Monte um Carregador Li-Ion 3.7V com MCP73831 – Projeto DIY com PCI

Dica do Professor: O algoritmo CC-CV (Corrente Constante
– Tensão Constante) é o padrão-ouro para carregar baterias de lítio.
Inicialmente, o carregador fornece uma corrente constante até que a
bateria atinja sua tensão nominal (4.2V para a maioria das células
Li-Ion). Então, ele mantém essa tensão constante enquanto a corrente
diminui gradualmente até atingir um limiar predefinido, momento em que o
carregamento é considerado completo.

• Controlador de gerenciamento de carga linear:
• Transistor de passagem integrado
• Sensor de corrente integrado
• Proteção contra Descarga Reversa
• Precisão excepcional: Regulação de tensão predefinida
  com precisão de ±0,75%
• Opções de tensão: Quatro versões disponíveis: 4,20V,
  4,35V, 4,40V, 4,50V
• Corrente de carga programável: Ajustável de 15 mA a 500
  mA
• Pré-condicionamento selecionável: 10%, 20%, 40% ou
  Desativar
• Controle de fim de carga selecionável: 5%, 7,5%, 10% ou
  20%
• Indicação de status: Saída em três estados para
  indicadores visuais
• Proteções integradas:
• Desligamento automático
• Regulação Térmica
• Faixa de temperatura operacional: -40°C a +85°C
• Embalagem compacta: 5 pinos, SOT-23

A versatilidade do MCP73831 permite sua aplicação em diversos dispositivos
eletrônicos:

• Carregadores de bateria de íon de lítio / polímero de lítio
• Dispositivos de assistência pessoal (wearables)
• Telefones celulares e smartphones
• Câmeras digitais e filmadoras
• Leitores de MP3 e tocadores de música portáteis
• Fones de ouvido Bluetooth
• Carregadores USB universais
• Caixas de som portáteis (Boom boxes)
• Projetos de IoT e dispositivos alimentados por bateria

As baterias de íon de lítio revolucionaram a eletrônica portátil,
oferecendo uma densidade energética muito superior às tecnologias
anteriores. Isso significa que, para o mesmo peso e volume, uma bateria
Li-Ion armazena significativamente mais energia.

Diferente das antigas baterias de NiCd, as baterias de Li-Ion não sofrem
com o “efeito memória“, que reduzia a capacidade de carga quando as
baterias não eram completamente descarregadas antes de recarregar. Além
disso, elas suportam centenas de ciclos de carga e descarga com degradação
mínima da capacidade.

No entanto, as baterias de íon de lítio exigem um cuidado especial durante
o carregamento. Elas precisam seguir rigorosamente o padrão de
Corrente Constante e Tensão Constante (CC-CV). Uma sobrecarga ou
manuseio inadequado pode não apenas danificar permanentemente a célula,
mas também representar riscos de segurança, incluindo inflamação ou
explosão em casos extremos.

Fig. 2 – Curva de Carregamento CC-CV para Baterias Li-Ion

A imagem acima ilustra o processo de carregamento CC-CV. Note como a
corrente permanece constante durante a primeira fase, enquanto a tensão
aumenta gradualmente. Quando a tensão atinge o pico (4.2V), ela é mantida
constante enquanto a corrente diminui até o ponto de corte.

A tensão de regulação padrão para baterias de Li-Ion é de 4.2V, mas
diferentes variantes do MCP73831 permitem configurar outras tensões de
carga. A identificação da versão é feita através do último dígito na
nomenclatura do CI:

• MCP73831-2 = 4,2V (padrão para a maioria das baterias Li-Ion)
• MCP73831-3 = 4,3V (para baterias de alta capacidade especiais)
• MCP73831-4 = 4,4V (para baterias de polímero de lítio
  específicas)
• MCP73831-5 = 4,5V (para aplicações industriais especiais)

Uma das grandes vantagens do MCP73831 é a capacidade de programar a
corrente de carga através de um simples resistor externo. Em nosso
circuito, utilizamos o resistor R3 de 2.2KΩ, que configura uma
corrente de carregamento de aproximadamente 450mA.

