Chargeur Lithium ILITH0on ou LI-PO, 
ultra simple

1   La petite histoire
2   Le chargeur lui même
3   Schéma
4   Réalisation
4.1 Réalisation pratique
4.2 Le connecteur
4.3 Le transformateur secteur
5   Possibilités et particularités
5.1 Les nouveaux accus LI-Ion
5.2 Dissipation thermique du MCP73831
5.3 L'isolation de chaque module
5.4 Les chutes de tension
5.5 Résistance de programmation
6   Compléments sur le transformateur
7   Possibilités
7.1 USB
7.2 Utilisation de plusieurs modules en //
7.3 Le connecteur
8    Conclusions
9    Addendum

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  Avant propos


Voilà pas mal de temps que j'envisageais de réaliser ce chargeur pour réutiliser quelques éléments Li-Ion ou packs de batteries LI-Ion ayant des problèmes, soit sur un élément spécifique, ou sur l'électronique de gestion défaillante.

ATTENTION cependant, car un traitement inadapté (charge,  décharge ou atteinte mécanique) de ces éléments LI-Ion ou LIPO est source de danger d'explosion ou de feu.

Cet article est donc uniquement pour les électroniciens confirmés qui savent exactement ce qu'ils font, et non pour des débutants n'ayant que peu de connaissances de base (Désolé mais il faut d'abord commencer par la case "départ" avec une bonne formation technique)

C'est dit ! Et que l'on ne me reproche pas cet article trop libéral.

La réalisation de ce chargeur ne pose pas de véritable danger, seul le "décorticage" des éléments d'un pack avec régulation est un véritable danger, ainsi que la remise en place dans une application de remplacement d'accus.

L'appareil lui-même est simple et le danger est principalement écarté par le constructeur du seul circuit intégré utilisé, qui est capable de gérer intégralement la charge de ces accus.

Seule ombre technique au tableau, il faut un transformateur spécial, à bobiner soi-même, mais vous avez l'article sur le calcul des transformateurs (Calcul est un bien grand mot, disons les abaques pour réaliser rapidement ce transformateur, voir le lien au premier §)
Si cela vous rebute, vous avez également des solutions moins optimisées mais plus faciles.

 NOTA1 :
Batterie ou accu c'est la même chose, même si une batterie est plus un ensemble d'accumulateurs !!!

 NOTA 2 :
Par "packs d'accus" il faudra comprendre des accus nus, connectés ensemble généralement mais sans aucune régulation de charge ou d'utilisation.


 

1 La petite histoire

J'ai quelques perceuses et visseuses avec pack d'accus Ni-Cd, tous morts, alors comme la partie mécanique est encore bonne, j'ai pensé réutiliser mes accus Li-Ion de récupération en remplacement de ces Ni-Cd défectueux (ou même des Ni-Mh qui ne sont guère meilleurs).

J'ai même fait l'essai d'acheter des accus Ni-Mh de grande marque (VARTA) mais ils sont presque pires que les traditionnels made in RPC, alors voilà pourquoi j'en suis là !

(Dès que l'on a besoin de ces accus Ni-Cd, ils sont à Zéro et même une fois ressuscités, ils ne durent pas éternellement, y compris pour les Ni-Mh car ils ont aussi beaucoup de défauts avec en plus une résistance interne qui grimpe en flèche…)

(Je pense que le process de fabrication des accus Li-Ion implique une plus grande rigueur, car le Lithium est instable, et toute déviation dans le process de fabrication pourrait entraîner des accidents comme cela est déjà arrivé avec certains smartphones. De plus l'autodécharge est très faible.
Enfin réutiliser ce qui est encore en état est bon pour la planète, et c'est donc une solution qui a retenu tout mon intérêt pour ces raisons.)

Bref, ce n'est pas le tout, car pour utiliser ces accus LI-Ion, il faut un chargeur spécial, et il faut au moins 12V d'accus pour faire fonctionner ces petites perceuses ou autres petites machines. Il faut donc au moins 3 accus LI-Ion en série pour atteindre cette tension.

Bien que le volume des Li_Ion soit théoriquement plus avantageux pour une même capacité, il est nécessaire de placer deux accus en parallèle pour atteindre une capacité "acceptable".

Pour cela on devra impérativement utiliser des accus déjà initialement connectés en // pour éviter tout débit de l'un dans l'autre. A priori cette mise en // est habituelle dans le domaine des packs d'accus pour ordinateurs (Avec régulation).

Cette mauvaise habitude LITH9ne me convient qu'à "moitié", car le risque de débit de l'un dans l'autre subsiste, ainsi que le fait que l'un des accus puisse être coupé sans que l'on s'en aperçoive (Sauf par une autonomie faible !). Je n'ai cependant pas le choix et je ne serai pas plus royaliste que le roi…! Je me plierai à cette nécessité !

J'ai donc remplacé sur une perceuse les accus Ni-Cd par des accus Li-Ion à titre d'essais, et jusqu'à présent mon alim stabilisée à limitation de courant faisait office de chargeur, mais il fallait surveiller en permanence la fin de charge avec un courant faible (à tension constante de 4.2V).

On devait donc reproduire au moins 3 fois ce long scénario pour que les 3 accus soient chargés.

Bref cela devenait ingérable tant cette opération était longue et nécessitait de plus une surveillance permanente.

J'ai donc du envisager de faire un chargeur capable d'assurer une charge en toute sécurité avec une surveillance quasi nulle. (Photo ci-dessus)

Ces packs à plusieurs cellules en série sont habituellement chargés ensemble en série mais avec des prises intermédiaires à chaque groupe dont on va voir l'utilité.

Le principal problème de ces accus Li-Ion réside dans l'équilibrage des éléments lors de la charge, car certains accus déjà chargés sont surchargés par ceux qui n'ont pas encore atteint leur niveau de charge. Cela entraîne une usure prématurée des éléments surchargés.

Dans les chargeurs du commerce, et pour simplifier, on charge ces accus en série, et on s'arrange pour que les tensions soient équilibrées pour chaque accus ou groupe en //.

