Otomatik Kesmeli ve Sabit Akımlı Ni-MH Pil Şarj Devresi Tasarımı (LM317 + LM358)

Eldeki ekipmanlar ve komponentler ile hobi masa deneyi serilerime devam ediyorum.

Piyasada satılan kontrolsüz şarj cihazlarının pilleri ısıtıp ömürlerini kısaltmasından yola çıkarak, kendi şarj istasyonumu tasarlamaya çalıştım. Bu devre, özellikle 2x1.2V (2.4V) Ni-MH piller için optimize edilmiş, tam dolumda akımı sıfıra yakın kesen ve şarj akımını sabit tutan bir yapıya sahip.

Bu projemde, 2 adet seri bağlı 1.2V Ni-MH pil (toplam 2.4V) için güvenli, pilleri yormayan ve tam dolumda akımı otomatik olarak kesen bir şarj devresi yaptım.
Devre, pilleri en sağlıklı yöntem olan Sabit Akım 100mA ile şarj eder ve voltajı sürekli takip ederek dolum bittiğinde şarjı durdurur.

Projenin en can alıcı noktası, devrenin doğruluğunun Rigol DL3021A Elektronik Yük cihazı ile laboratuvar ortamında test edilmiş olmasıdır.


TEKNİK ÖZELLİKLER VE MALZEME LİSTESİ
Sistem Bileşenleri:
Akım Regülatörü: LM317 (Sabit akım kaynağı olarak yapılandırıldı).
Karşılaştırıcı (Comparator): LM358 (Voltaj takibi ve otomatik kesme kontrolü).
Kesme Anahtarı: BD140 PNP Transistör.
Güç Girişi: 12V DC 500mA Adaptör.

Direnç ve Kondansatör Detayları:
Akım Sınırlama: 5 adet 10 Ohm 1/4W direnç (4 paralel + 1 seri bağlanarak 12.5 Ohm elde edildi. Hedef: 100mA).
Referans Bölücü: 10K Ohm ve 3.3K Ohm sabit dirençler (Kesme eşiği için).
Stabilite: 2 adet 10uF elektrolitik ve 1 adet 100nF seramik kondansatör.

TEST SONUÇLARI (Rigol DL3021A ile)
Devreyi gerçek pillerden önce Rigol DL3021A Elektronik Yük ile simüle ettim ve sonuçlar kararlılık gösterdi:
Şarj Modu (2.4V - 2.8V): Devre ortalama 100mA akım bastı ve Kırmızı LED aktif oldu.
Kesme Eşiği (2.9V): Voltaj 2.9V seviyesine ulaştığı anda devre milisaniyeler içinde tepki verdi.
Dolu Modu (Standby): 2.9V sınırında akım 0.100A'den 0.008A'e (8mA) düştü.
Gösterge Geçişi: Kırmızı LED söndü ve Yeşil LED yanarak şarjın başarıyla tamamlandığını doğruladı.
8mA'lik boşta çalışma akımı, sistemin beyni olan LM358 ve Yeşil LED'in kendi tüketimidir; yani pille giden akım tamamen kesilmiştire.

ÇALIŞMA MANTIĞI VE TASARIM NOTLARI
Sabit Akım: Ni-MH piller için en sağlıklı şarj yöntemi sabit akımdır. LM317 üzerindeki direnç bloğu (elimde uygun watta direnç yoktu) sayesinde piller voltajdan bağımsız olarak her zaman 100mA ile beslenir.
Voltaj Takibi.: LM358'in bir kanalı karşılaştırıcı olarak çalışır. Pil voltajı, bizim dirençlerle belirlediğimiz referans voltajını (2.9V) geçtiği an BD140 transistörünü Kapalı konumuna getirir.
Isı Yönetimi: 12V giriş kullanıldığı için LM317 ve BD140 üzerine yaklaşık 1W yük biniyor. Uzun ömürlü kullanım için küçük alüminyum soğutucular eklemek iyi olur.

SONUÇ
Bu devre ile pillerinizi şarja bırakıp unutabilirsiniz. Voltaj tam doluma ulaştığında sistem kendini kapatır, pillerin ısınmasını ve ömrünün kısalmasını engeller. Özellikle hobi projelerinde seri bağlı Ni-MH paketleri şarj etmek için oldukça güvenilir ve ekonomik bir çözümdür.