A fórmula fornecida pelo fabricante é incrivelmente simples:

• Rc = Resistor de carregamento (em kΩ)
• Cc = Corrente de carregamento (em mA)

Fórmula:

Cc = 1000 / Rc

Aplicando ao nosso resistor de 2.2K:

Cc = 1000 / 2.2 = ±450mA

Vale ressaltar que a corrente mínima de carregamento para este dispositivo
é de 15mA e a máxima é de 500mA. Para baterias de maior
capacidade, você pode ajustar este valor, mas nunca ultrapasse o limite
especificado pelo fabricante da bateria (geralmente 0.5C a 1C, onde C é a
capacidade da bateria).

• Carregador de Bateria Lithium-Ion Automático com o CI TP4056 + PCI
• Carregador de Bateria Li-ion Automático com Led Indicador com CI LTC4054 + PCI
• Carregador Inteligente USB para Baterias de Lithium-Ion com CI MAX1555 + PCI
• Carregador Automático de Bateria de Íon-Lítio 4.2V com CI LM358 + PCI
• Carregador de bateria de lítio (Li-Ion) com CI LP2951+ PCI
• Carregador de Bateria 12V Automático com CI UA741 + PCI
• Carregador de Bateria 12V Simples, automático e com indicador de carregamento + PCI

Na
Figura 3
, apresentamos nossa PCI projetada especificamente para este projeto.
Todos os componentes são do tipo SMD (Surface-Mount Device), o
que permite um design extremamente compacto, com dimensões de apenas
22.860 mm por 12.065 mm.

Estamos disponibilizando os arquivos da PCI em formatos

GERBER
,
PDF
e
JPEG
, para que você possa fabricar a placa em casa ou através de um
serviço profissional de fabricação de PCBs.

Fig. 4 – PCI Carregador de bateria Li-Ion de 3.7V com o CI MCP73831

Agora que já conhecemos todos os componentes e o esquema, vamos ao que
interessa: montar nosso carregador! Siga estes passos para garantir uma
montagem bem-sucedida:

1. Preparação: Certifique-se de ter todas as ferramentas
   necessárias: ferro de solda de ponta fina, estanho, pinça, fluxo de
   solda (opcional) e uma lupa ou microscópio se disponível.
2. Inicie pelos componentes menores: Comece soldando os
   resistores e capacitores SMD. Eles são mais fáceis de posicionar quando
   não há outros componentes atrapalhando.
3. Soldagem do CI: O MCP73831 é o componente mais
   delicado. Aplique uma pequena quantidade de fluxo na área de soldagem,
   posicione o CI com cuidado e use uma técnica de arrastar a solda (drag
   soldering) para conectar os pinos.
4. LEDs: Soldar os LEDs por último permite verificar
   facilmente se estão funcionando após a montagem. Lembre-se que LEDs SMD
   têm polaridade!
5. Conector da bateria: Se estiver usando um conector JST,
   soldá-lo por último facilita a conexão dos fios.
6. Inspeção visual: Use uma lupa para verificar se há
   pontes de solda entre os pinos ou conexões frias.
7. Teste inicial: Antes de conectar a bateria, aplique 5V
   à entrada e verifique se os LEDs funcionam corretamente. O LED vermelho
   deve acender-se.
8. Teste final: Com tudo verificado, conecte a bateria e
   observe o processo de carga. O LED vermelho deve permanecer aceso
   durante a carga e mudar para verde quando completar.

