V zadnjih nekaj letih je zabavna elektronika doživela pravi razcvet. Še posebej se je razvila veja digitalnih prenosnih naprav, kot so predvajalniki glasbe, kompaktni digitalni fotoaparati in videokamere, mobilni telefoni, GPS sprejemniki, prenosni računalniki in še bi lahko našteval. Danes si skratka več ne predstavljamo življenja brez njih. Vsi ti »gadgeti« oziroma prenosne napravice pa seveda potrebujejo napajanje in to so v veliki večini baterije. Pred časom so se na veliko uporabljale alkalne baterije ali akumulatorji Ni-Mh (še prej Ni-Cd), danes pa te v večini zamenjujejo litijeve baterije oziroma akumulatorji. Slednji imajo kar nekaj prednosti v primerjavi s sicer še vedno aktualnimi Ni-Mh členi, zato se ravno sedaj odvija njihov razcvet. Glavne prednosti litijevih akumulatorjev proti Ni-Mh so manjša teža in velikost, ter višja izhodna napetost, ravno to pa jih naredi zelo praktične za uporabo v prenosnih napravah. Te so danes v nekaterih primerih kar vgrajene v same naprave (mp3 predvajalniki in podobno), drugje pa jih lahko zamenjamo sami (mobilni telefoni, fotoaparati, video kamere,…). Polnjenje naprav z litijevimi akumulatorji največkrat poteka kar preko USB priključka (zakaj je temu tako je razloženo malo kasneje), to pa je še ena izmed prednosti uporabe litijevih akumulatorjev. Se pa najdejo tudi izjeme – danes so to predvsem digitalni kompaktni (in DSLR) fotoaparati – kjer poleg samega fotoaparata dobimo zunanji polnilnik litijevega akumulatorčka, ki pa deluje samo na omrežno napetost. Dokler imamo na voljo omrežno napetost je vse lepo in prav, ko pa te ni potem pa…
Lep primer je na primer uporaba omrežnega polnilca v avtomobilu, kjer imamo samo 12V. Sicer obstajajo pretvorniki (inverterji), ki spremenijo 12V v omrežnih 230V, vendar se mi to zdi samo nepotrebna elektronika, ki poleg velikosti prinese še nekaj gretja, poleg vsega tega pa je tukaj še slab izkoristek (in kompliciranje). Ravno to pa je razlog, da se sam ponavadi podam v iskanje preprostejših alternativnih rešitev. Tako sem prišel do polnilnika litijevih akumulatorjev, ki ga priključimo kar na USB vhod.
Namen je bil torej narediti čim bolj preprost polnilnik, ki bi se napajal preko USB konektorja na računalniku ali preko adapterja z USB izhodom, vse skupaj pa naj bi bilo čim bolj univerzalno. In zakaj ravno USB? Ta konektor dandanes najdemo skoraj povsod, lahko bi celo rekli, da je danes to najbolj razširjena vrsta konektorja. Največkrat ga imajo osebni in prenosni računalniki za priklop perifernih naprav, obstajajo pa tudi samo adapterji, ki omrežno (230V) ali avtomobilsko (12V-24V) napetost pretvorijo na standardnih 5V. USB standard je primarno namenjen povezovanju zunanjih naprav z osebnimi računalniki, vendar je zaradi dveh napajalnih žil, ki jih ima poleg še dveh podatkovnih, zelo uporaben tudi za napajanje manjših zunanjih naprav, med drugim tudi za polnjenje akumulatorjev v prenosnih napravah. Standard USB 2.0 ima predpisan maksimalen izhodni tok 500mA, novejši, še prihajajoči USB 3.0 pa celo 900mA. Če pa pomislimo, da večina integriranih vezij, ki skrbijo za polnjenje litijevih akumulatorjev potrebujejo ravno okoli 5V in tok ponavadi do 1A, je USB standard kot nalašč za izdelavo takega polnilca. Ker pa se je SMD tehnologija že tako razvila je zaradi majhnosti, polnilec v obliki integriranega vezja, največkrat vgrajen že kar v samo napravo. Seveda pa se še vedno najdejo naprave oziroma proizvajalci, ki za polnjenje akumulatorjev ne uporabljajo standardnega USB priključka. Razlogov za to je lahko več. Eden izmed njih je lahko ta, da ja polnilnik akumulatorjev hitrega tipa in s tem potrebuje več toka kot je predpisan z USB standardom. Lahko pa se proizvajalec samo odloči, da bo uporabljal svoj tip konektorja in na tak način dobimo malo morje različnih konektorjev. Kakorkoli pa, če na koncu pogledamo lastnosti takih polnilcev, vidimo, da jih ima velika večina (z izjemo tistih močnejših in tistih, ki polnijo več celične litijeve akumulatorje in s tem posledično delujejo na višji napetosti) enake specifikacije, kot popularen standard USB, torej izhodno napetost 5V in tok okoli 500mA.
