StepUp e Caricabatterie

In questa pagina pubblichiamo alcuni moduli utili per alimentare dispositivi con batterie al litio.

Sono moduli che si trovano facilmente su AliExpress e altri rivenditori ma li abbiamo completati con schemi, caratteristiche e altre considerazioni introvabili in rete.                 

Step Up con integrato MT3608

Esistono moduli utili per alimentare circuiti di ogni genere, uno dei migliori è lo MT3608

Caratteristiche dello MT3608

• Tensione di ingresso da 2 a 24 V
• Tensione di uscita fino a 28 V 
• Tensione di uscita uguale o maggiore della tensione di ingresso
• Corrente di uscita fino a 2A ( meglio non superare 1 A nell’uso continuo )
• Efficienza fino al 97 % ( con Iout di 200 mA )
• Corrente a riposo 2 mA circa 
• Soft Start che limita i picchi di corrente iniziali e allunga la vita alle batterie
• Protezioni per sovracorrente e temperatura

La massima tensione sull’ingresso di riferimento del chip è 6 volt (leggete la parte finale che spiega come evitare di bruciarlo)

Purtroppo i progettisti di questo modulo erano dei clown e sono riusciti a fare ben tre errori in un circuito semplicissimo.

Primo errore – Trimmer di regolazione della tensione di uscita collegato male

Bisogna fare attenzione che alcuni modulini hanno il trimmer collegato male, i progettisti hanno dimenticato un collegamento.
Se vi capita uno di questi moduli allora il trimmer non regola niente per i primi 20 giri e poi fa tutta la regolazione negli ultimi 2 giri.

In queste immagini si vede la correzione da fare, basta unire con un filino (isolato) i due piedini del trimmer che sono vicini a Vout-

Anche con questa correzione il trimmer agisce sempre al contrario (la tensione scende avvitando) ma almeno regola per 21 giri, invece che per 2 giri, e quindi la regolazione è dieci volte più precisa

Regolazione della tensione di uscita ( con i moduli corretti )

Secondo errore – Bruciatura del chip in alcuni casi

A volte questi moduli si bruciano apparentemente senza motivo. Mentre alcuni dicono che funzionano bene e li usano a lungo senza mai avere dei problemi, ad altri accade di bruciarli immediatamente, appena li accendono. Infatti per bruciarli devono accadere contemporaneamente tre fattori:

• Fattore 1 – Si alimenta il modulo con tensione superiore a 6 volt
• Fattore 2 – Si gira il trimmer senza misurare la tensione per cui non si nota che si sta regolando per una tensione inferiore all’ingresso 
• Fattore 3 – Si gira il trimmer per la minima tensione (tutto avvitato in senso orario).

Quando il trimmer è tutto avvitato diventa un corto circuito che invia tutta la tensione di alimentazione all’ingresso di riferimento, il quale sopporta al massimo 6 volt. Questo è il motivo per il quale a volte i moduli si rompono, apparentemente senza motivo.

Quindi, se alimentate il modulo a 5 volt potete stare del tutto tranquilli.
Ma se lo alimentate con tensioni maggiori, ad esempio 6, 12 o 24 volt fate molta attenzione alle regole seguenti:

• Regolate la tensione di uscita alimentando il modulo con 5 volt e solo dopo averla regolata date la piena tensione di ingresso (fino a 24 volt massimi).
• Oppure, prima di dare tensione e regolarla, svitate il trimmer (in senso antiorario) di un po’ di giri (almeno 5 per essere sicuri) e solo dopo aver fatto questo dare tensione e poi regolate il trimmer, ma tenendo sempre sotto controllo la tensione di uscita. Non fatela scendere sotto alla tensione di alimentazione e non ruotate mai il trimmer senza tenere sotto controllo la tensione di uscita.

Terzo errore – Forte rumore in uscita alle alte frequenze

Tanto per completare l’opera i progettisti hanno anche sbagliato a posizionare il condensatore di filtro in uscita che, come si vede nella immagine seguente, è lontano dalla uscita (vedere il percorso della pista rossa).