(Cette opération se situe durant la phase de charge à tension constante et non dans la phase à courant limité)

Pour information sur ces accus voyez entre autres sites, celui-ci http://www.ni-cd.net/accusphp/theorie/lithium/charge.php qui explique très bien le sujet et montre les courbes de tension et courant lors d'une charge (nouvelle fenêtre).

Le principe est de dériver une partie du courant des éléments déjà les mieux chargés (tension plus élevée), au profit de ceux qui en manquent (tension plus faible).

C'est simple mais la réalisation est souvent un peu compliquée surtout du fait que les tensions augmentent au fil du nombre d'éléments en série.

(Tous les packs d'ordinateurs ont des prises intermédiaires sur chaque groupe d'accu, justement pour permettre cet ajustement des courants de charge).

Après avoir examiné tous les montages, et en fonction de mes possibilités, j'ai préféré choisir une autre solution, plus simple, d'autant que j'ai trouvé un composant (circuit intégré spécialisé) qui est capable de tout faire, certes avec un courant de charge un peu faible de 500mA maxi, mais tellement simple et bon marché…

Bien que ce courant de charge ne soit pas très élevé, il n'est pas un courant "d'entretien" et n'abîme pas les accus.

Chacun sait que je bobine souvent mes transformateurs, (Voir l'article (nouvelle fenêtre) sur les transformateurs) alors j'ai résolu le gradient de potentiel par un transformateur à secondaires égaux en tension mais isolés les uns des autres.

Ainsi, chaque accu est vu comme unique et parfaitement indépendant des autres (Au couplage du transfo secteur près !). Si les accus sont réunis à l'intérieur d'un pack entre plus et moins, c'est donc le transformateur qui assure l'isolation et qui autorise le gradient de potentiel au fil des cellules. Ce chargeur utilise bien entendu aussi les prises intermédiaires qui représenteront nécessairement un plus et un moins à la fois.

Quant au circuit de charge proprement dit, c'est un circuit en boîtier SOT23-5 (Minuscule) de MICROCHIP, le MCP 73831 qui assure l'intégralité des opérations, avec un courant maximum de 500 mA (Programmable par une simple résistance).

(Le marquage boîtier permettant d'identifier le circuit est "KD3K")

Il n'y a donc aucun microcontrôleur à programmer dans ce chargeur et certains seront très heureux de ce fait.
(Un microcontrôleur est certainement intégré dans la puce du MCP73831, puisque le fabricant est Microchip, mais en tous cas, il est déjà programmé !)

Ce circuit intégré dont je vous invite à charger le "pdf" (nouvelle fenêtre à cette adresse par exemple) assure en premier la charge à courant limité et constant, puis la charge finale à tension constante dès que l'on atteint le palier de tension et s'arrête automatiquement lorsque la charge est terminée (détection d'un courant très faible)

C'est donc assez "miraculeux" ! Le seul reproche que l'on puisse faire est que ce courant initial de "boost" est un peu faible, car le circuit est surtout pensé comme chargeur pour les téléphones portable ou smartphones. Mais comme je ne suis pas pressé, il faudra un peu plus de temps de charge, c'est tout et c'est peut-être mieux pour la longévité des accus ?

A noter qu'il n'est pas impératif de faire une charge rapide avec un courant de l'ordre de C/2 ou C, voire plus, car la principale acquisition de capacité se réalise lorsque l'on atteint le palier de tension, et donc un chargeur super-puissant n'est pas une absolue nécessité.

On verra aussi (Voir en § 7.2) que le groupement de plusieurs chargeurs pour avoir un courant double (1A) semble un peu illusoire et pose quelques interrogations...

En ce qui concerne le prix de ce circuit, celui-ci est très abordable puisqu'il coûte 0.56 € l'unité ! (Par multiples le plus souvent, Voir chez les grands fournisseurs de composants électroniques)

Bien entendu les frais de port coûtent 10 à 40 fois plus cher, mais il faut se grouper pour palier ce problème.

Alors au vu de la nécessité, je n'ai pas résisté à la tentation de faire ce chargeur tellement simple. La seule restriction est qu'il faut vous armer de patience et bobiner au moins 3 secondaires (ou plus) sur un transformateur. J'espère que vous trouverez un transfo ayant déjà un primaire bobiné et en état !

Ce chargeur me permettra également de charger des petits accus de portables et d'avoir ainsi une batterie de secours toujours prête sans mobiliser le téléphone comme chargeur (avec un fil à la patte) et en enlevant l'accu habituel pour charger celui de secours.

Juste un petit mot pour dire que tout équilibrage dans les autres solutions se décline immanquablement par une partie puissance capable de détourner une partie moyennement importante du courant global de charge pour chaque cellule. C'est donc assez lourd au niveau du nombre de composants, et c'est pour cette principale raison que j'ai opté pour ma solution qui me semble techniquement plus simple.

La fiabilité de cette solution est comparable à la fiabilité de tout transformateur, c'est-à-dire excellente !

2  Le chargeur lui même

 Le synoptique général permet de bien comprendre les caractéristiques fonctionnelles de ce chargeur, et principalement les connexions internes et externes des accus dans les packs.

Le chargeur est constitué d'un transformateur et de 3 modules chargeur totalement indépendants

LITH5_Synoptic

Par abus de langage, je parlerai d'UN module chargeur qui est en réalité la "brique" de base du chargeur lui-même. Le chargeur est équipé ici de 3 modules chargeurs identiques équipés du fameux circuit intégré MCP73831T-2ACI/OT (Version 4.2V).

Un module chargeur est constitué d'un seul circuit intégré MCP 73831, qui assure la totalité du processus de charge de ces accus (surveillance tension et courant). Tout le reste est simplement l'alimentation en énergie du chargeur comprenant le transformateur et l'ensemble de la partie redressement / filtrage.

Le chargeur est totalement modulaire et vous pouvez "empiler" autant de modules que vous voulez pour charger autant d'accus en série que possible.

