Diseño de un Power Bank (Parte 2/9)

A medida que creció la popularidad y el uso de teléfonos inteligentes y tabletas, también aumentó la demanda de fuentes de alimentación portátiles y convenientes. Los teléfonos inteligentes y las tabletas vienen con una batería que se agota después de 4 a 5 horas de uso. Como solución a este problema, se introdujeron en el mercado powerbanks para usuarios frecuentes. Estos powerbanks también resultan útiles cuando el usuario realiza un viaje largo y no tiene la posibilidad de cargar su teléfono o tableta. Un banco de energía es básicamente un dispositivo portátil que puede suministrar energía a dispositivos como teléfonos inteligentes y tabletas a través del puerto USB. El propio banco de energía se puede cargar a través del puerto USB y almacena carga que luego se puede usar para alimentar otros dispositivos.
En este experimento, se diseñará un banco de energía que pueda proporcionar una salida de energía de 5V/4A. El banco de energía estará construido con una batería de iones de litio de 3,7 V y tendrá un circuito de carga construido con IC TP056 y un circuito de refuerzo de energía en la salida. La batería de iones de litio almacenará la carga y luego la carga almacenada en la batería se utilizará para alimentar los dispositivos. Para almacenar la carga, primero se debe cargar la batería de iones de litio utilizando un circuito de carga para el cual se utiliza IC TP056. Este IC se usa comúnmente para cargar baterías de iones de litio. El IC está especialmente diseñado para cargar una sola batería de iones de litio de 3,7 V y puede proporcionar una corriente de carga máxima de 1 A.
Los teléfonos móviles y la mayoría de los dispositivos electrónicos necesitan 5 V para encenderse, pero la batería de iones de litio proporcionará un voltaje máximo de 4,2 V. Por lo tanto, necesitará un circuito amplificador de potencia que pueda amplificar la potencia de salida a 5 V. Para amplificar la energía. almacenado en la batería, se utiliza el regulador IC XL6009, que aumentará la potencia de CC de la batería a 5 V CC regulados. El XL6009 proporciona una corriente máxima de 4 A en la salida (según la hoja de datos). Por tanto, el power bank diseñado en este proyecto de electrónica proporcionará una potencia de salida de 5V/4A.

Componentes necesarios

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

Cómo funciona el circuito –

Protótipo de Power Bank projetado em uma protoboard

Fig. 2: Prototipo de Power Bank diseñado en una placa de pruebas

El circuito del banco de energía tiene dos bloques de construcción: 1) Circuito de recarga de batería y 2) Circuito amplificador de salida. Si el voltaje de salida requerido fuera solo 3,7 V o 4 V, el circuito amplificador no sería necesario. Sin embargo, el voltaje de salida requerido es de 5 V, por lo que el circuito amplificador en la salida del dispositivo es obligatorio. Según las secciones del circuito, el dispositivo también funciona en dos etapas: 1) Carga de la batería y 2) Captura de la salida de la batería a través del circuito amplificador.

1) Carga de batería de iones de litio con cargador TP4056

En este proyecto electrónico, se utiliza una batería de iones de litio de 3,7 V para almacenar la carga, que está completamente cargada cuando el voltaje del terminal alcanza los 4,2 V. A medida que se carga cualquier batería, la salida de voltaje en sus terminales continúa aumentando. Cada batería tiene un valor de voltaje pico en el terminal al cual la batería está completamente cargada. Por lo tanto, el porcentaje de carga de la batería también se estima midiendo el voltaje en los terminales. La batería de iones de litio debe manipularse con cuidado, ya que puede incendiarse debido a una sobrecarga. Por lo tanto, para cargar la batería de iones de litio, se utilizan circuitos integrados especiales como el IC TP4056, que desconecta automáticamente la batería de la fuente de entrada cuando está completamente cargada.
TP4056 es un IC especialmente diseñado para cargar baterías de iones de litio de 3,7 V. Se trata de un controlador de cargador de batería lineal con corriente y voltaje constantes. Al agregar una única resistencia programable, el IC se puede usar para cargar una batería de iones de litio de 3,7 V. El voltaje de carga se fija en 4,2 V y la corriente de carga se puede configurar agregando una resistencia y un condensador según la batería que se va a cargar. . El IC también proporciona protección térmica interna y limitación de corriente. No es necesario agregar un diodo de bloqueo adicional debido al P-MOSFET interno que bloquea la corriente inversa.
IC TP4056 viene en un paquete SOP, lo que lo hace ideal para usar en dispositivos portátiles. También requiere menos componentes externos, nada menos que unas pocas resistencias y condensadores. El IC tiene 8 pines con la siguiente configuración de pines:
Tabela listando a configuração dos pinos do IC TP4056
Fig. 3: Tabla que enumera la configuración de pines del IC TP4056

El IC requiere un voltaje mínimo de 4V a 8V para su funcionamiento. Puede proporcionar una corriente de carga máxima de 1000 mA a la batería y una corriente fija de 4,2 V en la salida. El circuito que figura en la hoja de datos de IC se utiliza para diseñar el cargador.