Per cui in uscita sono presenti disturbi molto brevi (nell’ordine dei nanosecondi) ma con tensioni abbastanza alte (uno o due volt).

In molti casi questo disturbo non darà fastidio, dato che si tratta di frequenze di centinaia di megahertz, ma è possibile eliminarlo facilmente aggiungendo un condensatore ceramico da 10 o 22 uF tra le due piazzole Vout, come si vede nella prossima immagine.

Step Up con integrato XL6009

Da qualche anno si può trovare questo tipo di StepUp che (per alcune applicazioni) è migliore del precedente MT3608 ed è anche molto economico. Inoltre questo modello funziona in modo affidabile senza bisogno di fare modifiche e il suo trimmer regola bene la tensione.

Però fate attenzione che (a differenza del precedente MT3608 che si accontentava di 2 volt) questo modulo necessita di una tensione di alimentazione di almeno 5 volt.

Caratteristiche dello XL6009

• Tensione di ingresso 5V-32V
• Tensione di uscita 5V-55V
• Corrente di uscita Uscita continua 2 A (MAX 4A)
• Massima potenza di uscita 20 W
• Protezione dell’alimentazione
• Nessuna protezione da cortocircuito
• Regolazione della tensione di uscita variando il carico ± 0.5%
• Regolazione della tensione di uscita variando la tensione di ingresso ± 0.5%
• Frequenza di lavoro 400KHZ
• Efficienza di conversione 94% MAX, 85% normale
• Ripple di uscita 50MV (MAX) (aumenta con l’aumento della tensione di uscita e del carico)
•  

Questo è lo schema del modello con un solo induttore, quello con due induttori ha un po’ meno rumore in uscita ma per il resto sono molto simili.
Si consiglia comunque di mettere un elettrolitico da almeno 1000 uF sia in ingresso che in uscita.
Senza questi due elettrolitici durante la accensione la tensione di uscita potrebbe anche superare la tensione stabilita di alcuni volt (per un breve tempo).

Esistono modelli con un induttore solo, due induttori e anche un modello con il display che mostra la tensione in uscita        

Caricatori per batterie al litio che fanno anche da alimentatore

Consigli per tutti i moduli seguenti
– Non si possono collegare batterie in serie
– Volendo utilizzare più di una batteria le si devono collegare in parallelo inoltre devono essere uguali tra loro e con lo stesso stato di invecchiamento. 
– I collegamenti alla batteria devono essere corti e con filo non troppo piccolo, altrimenti la resistenza del filo falserebbe la tensione di carica.
– Nel caso che la batteria sia collegata con un connettore fate attenzione che i contatti siano buoni e non ossidati.

Tipi di batterie
Molti anni fa, le primissime batterie Li-ion avevano una tensione massima di ricarica di 4.1 V, mentre le Li-Po nascevano già a 4.2 V. In quel periodo, usare un caricatore per Li-ion su una Li-Po significava non caricarla mai del tutto, mentre usare un caricatore Li-Po su una vecchia Li-ion la sovraccaricava pericolosamente. Da qui è nato il mito del “non scambiarli mai”.

Oggi la chimica si è uniformata: tutte le Li-ion e Li-Po standard in commercio caricano a 4.2 V, rendendole intercambiabili. Per cui i moduli seguenti sono adatti sia per le batterie Li-ion che per le Li-Po.                     

Caricatori per batterie al litio – Tipo 1

Questi moduli sono adatti per alimentare dispositivi a 5 volt (con batterie 18650)
Si può limitare la corrente in caso di batterie piccole (con una modifica)
Hanno lo spegnimento automatico per mancanza di carico (sotto i 45 mA)

Caratteristiche con chip IP5306A (scaricare datasheets)