Le circuit intégré est d'une utilisation simple et le schéma d'un module est très proche du schéma d'application du constructeur.

Sur le circuit intégré, une pin de status (tri-state) assure l'interface avec l'utilisateur par l'intermédiaire de 2 LED.

Il y a 3 états possibles à cette sortie. Ceux-ci sont renseignés par deux LED

-         tri-state - Pas d'accu connecté Rouge+Vert

-         0 logique - en charge Rouge

-         1 logique - fin de charge (Accu en place) Vert

(L'état tri-state est en moindre luminosité Rouge+Vert)

Le point le plus délicat est le transformateur secteur qui ne doit pas délivrer, (Après redressement) plus de 7V= maxi par enroulement secondaire, mais doit fournir en charge au moins 4.5V=.

Pourquoi cela ? Simplement parce que je n'ai pas voulu alourdir le montage (Et gaspiller de l'énergie) en ajoutant pour chaque module, un régulateur de tension à 5V qui est la tension la plus couramment utilisée et centrale de ce circuit.

Cette particularité permet d'utiliser la fonction régulation du MCP73831 et de simplifier au maximum le chargeur.

Attention cependant que l'ondulation résiduelle ne doit pas descendre en dessous des possibilités de dropout du circuit qui est de 300mV. C'est pourquoi vous constaterez que le condensateur de redressement/filtrage est assez "costaud" pour que l'ondulation reste en dessous des valeurs, y compris lorsque les 3 modules sont en charge en mode limitation de courant.

Vous aurez compris à demi mot que vous ne trouverez pas ce transformateur dans le commerce, car il est spécifique, mais vous aurez des solutions de repli… (On verra dans les § qui suivent…)

Si vous n'utilisez pas le pont de diode prévu, vous ferez tout de même attention à utiliser un pont assez "solide" au niveau des courants de crête, à cause du condensateur de filtrage assez musclé.

Je n'ai pas regardé l'angle d'ouverture, mais le modèle W04G-E4 de 1.5A 400V remplit sa mission avec un rapport estimé Ipk/Iavg de 20 et peut encore redresser ainsi pour un courant moyen de 1A

 Le schéma d'un module n'a pas grand'chose de différent du schéma d'application du constructeur, et sur ce point, je n'ai donc rien inventé.

J'ai cependant respecté au mieux le design préconisé pour la dissipation thermique voir compléments au § 4.4.

3 Schéma

Le schéma représente seulement celui d'un seul module parmi les 3, et le transformateur n'est même pas représenté, car il est strictement conforme au synoptique.

CHARLIO2_Sch

LITH7_CHARLIO2_implantLa tension d'un secondaire n'est pas indiquée, mais est de l'ordre de 5.6V~ (Voir les autres paragraphes pour plus de précisions sur ce point très important)

L'implantation des composants est donnée ci-contre. Vous constaterez une petite différence entre schéma et réalisation concernant le condensateur C3 de 10µF sur le schéma et de 47µ sur l'implantation, mais c'est sans véritable importance puisque c'est 10µF mini.

Les couleurs ne représentent rien de plus que la principale vérification des surfaces thermiques et ne sont ni la face composants pour l'une et ni la face soudure pour l'autre puisque c'est un circuit simple face...
(La striction (fusible) n'apparaît pas sur ce plan mais seulement sur le typon)

4 Réalisation


4.1   Réalisation pratique

 Celle-ci est faite sur un circuit imprimé simple face et n'offre pas de difficultés, hormis la soudure des circuits intégrés pour lesquels il faut un peu de doigté et surtout une panne de fer à souder de petite taille mais tout de même avec une certaine puissance à cause des plages de cuivre qui font vite "l'aspiration des calories"…

La réalisation est hybride, puisque les composants de redressement sont en discret, y compris les LED de signalisation. Circuit intégré, résistances et condensateurs de découplage sont en CMS.

LITH4Bien qu'il y ait toujours au moins une LED allumée, j'ai préféré ajouter une LED complémentaire sur la partie alternative avant le redressement sur le premier module, car vu la valeur assez importante des condensateurs de redressement, le montage peut sembler sous tension quelques instants, alors qu'il est peut-être "Off".

La réalisation a conservé l'aspect modulaire et l'assemblage de plusieurs modules a été réalisé en dehors de toute CAO électronique par simple copie et assemblage en un seul circuit imprimé.

La place perdue dans mon coffret n'est pas très judicieuse, pas plus d'ailleurs que le fait de l'accès pour les mesures et la maintenance, mais comme c'est très simple et qu'un seul circuit intégré est présent, j'ai fait l'impasse sur ce point.

De plus la vision des LED est masquée par le connecteur si celui-ci est utilisé. (Voir la photo avec la perceuse en début d'article

Je suis d'accord avec vous… peut mieux faire ! Mais vous, vous ferez mieux en ne reprenant pas mes erreurs !

J'attire votre attention sur l'aspect dissipation thermique. Les surfaces importantes attachées aux pattes du circuit intégré sont nécessaires. (Voir § correspondant ci-après)

LITH8_CHARLIO2_typonLa mise en coffret est traditionnelle avec la partie secteur à l'arrière et le circuit imprimé multi modules connecté au plus près des bornes de sortie.

Le connecteur est précâblé sur la face avant depuis les mini bornes bananes et c'est l'ensemble qui est fixé ainsi pour être raccordé au circuit imprimé par les mini bornes bananes.

J'ai ajouté après coup sur le typon, deux courtes strictions sur les runs d'alimentation en entrée et sortie de chaque module chargeur, faisant office de fusible.
(Ces longueurs sont courtes pour éviter des chutes de tension significatives)

Cet oubli de fusibles ne me semble pas important car les possibilités de courant restent très limitées à ce niveau. Mais par opposition, il serait mieux qu'un fusible soit placé pour qu'un court-circuit entre bornes ou connecteur suite à des erreurs de branchements ne décharge pas brutalement un ou plusieurs accus en place.