Breadboard devresi:





Boşta 12V besleme ile devreden çekilen akım çok düşük :



CV Modda pil şarjını simüle ederken yani pil voltajı 2.4V -2.8V arasındayken, Çekilen akımlar ve Devre üzerinde Kırmızı led yanması:



Pil şarj ediyor, kırmızı led yanıyor :




Pil şarj akımı ortalama 100mA :






Devrenin besleme voltajı ve toplam devrenin çektiği akım Korad üzerinden :




Pil voltajı 2.9V yani şarj kesme voltajımıza ulaştığında :





Devre üzerindeki yeşil led şarjın bittiğini ve kesildiğini bildiriyor:





Şarj işlemi bittiğinde / kesildiğinde devrenin toplam çektiği akım:

İlk denemelerimde şarjı 2.9V eşik voltajında kesiyor ve yeşil led yanıp kırmızı led sönüyorken, sonraki denemelerimde 2.9V ta hem yeşil hem de kırmızı led yakmaya ve kararsız kalmaya başladı. 3V ta ise tamamen gerilimi kesip yeşil led yandı. Benim istediğim 2.9V olmasıydı.


Araştırdığımda bu durum, op-amp (LM358) devrelerinde "kararsızlık bölgesi" veya "histerezis (hysteresis) eksikliği" denilen teknik bir olaymış.
Devrenin 2.9V'da "şak" diye kapanmasını ve Yeşil LED'in tek başına yanması için, devreyi "Schmitt Trigger" denilen yapıya çevirmek gerektiğini öğrendim.

Bu led karmaşasını aşmak için pil + pozitif kutuptan LM358 pine giden kablo ile arasına 10K direnç taktım.
470K direnci de LM358 Pin1 ve Pin3 arasına geri besleme direnci olarak taktım.

Led lerdeki kararsızlık bitti ve olması gerektiği gibi yanmaya başladılar.

Orijinal ya da, modifiyeli haliyle kullanılabilir.

Şarj oluyor.

Devreyi yapıp test etmek kullanmak isteyen olursa diye devre şemasını çizdim paylaşıyorum:





Proteus ile çizdiğim devrenin simülasyon testleri:
PİL VOLTAJI 2.9V VE ŞARJ DURDU




PİL VOLTAJI 2.4V VE ŞARJ DEVAM EDİYOR

Devreyi kurarken pili ters takarsam korkusunu ortadan kaldırmak için iki tane D1 ve D2 ekledim. (1N5819 ve 1N4148)

1N5819 Schottky, akımın sadece devreden pile doğru akmasını sağlar.
Pili ters taktığınızda, pilin içindeki enerji devrenin hassas elemanlarına (Transistör ve LM317) geri basmaz.

1N4148, LM358 entegresi, pilin voltajını 3. bacağından ölçer. Ancak bu entegreler negatif voltajı sevmezler ve yanarlar.
Pili ters taktığınızda gelen negatif voltajı anında yakalar ve -0.5V seviyesinde sabitler.
LM358 aman ne oluyor der ama yanmaz.

Pilleri ters takınca iki led birden yanar, görsel uyarı.
Testlerde fark edeceksiniz pili ters takınca hem kırmızı hem yeşil LED aynı anda yanar.

Diyotlar olmasaydı entegre yanacağı için hiçbir ışık göremez nekli duman görürdük.
Diyotlar ile entegre zarar görmüyor ama gelen ters voltajla kafası karışıyor ve iki LED yanarak pili yanlış taktın, hemen düzelt mesajı veriyor.

Sonuçta devre yanmıyor, bozulmuyor.
Sadece bizi görsel olarak uyarıyor.
Pili doğru yöne çevirdiğiniz an her şey tık diye normale dönüyor.
Kullanıcı hatası dostu bir tasarım oldu gibi.



(1N5819 ve 1N4148) ile Pil ters polarite korumalı devre şeması:
Proteus kütüphanesinde 1N5819 Schottky diyot yoktu, başka Schottky ekleyip adını değiştirdim, bu da simülasyon sırasında hata almama sebep oldu.






Ters polarite pil bağlantısında LM358 kararsız kalıyor ve PIN.3 -0.5V seviyesinde ve her iki led yanarak görsel uyarı veriyor, devre korunmuş oluyor.





Doğru polarite pil bağlantısında LM358 PIN.3 2.80V seviyesinde.