• Il chip potrebbe anche essere FM5324GA o PB0063A (con caratteristiche simili ma che non abbiamo provato)
• Connettore di ingresso per la corrente di carica di tipo “USB C”
• Tensione di ingresso da 4.2 a 6.5 volt
• Corrente di carica fino a 2 ampere (adatto per le celle 18650 senza modifiche)
• Regolazione della corrente di carica per batterie piccole (con una piccola modifica)
• Adatto a batterie Li-ion e Li-Po da 3.7 volt (4.2 volt a piena carica)
• Pre-carica controllata (trickle charge) a corrente ridotta se la tensione della batteria scende sotto i 2,8V.
• Efficienza dalla batteria verso il carico fino al 92%,
• Efficienza durante la carica della batteria fino a 91%.
• Se la corrente richiesta dal carico in uscita scende stabilmente sotto i 45 mA, il modulo spegne automaticamente l’erogazione.
• Bassa corrente di riposo (intorno ai 50 uA)
• Quattro piccoli LED indicano in tempo reale lo stato operativo e la percentuale di carica residua della batteria.
• Il punto contrassegnato con la lettera K può essere collegato a un pulsante esterno (verso il polo negativo -).
• Premendo il pulsante K una volta si forza l’attivazione dell’uscita a 5V.
• Con un doppio click sul pulsante K si forza lo spegnimento dell’uscita a 5V.
• Tensione di uscita fissa a 5 volt
• Corrente in uscita fino a 2 ampere ( meglio non superare 1 A nell’uso continuo )
• Protezioni: OCP, OVP, short circuit, over-temperature, ESD 4KV.

Schema e PCB

Ecco lo schema e il circuito stampato, fatti da noi con molta cura. 

Fate click per ingrandirli o scaricarli con alta risoluzione, non troverete niente di simile in rete!

A cosa serve il pulsante K?
Il pulsante K è opzionale ed è utile solo se si desiderano le opzioni seguenti:

• Se il modulo è spento premendo una volta il pulsante si accendono temporaneamente i LED di stato e si verifica lo stato di carica.
• Se un dispositivo è collegato premendo una volta il pulsante lo si accende e se consuma più di 45 mA resterà acceso
• Se un dispositivo è collegato premendo il pulsante due volte rapidamente, l’uscita a 5V viene interrotta forzatamente.

Il funzionamento del pulsante K permette quindi di accendere e spegnere il dispositivo collegato con un semplice pulsante, senza bisogno di usare un interruttore.

Comportamento del caricatore

• Quando si collega il cavo USB la carica avviene fino a che la batteria supera i 4.2 volt e poi si ferma con corrente zero e con i quattro LED accesi fissi.
• La carica non si riavvia anche se la batteria scende di molto, abbiamo provato fino a 3.6 volt
• Per riavviare la carica si deve spegnere la alimentazione e riaccenderla oppure scollegare la batteria e ricollegarla.

Questo comportamento è “nascosto” nei datasheet, perché i progettisti cinesi danno per scontato che l’utente scollegherà il caricabatterie o cambierà la batteria dopo che i LED sono fissi e indicano che la batteria è carica al 100%.

Cosa fare se il dispositivo da alimentare consuma meno di 50 mA
In questo caso basta aggiungere un piccolo resistore in parallelo al carico per farlo consumare di più.
Per stabilire il valore del resistore si misura quanto consuma il dispositivo e si aggiunge corrente per arrivare a circa 60 mA

• Per aggiungere 60 mA il resistore deve essere da 82 ohm
• Per aggiungere 50 mA il resistore deve essere da 100 ohm
• Per aggiungere 30 mA il resistore deve essere da 150 ohm
• Per aggiungere 20 mA il resistore deve essere da 220 ohm
• Per aggiungere 10 mA il resistore deve essere da 470 ohm

Se il resistore aggiunge più di 30 mA allora va collegato al dispositivo, prima del pulsante di accensione, e non sui punti Output di questo modulo, altrimenti il modulo non si spegnerebbe più, nemmeno scollegando il carico.

Corrente di carica con una o due batterie 18650

Questo modulo, senza alcuna modifica, è adatto per una batteria 18650 (o due in parallelo) quindi per una capacità totale da 2 a 6 amperora. Se si utilizza una sola batteria 18650 la corrente di carica massima si 2A potrebbe sembrare troppa, ma in realtà i soliti alimentatori USB da 1 o 2 ampere non danno veramente 5 Volt alla massima corrente di uscita, inoltre la resistenza del cavo fa ulteriormente scendere questa tensione di qualche centinaio di millivolt.