Vous savez certainement que je double toujours les typons pour l'opacité à l'insolation, et qu'il sont volontairement décalés pour qu'en cas de "loupé" de l'imprimante (ça arrive souvent !) il reste au moins du noir de la partie qui est bonne ! Cela explique le plan.

4.2   Le connecteur

Les sorties de charge sont réalisées sur des minis bornes bananes en face avant, mais l'utilisation de plusieurs accus représente un risque d'erreurs de branchements dont l'issue pourrait être grave, aussi il est nécessaire d'ajouter un connecteur qui fera toujours rapidement les bons raccordements.
De plus la rapidité de branchement est sans égale ce qui ne gâche rien.

Ce connecteur est de type "Souriau 15 broches " que j'avais sous la main, et qui permet d'éventuelles extensions du nombre de modules, (mais aussi d'éventuelles mises en // pour augmenter le courant dans la phase limitation du courant de charge).

Ces connecteurs de récupération sont les connecteurs "jeux" habituellement utilisés sur les vieux PC tour et il sont (étaient) d'excellente qualité avec des broches dorées.

Ce connecteur n'apparaît pas sur le schéma, car il est simplement en // sur les bornes de sortie. Le brochage avec les N° de broches est conforme aux éléments indiqués dans le synoptique général.

Tous les + sont sur les bornes 1,2 et 3 avec pour la 1, le point le plus élevé en potentiel (Bien que ce ne soit pas un impératif ainsi qu'il a été explicité).

Tous les – sont en regard des bornes correspondantes et donc 9,10 et 11, avec pour la 11 le point le plus bas en potentiel (Voir ci-dessus !)

Cette façon de faire a le mérite d'être simple, rapide et de permettre une extension à un nombre plus élevé de modules. Ce choix est essentiellement arbitraire mais "un tantinet" mnémotechnique tout de même.

4.3   Le transformateur secteur

Il est issu d'une ancienne self de filtrage.LITH2D

Rappel : la tension redressée filtrée et à vide est égale à la tension efficace x 1.414 (rac2)

Lors du calcul vous n'oublierez pas que sur ces faibles tensions vous perdez par le redresseur en pont environ 2x0.7=1.4V de chute de tension continue dans les diodes du pont.

Pour éviter de détruire le circuit intégré d'un module chargeur, les calculs seront faits pour avoir au maximum 6.7V =  à vide en sortie des secondaires (Après redressement). La réaction d'un secondaire sur un autre est très faible et la marge de sécurité est suffisante.

La chute de tension continue en charge pour un  courant de 500 mA ne devra pas tomber en dessous de la valeur limite de 4.5V, (valeur 4.2 V + 300mV de dropout)

Si vous avez assez de place, vous pourrez bobiner les 3 secondaires côte à côte, ainsi ils seraient rigoureusement identiques (tension et impédance), ce serait mieux, mais si ils ont déjà le même nombre de spires c'est déjà bien ! (Un isolant standard sera interposé  entre eux)

Vous pouvez, si vous ne savez pas faire, ou si vous n'avez pas la possibilité de bobiner, utiliser plusieurs transformateurs du commerce, mais vous aurez du mal de trouver une fois redressé la valeur de 5 à 6 volts =, tout en sachant qu'à vide vous ne devrez pas dépasser 7V= ! (Cela obligera presque toujours à réguler la tension)

Ajuster le secondaire d'un transformateur n'est pas facile, car c'est un démontage presque toujours obligé, mais régler 3 secondaires identiques est encore un peu plus compliqué.

(N'essayez pas de démonter un transfo imprégné c'est perdu d'avance !)

Si vous bobinez votre transformateur, vous ajusterez en général une seule fois le nombre de spires pour cadrer avec les valeurs mini et maxi du circuit intégré, tant c'est laborieux !

Si il y a un peu trop de tension à vide, alors il vous restera à placer une diode en série avec l'alimentation, comme indiqué sur le schéma. Cette diode D1 (1N400x) a seulement pour rôle de chuter un peu de tension (0.7V) pour ne pas dépasser 7V (à vide)

Si toutes fois le transfo reste votre problème majeur, alors prenez plusieurs transfos délivrant 9 à 12V et utilisez un régulateur 7805 ou autre. Dans ce cas le condensateur C1 de 4700 µF sera bien entendu à remplacer par un 47 µF voire moins.

Pour le redressement AVANT le régulateur 7805, un 1000 µF devrait largement suffire.

Si vous bobinez votre transformateur, alors commencez par l'ajuster au mieux avant de réaliser le circuit imprimé. Ainsi, si vous avez mis beaucoup trop de "sauce" il vous restera la possibilité de placer un régulateur (si c'est vraiment trop haut).

Si cela reste entre 0.7 à 1.5V volts =, alors une ou deux diodes séries feront l'affaire.

Si c'est trop bas en tension…c'est perdu ! Il faudra recommencer !

Notez également que ce circuit intégré MCP73831 est aussi un excellent régulateur à tension fixe de 4.2V et que c'est la raison qui m'a incité à ne pas ajouter un autre régulateur qui fait en quelque sorte double emploi.

5  Possibilités et particularités


5.1   Les nouveaux accus LI-Ion

 Je ne suis pas fin connaisseur des nouveautés en ce domaine, mais il semble d'après MICROCHIP (Fabricant du circuit Intégré MCP73831) que la tension de charge de la dernière génération d'accus Li-Ion soit à peine plus élevée que 4.2V.

Cette tension n'est pas paramétrable et est fixe à choisir dans la liste des tensions prévues par le constructeur, soit 4.20, 4.35, 4.40 ou 4.5 Volts.

Cette tension de 4.2 V permet à mon sens de couvrir la totalité des modèles, même si les plus récents pourraient monter un peu plus haut, cela diminuera peut-être un peu leur capacité ! J'ai utilisé ce circuit intégré prévu pour cette tension (MCP 73831T-2ACI/OT)

Si vous avez à charger des packs de 4 groupes d'accus, voire 5 ou plus, il suffit simplement d'ajouter des modules unitaires chargeurs et d'augmenter les secondaires au transformateur en conséquence.