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

Fig. 4: Diagrama de circuito del cargador de batería Power Bank basado en IC TP4056

Para decidir el valor de la corriente de carga de la batería , la resistencia debe estar conectada al pin PROG como se describe en la hoja de datos.

Para una corriente de carga de 1000 mA, el programa R se puede calcular de la siguiente manera:

Dispositivo UE = ( PROG. V /PROG.R)*1200 ( PROG.V = 1V)

Programa R = ( programa V/me quedo )*1200

Programa R = (1/1)*1200

programa R = 1,2k

La batería debe conectarse según la polaridad indicada en el IC, ya que el IC TP4056 no tiene ningún circuito de protección contra inversión de polaridad.

y Indicadores de carga de la batería

Para una indicación visual de la finalización de la carga y del estado de carga de la batería, se pueden conectar LED a los pines 6 y 7 del IC. Cuando se suministra energía de entrada al circuito, el LED rojo en el pin 7 se enciende, indicando el estado de carga de la batería. Cuando el voltaje de la batería alcanza los 4,2 V, la batería consumirá menos corriente. Cuando la corriente de carga caiga a 1/10 de la corriente programada (1000 mA), la carga finalizará. El LED verde en el pin 6 se iluminará y dará una indicación visual de que la batería está completamente cargada (ya que el voltaje del terminal ha alcanzado 4,2 V).

2) Extracción de la salida de la batería a través del amplificador de voltaje y circuito regulador –

Una vez que la batería esté completamente cargada por el circuito del cargador TP4056, estará lista para proporcionar salida. El voltaje de salida de la batería de iones de litio necesita un convertidor elevador que aumentará el voltaje de salida de la batería a 5 V.
Se utiliza un convertidor elevador para convertir la señal de CC de entrada al nivel de voltaje más alto. El CI regulador XL6009 se utiliza para un circuito convertidor elevador que proporciona voltaje regulado y amplificado. Este convertidor elevador amplifica la señal aproximadamente 1,6 veces la señal de entrada de la batería con una eficiencia del 94%. El XL6009 es un convertidor de CC a CC capaz de generar voltajes de salida positivos o negativos con el voltaje de entrada en el rango de 5 V a 32 V.
El IC tiene MOSFET de potencia de canal N integrado y un oscilador de frecuencia fija que le permite proporcionar una salida estable en una amplia gama de voltajes de entrada. El IC está especialmente diseñado para su uso en impulsores de automóviles, convertidores inversores, adaptadores para portátiles y equipos electrónicos portátiles. El IC tiene características como compensación de frecuencia, apagado térmico, limitación de corriente y arranque suave. Está disponible en el paquete T0263-5L. El XL6009 funcionará con un voltaje de suministro de entrada de -0,3 V a 36 V y puede proporcionar una salida en el rango de -0,3 V a 60 V. El IC tiene cinco pines con la siguiente configuración de pines:
Tabela listando a configuração dos pinos do IC regulador XL6009
Fig. 5: Tabla que enumera la configuración de pines del CI regulador XL6009

En este proyecto se utiliza el circuito especificado en la hoja de datos de IC para una aplicación típica de convertidor elevador.

Nota : Puede encontrar el circuito convertidor elevador XL6009 en la pestaña "Diagrama de circuito 2".

En la entrada y salida del regulador se utilizan condensadores (Cin y Cout), lo que reduce las ondulaciones y el ruido no deseados en la señal. Cout proporciona un voltaje CC regulado y suave en la salida. Un condensador de valor pequeño de 1 uF (C4) también se conecta en paralelo con el condensador Cout de valor alto para reducir la ESR (resistencia en serie equivalente) en la salida (ya que los condensadores de valor alto tienen una ESR alta).
El inductor conectado entre los pines 3 y 4 juega un papel importante en el convertidor elevador. La función principal del inductor es almacenar corriente. Cuanto mayor sea el valor del inductor, mayor será la corriente almacenada en él, pero un inductor de alto valor también tendrá un tamaño mayor. Por lo tanto, se debe seleccionar un inductor que pueda suministrar la corriente deseada en la salida. En el proyecto se utiliza un inductor de 47 uH (L1) y un diodo Schottky (D3). Se elige el diodo SS34 porque tiene una caída de voltaje más baja y funciona bien a alta frecuencia. Puede encontrar una lista de diodos Schottky adecuados para el IC según la demanda actual y el voltaje de entrada en la hoja de datos del IC XL6009. Para mayor comodidad, la tabla se repite con precisión a continuación:
Tabela listando diodos Schottky adequados para regulador IC XL6009
Fig. 6: Tabla que enumera los diodos Schottky adecuados para el regulador IC XL6009
Diagrama de circuito do indutor e diodo Schottky conectado ao XL6009
Fig. 7: Diagrama de circuito del inductor y diodo Schottky conectados al XL6009

Internamente, el XL6009 tiene un MOSFET de potencia de canal N con una frecuencia de oscilador fija (como se muestra en la figura 4 a continuación). Este MOSFET actúa como un transistor de conmutación y un oscilador que genera una onda cuadrada de alrededor de 400 kHz (según la hoja de datos). Durante el semiciclo positivo de la onda cuadrada, el inductor almacena algo de energía y genera un campo magnético de modo que el terminal izquierdo del inductor tiene un voltaje positivo y el terminal derecho es negativo. Por tanto, el ánodo del diodo tiene un potencial menor y actúa como un circuito abierto.