Após a montagem, é fundamental validar o funcionamento do carregador para
garantir a segurança e o desempenho adequados. Siga estes procedimentos de
teste:

Teste sem Bateria:

• Conecte uma fonte de 5V à entrada do circuito
• Meça a tensão no pino 3 (BATT) do CI – deve ser de aproximadamente 0V
• Verifique se o LED vermelho acende

Teste com Bateria Descarregada:

• Conecte uma bateria Li-Ion descarregada (tensão abaixo de 3.5V)
• Meça a corrente de carga – deve ser próxima de 450mA
• Verifique se o LED vermelho permanece aceso

Teste de Tensão de Corte:

• Monitore a tensão da bateria durante o carregamento
• Verifique se a tensão atinge aproximadamente 4.2V
• Observe se o LED muda de vermelho para verde quando a carga está
  completa

Teste de Corrente de Fuga:

• Após a carga completa, meça a corrente consumida pela bateria
• Esta corrente deve ser inferior a 1mA (idealmente abaixo de 50µA)

Se você encontrar problemas durante a montagem ou operação do carregador,
estas dicas podem ajudar:

O LED não acende:

• Verifique se a alimentação de 5V está presente
• Confirme se os LEDs estão soldados corretamente e com a polaridade
  correta
• Teste os resistores limitadores de corrente (R1 e R2)

A bateria não carrega:

• Verifique as conexões da bateria
• Meça a tensão no pino 3 (BATT) do CI
• Teste o resistor de programação R3
• Verifique se não há curtos entre os pinos do CI

O carregamento é muito lento:

• Meça o valor real do resistor R3
• Verifique se a fonte de alimentação pode fornecer corrente suficiente
• Teste a tensão de entrada – deve ser estável em 5V

O LED nunca muda para verde:

• Verifique se a tensão da bateria atinge 4.2V
• Meça a corrente de carga – deve diminuir quando a bateria estiver quase
  cheia
• Teste se o LED verde está funcionando (faça um teste rápido com uma
  fonte de 3V)

Agora que você já construiu seu carregador, que tal explorar algumas
aplicações interessantes? Aqui estão algumas ideias para levar seus
projetos ao próximo nível:

Power Bank DIY:

Combine seu carregador com um módulo boost (elevador de tensão) e uma
bateria de 18650 para criar seu próprio power bank. Você pode adicionar um
display para mostrar a carga restante e múltiplas portas USB de saída.

Sistema de Alimentação Ininterrupta (UPS):

Use o carregador junto com um módulo de gerenciamento de bateria para
criar um pequeno UPS para dispositivos críticos como roteadores, sistemas
de automação ou servidores Raspberry Pi.

Carregador Múltiplo:

Expanda o projeto para carregar múltiplas baterias simultaneamente. Você
pode usar um microcontrolador para monitorar e gerenciar cada canal de
carga independentemente.

Estação de Carregamento Inteligente:

Adicione conectividade Bluetooth ou Wi-Fi para monitorar o status de carga
remotamente através de um aplicativo. Você pode implementar perfis de
carga diferentes para tipos específicos de baterias.

🤔 Dúvidas Frequentes (FAQ)

Para garantir que seu projeto seja um sucesso, compilamos algumas das
perguntas mais comuns sobre este tema. Confira!

Neste artigo, exploramos em detalhes o projeto e construção de um
carregador de bateria Li-Ion utilizando o CI MCP73831. Este projeto não
apenas é extremamente útil para uma variedade de aplicações eletrônicas,
mas também representa uma excelente introdução ao mundo dos circuitos de
gerenciamento de energia.

A simplicidade do projeto, combinada com a robustez e segurança oferecidas
pelo MCP73831, torna este carregador uma ferramenta essencial para
qualquer entusiasta de eletrônica. Seja para alimentar seus projetos
portáteis, criar sistemas de backup ou simplesmente para recarregar
baterias de forma segura e eficiente, este circuito atenderá suas
necessidades com excelência.

Esperamos que este guia tenha sido útil e esclarecedor. A eletrônica é um
campo fascinante, e projetos como este demonstram como componentes
aparentemente simples podem criar soluções elegantes e práticas para
problemas do dia a dia.