5.2   Dissipation thermique du MCP73831LITH6

Ce circuit, intégré dans un très petit boîtier SOT23-5 a une préconisation d'utilisation conseillée par le constructeur, que l'on comprendra aisément…

Ce petit circuit capable de fournir 500mA de courant reste une prouesse à souligner d'autant qu'il me semble avoir lu que le circuit s'autocontrôle en température et se limite d'autant.

Il pourrait même tomber à l'arrêt jusqu'à ce que la température baisse...

En effet un si petit élément a besoin d'un peu de place et de surface pour dissiper les calories lors du passage du courant maximum de 500mA.

Il est donc nécessaire de respecter au mieux le design préconisé pour les échanges thermiques, ou au besoin de s'en inspirer fortement.

Une bonne partie des échanges thermiques se réalise par le biais des pattes de connexions, aussi comme j'ai utilisé un circuit simple face, la surface disponible se trouve donc divisée par 2.

Il convient donc de "résoudre" cet aspect par un complément de dissipation effectué par des petits radiateurs improvisés.

La différence essentielle avec la préconisation du constructeur est que je n'ai utilisé que du circuit imprimé simple face et la surface d'échange thermique est donc plus faible (échange thermique entre les surfaces du CI faites par les vias).LITH3

Pour résoudre ce point j'ai gardé en premier lieu le maximum de surface cuivre pour chaque broche du circuit intégré. De plus, j'ai soudé 4 pins traversantes, munies chacune d'une petite ailette de refroidissement côté composants (traversants).

Ces pins sont placées au plus près possible des broches du circuit intégré.

Seule la pin 2 n'a pas vraiment de "radiateur" car elle est "prisonnière" entre les pins 1 et 3, et de plus elle ne véhicule aucune puissance, ce qui me semble assez cohérent.

Cette solution semble donner satisfaction, et à cet instant je n'ai pas constaté d'arrêt de la charge durant la première phase de charge  en limitation du courant.

Un fil de 1.5² un peu écrasé pour avoir un "plat", et soudé sur une petite surface de feuille de laiton (radiateur) et l'ensemble collé à la colle cyanoacrylate sur le boîtier n'a pas donné satisfaction, car beaucoup trop fragile et de plus trop proche des autres composants CMS.

Enfin il faut aussi relativiser cet aspect dangereux de l'emballement thermique, car le circuit intégré est protégé contre cela.

5.3   L'isolation de chaque module

 Cette isolation est uniquement réalisée par le transformateur. Attention à ne pas faire une masse commune, car ce serait la "cata". (Il y a autant de communs (masses individuelles) que de modules)

Le chargeur sort le commun de chaque module (négatif) et le positif.
Il sera ainsi possible de charger 3 accus séparés n'ayant aucun point commun entre eux, tout autant qu'un pack d'accus en série.

Ce seront les packs et leurs liaisons internes qui forceront le positif de l'un au négatif du suivant et ainsi de suite… (sans pour autant omettre les liaisons intermédiaires, bien entendu !)

Au niveau transformateur l'isolation entre secondaires n'est pas critique puisqu'elle suit l'élévation des potentiels des accus et elle reste limitée et parfaitement compatible avec des bobinages classiques.

Chaque module est donc parfaitement autonome et isolé d'un autre. C'est un pack en charge qui imposera les potentiels relatifs. (Revoir aussi le synoptique qui précise cela schématiquement)

Le potentiel général de l'ensemble des secondaires est flottant (Voir en conclusions pour ce point particulier).

Vous devrez raccorder chaque accu par ses deux pôles, faute de quoi certains accus seraient simplement portés à un potentiel sans pouvoir avoir le retour du courant.

5.4   Les chutes de tension

 Lors des courants maxi à 500 mA, les chutes de tensions ne sont plus négligeables et il faut en tenir compte et réduire au strict minimum les longueurs des fils de sortie et de connexion aux accus.

Mais on remarquera que l'arrêt de charge se fait sur un courant très faible, aussi les chutes de tension seront donc moins critiques en fin de charge, ce qui arrange bien et rapprochera de la valeur de consigne de 4.2V !

Il est important de remarquer que durant la phase de "remplissage" à tension constante, le courant diminue, et que la tension de référence du circuit intégré toujours stable à priori, ne reflète pas la réalité, car suivant les longueurs de connexions, la tension réelle aux bornes des accus est sensiblement plus faible et se rapproche de la référence à la fin de charge où le courant est très faible.

D'où la nécessité de réduire toutes les longueurs de connexions pour avoir la meilleure adéquation avec la référence.

Je pense (supposition !) que ce point ne peut jouer que très légèrement sur la durée de la charge mais n'influe pas sur la qualité de la charge (en termes de quantité).

NOTA :

Ma dernière modification qui crée deux "fusibles" par une striction sur les alimentations et utilisations de chaque module (entrée et sortie) va à l'encontre du rapprochement entre tension de référence et tension réelle accus, mais, j'ai préféré jouer la sécurité.

5.5   Résistance de programmation

C'est cette résistance (R3//R3B) qui permet de régler la limitation en courant lors de la charge à courant limité.

Je l'ai mise fixe au maximum des possibilités du circuit soit 2KΩ (2.2K//22K=2K tout rond !)

Si vous désirez rendre ce courant de charge variable, un potentiomètre peut être ajouté et rendre ainsi le courant ajustable. (Je suppose tout de même que les longueurs de fil doivent être réalisées au plus court !)

Cette entrée "PROG" peut également être utilisée en tant que commande ou arrêt de charge si le circuit est connecté à un micro contrôleur.

6 Compléments sur le transformateur

Le transformateur est un élément important du principe retenu puisqu'il va assurer la totale indépendance galvanique de chaque module chargeur.