Devre, analog yapısı sayesinde çok esnek.
Tek bir seri pil den, lityum iyon (18650) pillere kadar geniş bir yelpazeye uyarlanabilir.
Olası modifikasyonlar

Ni-MH Pil Sayısını Değiştirmek (1'li, 3'lü, 4'lü Seçenekler)
Devreyi çoklu pil grubuna uyarlamak için iki noktada değişiklik yapmamız gerek.
Voltaj Kesme Ayarı: LM358'in 2. pinindeki referans direncini (3.3K) bir Trimpot veya Komütatör ile değiştirerek kesme voltajını ayarlayabiliriz.
1 Pil için: 1.45V
3 Pil için: 4.35V
4 Pil için: 5.80V eşik değerleri seçilmelidir.
Giriş Voltajı: Pil sayısı arttıkça adaptör voltajını da artırmalıyız. 4 pil (6V şarj voltajı) için 12V adaptör yeterliyken, daha fazlası için 15V-18V gerekir.


18650 Lityum İyon (Li-ion) Piller İçin Uyarlama
Li-ion gibi hassas pilerin şarjın tam 4.20V kesilmesi gerek.
Referans voltajı (Pin 2) tam 4.2V’a ayarlanmalı.
Lityum piller CC/CV (Sabit Akım / Sabit Voltaj) protokolü destekler. Bu devre sabit akım ile şarj edip voltaj dolunca kestiği için lityum pillerde güvenle kullanılabilir ancak kesme voltajı çok turlu trimpot ile hassas ayarlanmalıdır

Küçük Kapasiteli (Kulaklık vb. Piller
Küçük piller (örneğin 40mAh - 100mAh arası) bizim 100mA olan şarj akımımız altında çok ısınabilir.
Şarj akımını düşürmek için LM317 üzerindeki direnç (R1) büyütülmeli.
10mA şarj akımı için 125 Ohm direnç kullanılabşilir..

9V Şarjlı Piller
9V Ni-MH piller içeride 7 veya 8 adet küçük seri hücreden oluşur.
12V adaptör bu piller için sınırda kalabilir, 15V vs 18V adaptör olur gibi. Kesme voltajı ise pilin iç yapısına göre 9.6 V - 10.5 V bandına ayarlanabilir.


Traş makinemi şarj etmek istediğim bu devre aslında bir şablona dönüştü.
Akım ayarı R1 (LM317 üzerindeki direnç) ile
Voltaj ayarı R4 (LM358 referans direnci) ile
istenen her türlü pile göre modifiye edilebilir durumda.

Hatta devre girişine bir Komütatör eklenerek 1S, 2S, 3S, 4S, 18650 gibi kademelerle evrensel bir şarj istasyonu yapmak teknik olarak sadece birkaç direnç eklemeye bakar.

Elde 3D yazıcıda varsa, güzel bir kuru yapılabilir.

Delikli pertinaks montajını yaptım. Sağ taraftaki boş kısma besleme ve pil bağlantı klemensleri takılacak.
Delikli pertinaks üzerindeki devre, breadboard a göre haliyle çok daha kararlı çalışıyor.
Voltaj kesme noktası 3V seviyesinde sapma yapmadan görevini yerine getiriyor.


BD140 ısınmadığı için, soğutucuya gerek duymadım.

Delikli pertinaksa devre elemanları ve klemensler monteli test sonuçları:


Eğer pillerin voltajı 3V altındaysa ( Pillerin şarj voltajı ) devre otomatik olarak şarja başlar ve kırmızı şarj ışığını yakar, devrenin toplam çekilen akımı 100mA seviyesinde, pillerin şarj akımı da sabit olacak şekilde ortalama 100mA çok az daha düşük.




Şarj devresi Piller 3V a ulaşınca şarjı otomatik olarak keser ve yeşil ışık yakar, çekilen akım sadece devrenin çektiği akım seviyesine düşer.





2.4V Pil şarj devresi beslemesi için 12V 1.5A (Elde olan ) adaptör kullandım.
-- Minimum, 9V 500mA adaptör ile rahatça kullanılabilir.

2 saat şarj işlemi ile birlikte, LM317 ısı değeri ortalama 45 derece

Piller dolunca yeşil yanıyor ama 15-20 dk sonra tekrar kırmızıya geçiyorsa, R6 (470K) histerezis direncini 220K veya 100K ile değiştirerek bu aralığı genişletebiliriz. Bu sayede pilin doğal voltaj düşümü şarjı tekrar başlatmaz ve sistem daha kararlı çalışır.


Yapılacak olan işlem 470K direnci söküp, yerine 220K veya 100K takmak.

Neyi değiştirir ?
470K ile devre pilin yaklaşık 0.1V düşmesine izin veriyordu.
220K ile devre pilin yaklaşık 0.2V - 0.25V düşmesine izin verecek.
Böylece pil şarjdan çıkıp 2.90V a gerilese bile, 220K direnç Pin 3 ile haberleşerek şarjı tekrar başlatmayarak devre yeşilde kalmaya devam edecek.