La base del MOSFET recibe voltaje positivo y el MOSFET se enciende. Por lo tanto, toda la corriente del suministro fluye a través del inductor hasta el MOSFET y finalmente a tierra.
Diagrama de circuito mostrando o ciclo de carga negativa do MOSFET interno do XL6009
Fig. 8: Diagrama de circuito que muestra el ciclo de carga negativa del MOSFET interno XL6009
Durante el medio ciclo negativo, el MOSFET se apaga. Debido a esto, el inductor no puede cargarse. Ahora, la corriente en el inductor genera una fem inversa (según la ley de Lenz) que invierte la polaridad del inductor (como se muestra en la imagen siguiente). Por lo tanto, el diodo tiene polarización directa. Ahora la carga almacenada en el inductor comienza a descargarse a través del diodo y se obtiene un voltaje regulado en la salida.
En este caso, el voltaje de salida ahora depende de la carga almacenada en el inductor; cuanto mayor sea la carga almacenada, mayor será el voltaje de salida. Por tanto, si el tiempo de carga del inductor es mayor, la carga almacenada en el inductor también aumenta. Así, se convierten en dos fuentes de voltaje como entrada, una es un inductor y la otra es la potencia de entrada. Por lo tanto, siempre hay un voltaje de salida mayor que el voltaje de entrada.
Diagrama de circuito mostrando o ciclo de carga positiva do MOSFET interno do XL6009
Fig. 9: Diagrama de circuito que muestra el ciclo de carga positiva del MOSFET interno XL6009
Circuito divisor de voltaje resistivo:
Para configurar 5 V en la salida del XL6009, se utiliza un circuito divisor de voltaje resistivo externo en el pin de retroalimentación (pin 5) del regulador IC (como en la imagen a continuación). Este pin de retroalimentación detecta el voltaje de salida y lo regula.
Diagrama de circuito do divisor de tensão conectado no pino de saída do XL6009
Fig. 10: Diagrama de circuito del divisor de voltaje conectado al pin de salida XL6009
ó Calcular la tensión de salida
Como el voltaje umbral de retroalimentación interna del XL6009 es 1,25 V. Esto significa que hay un voltaje constante en el pin 5 y una corriente constante fluirá a través de R4 y R5. Por lo tanto, la suma de la caída de resistencia en R4 y R5 da como resultado V

Salida V = 1,25*(1+(R4/R5))

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

Salida V = 1,25*(1+(R4/R5))

Poniendo los valores R4 y R5 en la ecuación anterior

Observación teórica, V out = 5,2 V (aprox.)
El voltaje de salida no es exactamente 5V porque cualquier dispositivo que requiera 5V no funciona exactamente con 5V. Necesita un voltaje superior a 5 V debido a algunas pérdidas resistivas y caídas en el dispositivo. Para aumentar la señal de entrada a 5V, también se puede utilizar cualquier módulo convertidor boost disponible en el mercado. También están disponibles placas de refuerzo XL6009 que proporcionan un voltaje regulado constante de 5 V en la salida.

Prueba -

Después de conectar todos los componentes, se suministran 5 V al IC TP4056 que comienza a cargar la batería de iones de litio. El voltaje de salida de la batería actúa como entrada al circuito de refuerzo. Por lo tanto, el voltaje de entrada al circuito de voltaje/alivio de la batería de iones de litio, V in = 4,2 V cuando la batería está completamente cargada. El circuito de refuerzo amplifica la entrada y proporciona un voltaje de salida de 5,18 V. Ahora, al conectar diferentes cargas a la salida, se observan diferentes valores de corriente de carga, que son los siguientes:
Tabela listando a corrente de saída do banco de potência para diferentes cargas
Fig. 11: Tabla que enumera la corriente de salida del banco de energía para diferentes cargas
El power bank diseñado en este proyecto se puede utilizar para cargar cualquier dispositivo electrónico que requiera una corriente máxima regulada de 5V y 4A para su funcionamiento. El power bank diseñado en este proyecto tiene una eficiencia de alrededor del 94% y debido al uso de circuitos integrados adecuados tiene protección interna contra sobretensión y térmica. El banco de energía se desconecta automáticamente de la fuente cuando está completamente cargado y tiene indicadores LED para indicaciones de carga y carga completa. Se debe tener cuidado de que la batería no se descargue al conectar una carga durante el proceso de carga de la batería. Cargar y descargar simultáneamente puede reducir la vida útil de la batería y dañar el TP4056 IC.

Diagramas de circuito

Diagrama-de-circuito-cargador-banco-de-energía-
Diagrama de circuito-Power-Bank-

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