Dans l'approche que j'ai retenue, les caractéristiques du transformateur sont un peu délicates, car en fonction de la charge, la tension de sortie ne doit pas changer dans de trop grandes proportions, du fait qu'il n'y a pas de régulation avant le circuit intégré chargeur MCP.

Ainsi, lorsque les accus sont en charge durant la phase de limitation de courant à 500mA, la tension doit toujours rester au dessus de 4.2+0.3 volts soit 4.5V=, car autrement le circuit MCP pourrait s'arrêter en attendant une remontée permettant la charge réelle.

Cependant lorsque le chargeur aura terminé sa charge, ou lors d'une mise sous tension sans accus, la tension VDD ne devra jamais dépasser les 7V maxi.

Cette double condition oblige à une tension secondaire assez stable, et à un bobinage en fil d'un diamètre largement dimensionné pour limiter les pertes et garder ainsi une fourchette acceptable. (En d'autres termes la résistance interne vue du secondaire doit être assez faible).

(On ne tombera pas cependant dans un surdimensionnement aberrant de la puissance du transformateur qui gâcherait un peu la simplicité).

Pour les faibles tensions comme c'est le cas ici, et surtout avec un redressement double alternance, la chute de tension dans les diodes du pont, soit environ 1.4V n'est plus du tout négligeable face à la tension redressée.

Il faut donc ajouter cette tension aux secondaires.

De plus il faut (éventuellement) penser à la réaction d'un secondaire sur un autre lorsque certains éléments auront terminé leur charge. Vérification faite, cela reste de l'ordre d'une dizaine de mV et donc tout à fait acceptable (dans le cas présent). Mais cela pourrait être beaucoup plus si le primaire est bobiné avec un fil un peu trop fin.

Cette réaction est la conséquence de la modification de la tension primaire "active" par les pertes joule au primaire suite aux variations de courant aux secondaires… (Clair ? Ce sont des circuits couplés et la modification de l'un, entraîne des modifications sur les autres, mais c'est toujours ainsi !!! Et pas spécialement dans cette application)

Voilà dans les grandes lignes les points à respecter pour la réalisation de ce transformateur, mais au final il ne représente pas une grande difficulté, et fait surtout appel à du bon sens.

Pour ma part j'ai utilisé un transformateur (ancienne self de filtrage) de section apparente 5 Cm² soit d'environ 14 VA pour une section réelle de fer de 4.4 Cm². Le surdimensionnement en puissance est donc de 14./(4.2*0.5*3) donc voisin de 2 ce qui me semble acceptable.
(Il faut aussi prendre en considération qu'un tel bobinage artisanal ne permet pas, à cause du foisonnement, de descendre facilement en dessous de cette section de fer).

Un "primaire" étant déjà "existant", j'ai donc bobiné précisément 10 spires en tant qu'enroulement secondaire pour déduire le nombre de spires primaire alors inconnu et pour voir si il pouvait répondre à ma réalisation.

 : Résultat 1.17 Volt sur le secondaire, pour une tension primaire de 224V.

Le nombre de spires primaire est donc suivant la formule connue :

Nsp/224=10/1.17 soit 1914 spires au primaire, ce qui donne 8.5sp/V primaire au lieu de théoriquement 9 pour cette puissance.

Cette petite différence entraînera seulement quelques pertes complémentaires sans conséquences réelles, aussi je préfère m'éviter la corvée du bobinage de ~2000 spires primaire.

Pour le calcul des secondaires, on procède ainsi :

On fixe une valeur de base pour la tension continue à vide de l'ordre de 6V=, pour que suivant les variations secteur, on ne dépasse pas 7V=.

6/rac2= 4.24V~, ce qui représente la tension efficace nécessaire…Mais il y a des chutes de tension dans les deux diodes du pont soit environ 2x0.7V=1.4V=.

Je vais faire une petite entorse en mélangeant continu et alternatif, puisque je vais ajouter 1.4V= à cette tension de 4.24~ ce qui donne 5.64V~ et donc un nombre de spires de ~48 sp.

Les résultats mesurés sont les suivants 5.72V~ à vide sur chaque secondaire.

La tension à vide est de 5.72V~ et après redressement (avec la diode complémentaire D1) on a 6.27V= à vide, et 4.96V= en charge pour 2 sorties en charge.

On cadre donc correctement avec les valeurs extrêmes, (mais avec 0.7V de chute complémentaire de la diode ajoutée !).

NOTA 1 :
La diode en sortie du pont (D1) est justement prévue pour un ajustement fin de la tension délivrée, car il est toujours difficile d'avoir une tension assez précise lors de variations à 100% du courant d'utilisation, car un transformateur est surtout fait pour débiter et non pour servir de "chaufferette" ou de générateur de réactif selfique...

NOTA 2 :
le Signe = indique une valeur de tension continue (ou de courant). Le signe ~ indique une valeur efficace de tension alternative (ou de courant).

Si toutes ces explications sur le transformateur vous ont un peu fait peur alors vous avez d'autres solutions pour ne pas tâtonner  :

 -         Bobiner toujours un transformateur avec ses trois enroulements secondaires mais en ayant une tension secondaire nettement plus élevée de l'ordre de 7V~ (mini) en charge et de réguler cette tension avec un régulateur de tension 7805 par exemple (Attention : dropout de 2V pour ce régulateur).

-         Autre solution, utiliser 3 petits transformateurs tout faits et mettre également des régulateurs car vous n'aurez jamais la bonne valeur issue du commerce !

 Enfin si vous avez plus de 3 accus en série dans des packs d'accus, vous pourrez augmenter le nombre de secondaires ou le nombre de transfos dans l'autre cas…

Je n'ai pas représenté la partie amont du transformateur qui comporte comme tout appareil un fusible et un interrupteur. Je n'ai pas prévu de connecteur pour le 230V, mais seulement un passe fil avec fil et un guide fil souple.
Comme j'avais un petit filtre bipolaire, je l'ai inséré après le fusible et l'interrupteur, mais c'est une précaution peut-être superflue ?!

