regulada é obtida na saída.
Neste caso, a tensão de saída agora depende da carga armazenada no indutor; quanto maior a carga armazenada, maior será a tensão de saída. Portanto, se o tempo de carregamento do indutor for maior, a carga armazenada no indutor também aumenta. Assim, tornam-se duas fontes de tensão como entrada, uma é um indutor e outra é a alimentação de entrada. Portanto, sempre há uma tensão de saída maior que a tensão de entrada.
Diagrama de circuito mostrando o ciclo de carga positiva do MOSFET interno do XL6009
Fig. 9: Diagrama de circuito mostrando o ciclo de carga positiva do MOSFET interno do XL6009
Circuito divisor de tensão resistiva:
Para definir 5V na saída do XL6009, um circuito divisor de tensão resistivo externo é usado no pino de feedback (pino 5) do IC regulador (como na imagem abaixo). Este pino de feedback detecta a tensão de saída e a regula.
Diagrama de circuito do divisor de tensão conectado no pino de saída do XL6009
Fig. 10: Diagrama do circuito do divisor de tensão conectado no pino de saída do XL6009
ó Calculando a tensão de saída
Como a tensão limite de feedback interno do XL6009 é 1,25V. Isso significa que há uma tensão constante no pino 5 e uma corrente constante fluirá através de R4 e também de R5. Portanto, a soma da queda do resistor em R4 e R5 dá Vfora como

Vfora = 1,25*(1+(R4/R5))

Como R4 = 4,1k e R5 = 1,3k

Vfora = 1,25*(1+(R4/R5))

Colocando os valores R4 e R5 na equação acima

Observação teórica, Vfora = 5,2 V (aprox.)
A tensão de saída não é exatamente 5V porque qualquer dispositivo que requer 5V não funciona exatamente com 5V. Ele precisa de uma tensão mais alta que 5V devido a algumas perdas resistivas e quedas no dispositivo. Para aumentar o sinal de entrada para 5V, também podem ser utilizados quaisquer módulos conversores boost disponíveis no mercado. Também estão disponíveis placas booster XL6009 que fornecem uma tensão constante e regulada de 5V na saída.

Teste –

Depois de conectar todos os componentes, 5V são fornecidos ao IC TP4056 que inicia o carregamento da bateria de íon-lítio. A tensão de saída da bateria atua como uma entrada para o circuito boost. Portanto, a tensão de entrada no circuito de reforço / tensão da bateria de íons de lítio, Vem= 4,2 V quando a bateria está totalmente carregada. O circuito boost amplifica a entrada e fornece uma tensão de saída de 5,18 V. Agora, ao conectar diferentes cargas na saída, são observados diferentes valores de corrente de carga, que são os seguintes –
Tabela listando a corrente de saída do banco de potência para diferentes cargas
Fig. 11: Tabela listando a corrente de saída do banco de potência para diferentes cargas
O power bank desenhado neste projeto pode ser utilizado para carregar qualquer dispositivo eletrônico que necessite de corrente máxima regulada de 5V e 4A para seu funcionamento. O banco de potência projetado neste projeto possui eficiência em torno de 94% e devido uso de CIs adequados possui sobretensão interna e proteção térmica. O banco de energia é automaticamente cortado da fonte quando está totalmente carregado e possui indicadores LED para indicações de carga e carga total. Deve-se tomar cuidado para que a bateria não seja descarregada conectando uma carga, durante o processo de carregamento da bateria. Carregar e descarregar simultaneamente pode reduzir a vida útil da bateria e danificar o TP4056 IC.

Diagramas de circuito

Circuito-Diagrama-Carregador-Power-Bank-
Diagrama de Circuito-Power-Bank-

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