Med brskanjem po spletu sem opazil zanimivo integrirano vezje MCP73831 proizvajalca Microchip, bolj znanega po izdelovanju mikrokontrolerjev. Naloga tega vezja pa je ravno polnjenje in vzdrževanje li-ion in li-polimerjevih akumulatorjev. Obstaja sicer v več verzijah, te pa se razlikujejo po različnih izhodnih napetostih (4,20V, 4,35V, 4,40V, 4,50V). Izbral sem verzijo z maksimalno izhodno napetostjo 4,2V, saj danes večina litijevih akumulatorjev dovoljuje to napetost kot maksimalno. Pri izdelavi polnilnika za litijeve akumulatorje je namreč potrebno poznati postopek polnjenja le teh. V našem primeru je vsa polnilna logika vgrajena že v sam IC, vendar nekaj osnovnega znanja o ravnanju z litijevimi akumulatorji ne škodi.
Najbolj pomembna stvar pri polnjenju litijevih akumulatorjev je izogibanje prenapolnjenosti. Če se tega ne držimo se baterija lahko zelo segreje in z malo sreče nam lahko celo uspe naredit pravo malo bombo, saj lahko tak akumulator eksplodira, poleg tega pa litij zelo dobro gori. Pravilno polnjenje takih akumulatorjev poteka z določenim konstantnim tokom, do približno 90% kapacitete akumulatorja. Pri tej kapaciteti se tok zmanjšuje, polni oziroma vzdržuje pa se še nekaj časa, ponavadi toliko, da akumulator doseže mejno oziroma zgornjo napetost akumulatorja, v našem primeru je ta 4,2V.
Tudi kar se tiče praznjenja je potrebno biti previden in takega akumulatorja ne smete prazniti pod okoli 2,75V, saj mu s tem zelo škodujemo. V tem primeru se nam ni treba bati kakšnega pregrevanja, vendar litijevi akumulatorji zelo slabo prenašajo globoka praznjenja, sicer malo bolje kot na primer svinčeni, vendar jaz tega ravno ne bi prakticiral. Dokler pa uporabljamo litijeve akumulatorje v napravah proizvajalcev , se nam ni treba bati teh posledic, saj imajo te že vgrajene polnilnike z zaščito pred preveč napolnjenim in zaščite proti globokemu praznenju. Naj še razložim razliko med li-ion in li-polimer akumulatorji, da ne bo kdo v dvomih kaj izbrati. V osnovi imajo zelo podobne karakteristike le, da so Li-Po nekako bolj izpopolnjeni in zdržijo več polnjenj in praznjenj, so negorljivi in celo nekaj lažji od litijevih. Dobra lastnost obojih pa je še zelo velik izhodni tok, zato so zelo priljubljene tudi v modelarstvu.
Sedaj pa nazaj na naše integrirano vezje. Vsa polnilna logika je našem vezju že vgrajena, zato je število zunanjih elementov minimalno, celotno vezje pa kar se da preprosto. Dobavljivo je v dveh tipih ohišij in sicer v SOT-23-5 in 8-pinskem DFN. Obe verziji sta seveda v SMD izvedbi, jaz pa sem izbral SOT-23 verzijo, ker je za domače spajkanje še ‘normalno’ velika. Vezje že ima vgrajen MOSFET krmilni tranzistor tako, da že samo po sebi omogoča izhodni tok do 500mA, kar pa je ravno prav za napajanje iz USB konektorja. Seveda se da izhodni tok tudi nastaviti, tako da lahko tega reguliramo od 15mA-500mA. Poleg naštetih lastnosti ima vezje še izhodni pin za indikacijo polnjenja na katerega se priključi LED diodo ali pa se po možnosti priključi na kakšen mikrokontroler v primeru kakšnega bolj naprednega projekta. Samo delovanje LED diode je popolnoma enako kot pri komercialnih rešitvah, torej le ta sveti, ko se akumulator polni in ugasne, ko je ta poln.