Pour vérifier le transformateur, vous ferez bien entendu les essais à vide ET en charge (sans le MCP) en assurant "en montage volant, redressement et filtrage" sur un seul secondaire, pour obtenir les marges de tension acceptables. Vous ferez de préférence le contrôle de tension avec charge sur le seul montage avec redressement (sans diode initialement). Une résistance assurera au moins 500mA= de courant continu.
Une ultime vérification de cette tension continue, avec en plus cette fois, sur un autre secondaire, une autre résistance pour 500mA~. Cela permettra de vérifier une variation négligeable sur le montage redressé. (Cette résistance en courant alternatif évite de refaire un nouveau redressement / filtrage en volant et est juste là pour vérifier un impact de charge quasi nul à partir de la variation sur un autre enroulement.

Ces vérifications correspondent à la situation réelle de tous les éléments en charge au courant maxi et à l'arrêt de charge de tous les accus.
Pour être puriste il faudrait mettre en charge en plus la 3 ème sortie, mais avec 2 c'est déjà une bonne indication de la réaction éventuelle.

Enfin vous vérifierez que l'ondulation résiduelle en charge du module d'essai n'affecte pas la composante continue en dessous de 4.5V.

 

7 Possibilités


7.1   USB

 C'est tout à fait un cas d'application directe du circuit intégré et à partir de l'USB d'un ordinateur vous pouvez supprimer toute la partie redressement, ce gros chimique par un modèle plus petit de 47µF et supprimer également la diode puisque le 5V de l'USB est déjà régulé.

Attention, car dans ce cas, un seul élément LI-Ion pourra être chargé.

Ce circuit intégré est réellement très intéressant par sa simplicité et son prix très abordable.

Le module de base dont le schéma est décrit peut donc se décliner en chargeur USB pour accu Li-Ion. Cette idée est d'ailleurs vraisemblablement à l'origine du développement de ce circuit très intéressant ?

Dans le schéma, il vous suffira de remplacer le "GROS" 4700µF par un simple 47µF ou 100µF d'entrée tout en remplaçant la diode par un court-circuit et de supprimer transformateur, diode D1 et pont redresseur pour avoir ainsi un chargeur Li-Ion alimenté à partir de l'USB.

Vous noterez aussi que normalement tout port USB est capable de fournir ce courant de 500mA. (Mais ...Ce n'est pas toujours le cas, aussi il est préférable de vous reporter à vos notices pour savoir précisément les limites, mais en principe les 500 mA sont presque toujours acceptés, au moins sur un des ports USB).

Si tel n'était pas le LITH10cas, vous pourrez tout de même utiliser le courant disponible en augmentant la valeur de la résistance de programmation du courant pour vous adapter à la valeur maxi de courant de votre ordinateur.

(Voir pour ce faire les courbes du constructeur figure 2.4 du datasheet. Ainsi avec 20K le courant maxi est de 50mA.
De 2KΩ jusqu'à 6KΩ, la courbe est quasi linéaire et varie donc respectivement de 500mA à 150 mA environ).

Si vous disposez d'un petit module d'alimentation à découpage délivrant 5V, vous pouvez procéder comme avec l'USB (Voir photo ci-contre de mon montage d'essai transformé ainsi en chargeur pour un seul élément)

7.2   Utilisation de plusieurs modules en //

 Là, je n'ai pas d'informations officielles sur cette utilisation particulière, aussi j'ai réalisé un essai en ce sens pour confirmer cette possibilité.
J'ai effectivement essayé avec 2 modules en //, et c'est assez surprenant, car le fait de réunir en // seulement 2 modules, sans accus en place, en positionne un en fin de charge (LED verte) et l'autre reste en attente (LED VERTE +ROUGE).
Ceci est certainement dû aux courants de fuite, mais je ne creuserai pas plus ce sujet…

La mise en place d'un accu modifie cet état de fait puisque les deux modules passent alors en mode charge (LED ROUGE), et le courant est seulement un peu augmenté  (680mA dans l'essai) et n'atteint pas 1A. L'accu était-il largement déchargé ? Pas certain !
Cette possibilité non documentée par le constructeur semble un peu "limite" et ne parait donc pas vraiment très sûre.

7.3   Le connecteur

 Le connecteur est la meilleure solution pour standardiser et éviter des erreurs de connexions avec les risques que cela comporte lors de la recharge des packs.

Chaque module de charge est parfaitement indépendant de son voisin et ce sont les liaisons internes d'un pack d'accus qui forcent les + et les – à être connectés ensemble (Voir le synoptique déjà présenté).

Cette façon de laisser les éléments chargeurs non interconnectés initialement est la meilleure formule qui autorise aussi de fait la mise en parallèle possible, et rend difficiles des éventuelles erreurs de branchement des prises intermédiaires.

C'est donc un connecteur 15 broches SUB-D 15 dont la réputation de bons contacts est déjà établie tant pour les modèles à 25 broches que pour les modèles 9 broches, (deux modèles bien connus à ce jour pour la RS232).

8 Conclusions

Rien de bien transcendant dans ce chargeur, si ce n'est sa simplicité et son faible coût associé avec une véritable sécurité assurée par l'utilisation directe d'un circuit intégré du commerce dédié à cette utilisation.

Ce chargeur tel que décrit permet de charger un, deux ou trois éléments Li-Ion de 4.2V.

Rien, n'empêche cependant d'augmenter le nombre de modules pour monter jusqu'à 4, 5 ou 6 suivant les nécessités.

Il permet aussi de charger plusieurs accus "isolés" même de capacité différente (Accus non connectés ensemble)

Ce circuit, au vu de ses performances est également parfaitement adapté à la charge des petits accus Li-Ion des téléphones portables, tout autant que des packs d'accus de plusieurs cellules.

J'attire une nouvelle fois l'attention sur l'aspect dangereux des ces accumulateur Li-Ion (ou Li-Po) en cas de court-circuit ou de charge inadaptée, car ils peuvent exploser ou s'enflammer.

Ce chargeur étant dédié aux accus Li-Ion, il n'y a pas de réelle possibilité de charger d'autres types d'accus. Cependant j'ouvrirais une possibilité d'utiliser ce chargeur à courant constant en jouant sur la résistance de programmation du courant maxi. C'est une éventualité, mais dans ce cas, l'arrêt ne pourrait pas se réaliser automatiquement et cela resterait un problème sans solution. Je suppose que la tension de tels accus devrait être largement en dessous des 4.2V  pour que la charge à limitation de courant soit enclenchée ?

Dans cette réalisation, la résistance de programmation est fixe (R3//R3B=2KΩ), mais elle pourrait éventuellement être variable pour permettre une charge d'accus plus faible.

Vous pouvez aussi la modifier pour réduire le courant dans la première phase de la charge

Dans la majorité des cas, la charge se fera environ à C/4 pour les accus cylindrique de packs d'environ 2000 mAh ou C/8 si deux accus de ce type sont en //.
La charge sera plus "solide" pour les accus de téléphone portable de l'ordre de 800mAh de capacité, où elle atteindra 0.6C environ sans pour autant les abîmer.

Ce circuit intégré peut aussi être utilisé en interface avec un micro contrôleur et dans ce cas, l'état de la pin STATUS indique au micro contrôleur l'état du chargeur. De même la commande du courant sur la pin de programmation (PROG) permet ou non la mise en fonction du chargeur, ce qui réduit la consommation du circuit lui-même. (Voir le datasheet).
Attention cependant car dans le cas d'une connexion avec micro, il n'est pas possible de réaliser une telle commande simultanée sur les 3 circuits intégrés de ce montage, car leur potentiel de référence augmente avec le nombre d'accus et la commande et le suivi par micro contrôleur ne peut se réaliser que sur un modèle n'ayant qu'un seul circuit intégré ou sur le premier élément référencé par rapport au VSS du micro. (Faire une commande opto)

Enfin, j'ai laissé volontairement le potentiel de référence de la partie chargeur flotter par rapport à la terre.
Je n'aime pas laisser ainsi un montage non fixé par rapport à la terre, car c'est une source de problèmes. Aussi j'attends les essais de longue durée pour repérer d'éventuels anomalies et peut-être d'être obligé de fixer le potentiel du premier module chargeur par exemple avec une résistance de forte valeur (De l'ordre du mégohms).
Après plusieurs charges et parasites en tout genre avec des mauvais contacts volontaires, je n'ai pas eu à me plaindre de problèmes quels qu'ils soient.

Dans cette même suite d'idées, je n'ai pas différencié chaque module et il est possible d'utiliser n'importe lequel des modules pour charger un accu unique. Si j'étais obligé de fixer un potentiel, alors cette possibilité pourrait poser des problèmes de références notamment sur des accus laissés dans un appareil qu'ils alimentent.

Je l'ai déjà dit, mais je le répète, une fois encore, le principe de charge est totalement attaché au circuit intégré, et seule la réalisation pourrait rendre éventuellement dangereuse la charge des accus. Le circuit intégré MCP73831 comporte toutes les sécurités nécessaires à cette charge des accus Li_Ion ou LI-PO sans danger à priori pour les utilisateurs.

Au final vous avez remarqué que rien ne permet de limiter la profondeur de décharge des accus (en utilisation hors du chargeur), et c'est donc à chacun de veiller à toute décharge profonde qui limiterait la longévité des accus…
Ce sera peut être l'objet d'un futur montage de surveillance seul ? (Signalement sans aucune commutation ou blocage)

Vous avez aussi remarqué que je n'ai jamais parlé de charger des packs encore équipés de leur régulation, car je pense qu'il y a un risque, car les électroniques peuvent se contrarier et peut être créer de graves problèmes. Dans le doute je suis obligé de m'abstenir de charger de tels packs équipés et sauf avis contraire dûment labellisé, je ne conseille pas de le faire !

Information que vous n'avez peut-être pas lue dans les datasheets, vous pouvez laisser les accus sur le chargeur, car ils ne se déchargeront pas ou vraiment très peu (15µA), et avec un tel courant de fuite il faudrait quelques dizaines d'années pour décharger de tels accus.
(Ceci d'autant qu'après plusieurs années ainsi en standby, le chargeur ré enclencherait automatiquement une nouvelle charge).

Au cas où vous n'auriez pas bien vu la subtilité citée seulement une seule fois, la charge des packs de plusieurs accus nécessite de connecter chaque accu par ses 2 pôles sans préjuger des connexions internes à un pack, car autrement le courant ne pourrait pas être établi sur certains éléments qui n'auraient qu'un pôle raccordé.
C'est aussi une raison de l'utilité du connecteur qui réalise toujours ces liaisons complètes.

Non, non, je ne parle pas de la charge de la cavalerie, ni de la charge des batteries de canons…non… non...  écoutez bien, c'est la charge des batteries d'accumulateurs ! Ouf !

 


 

 

9    Addendum

Les habitudes sont tenaces et mon petit montage indiqué au § 7.1 pour charger un seul accu a souvent été détruit tout simplement par l'inversion des polarités !!!

Dans les accus Ni MH ou CdNi et les piles standard, le + est toujours au centre de l'accu, et le - (moins) constitue l'enveloppe, et c'est pour cette habitude prise que j'ai déjà 2 fois détruit ce petit circuit !!!

Une seule solution (non vérifiée pour l'instant) mettre un fusible et une diode en inverse de façon que si on inverse les polarités de l'accu, le courant de l'accu sera en direct dans la diode et ce courant "intense" (à espérer)  fera alors "péter" le fusible. Mais il faut aller vite et je me suis posé la question d'une diode schottky pour deux raisons, la première pour limiter la tension aux bornes du circuit, et la deuxième pour aller vite.
Dans l'immédiat j'ai mis une bonne vieille 1N4007 et un fusible de 1A... Résultats aux prochaines erreurs !