In conclusione una singola cella 18650 viene normalmente caricata con 1 ampere o poco più e non patisce. Se usate una sola 18650 e volete stare tranquilli utilizzate un alimentatore da 1 ampere oppure misurate le corrente di carica con l’alimentatore che intendete utilizzare. E questa corrente che non deve essere maggiore di 1A nei momenti di massima carica, cioè con batteria intorno al 50%.

Nota: Se si collegano due 18650 in parallelo e si vuole caricarle con 2A si deve utilizzare un alimentatore che dia veramente 5.2V anche alla massima corrente e si deve collegarlo con cavi grossi e connettori a bassa resistenza.

Modifica per diminuire la corrente di carica

Se si collegano batterie più piccole allora bisogna limitare la corrente di carica altrimenti potrebbero scaldare, gonfiarsi, perdere di capacità o addirittura diventare pericolose.

Per limitare la corrente di carica si aggiunge un resistore come indicato nello schema seguente:

La corrente di carica massima solitamente deve essere la metà della capacità della batteria in amperora. Ad esempio, se abbiamo una batteria da 600 mAh, allora dovremo caricarla con una corrente massima di 300 mA. Per cui il tempo di carica solitamente sarà di due o tre ore.

Modifica sul PCB per regolare la corrente di carica

Prima di tutto si deve isolare C2 da C1 nella parte superiore eliminando il rame dove indicato con le linee rosse. Si può utilizzare un “Cutter” o una piccola fresa ma in tutti i casi fate molta attenzione di isolarli bene, controllate con il tester e poi ricontrollate molto bene anche con un microscopio.

Fate attenzione di aver eliminato bene ogni traccia di rame tra i due condensatori, controllate bene e eventualmente grattate ancora, poi misurate nuovamente con il tester in ohm che tra i due condensatori ci sia il valore del resistore di limitazione e non zero ohm. Se per caso dovessero in seguito fare corto circuito tra di loro, potrebbe arrivare troppa corrente alla batteria, scaldarla, gonfiarla e addirittura farla esplodere, quindi fatelo bene!

Una volta isolati i due condensatori è facile saldare su di essi un resistore SMD di tipo 0805 ma, con un po’ di abilità, si può riuscire a saldare anche un 1206 o un resistore classico da 1/4 watt. Esistono anche versioni speciali di resistori SMD 0805 da 1/4 watt che, essendo più piccoli, potrebbero essere più facili da saldare direttamente sui condensatori C1 e C2.                   

Caricatori per batterie al litio – Tipo 2

Questi moduli sono adatti per alimentare dispositivi da 4.2 a 28 volt.
Si può limitare la corrente in caso di batterie piccole.
Non hanno lo spegnimento automatico per mancanza di carico.

Caratteristiche con chip CL4056E e MT3608 (scaricare datasheets)

• Il chip potrebbe anche essere CST4056E o LTC4056 (con uguali caratteristiche)
• Lo StepUp che fornisce la tensione in uscita (marking code AMB) è un MT3608 o LN2220
• Connettore di ingresso per la corrente di carica di tipo “USB C”
• Tensione di ingresso da 4.2 a 6.5 volt
• Corrente di carica fino a 1 ampere
• Corrente di carica regolabile (si possono usare anche celle piccole, ad esempio da 100 mAh)
• Adatto a batterie Li-ion e Li-Po da 3.7 volt (4.2 volt a piena carica)
• Soft Start per limitare la corrente iniziale
• Protezione contro la inversione della batteria
• Corrente senza carico di 150 uA
• Display di stato di carica, mancanza di batteria e errore
• Tensione di uscita regolabile da 4.2 a 28 volt
• Potenza in uscita fino a 5 Watt (ad esempio 1 ampere a 5 volt)

Problemi causati dalla corrente di riposo

Il chip ha una corrente minima di 150 uA che lentamente scaricherà la batteria:

• Una 18650 da 2 Ah si scarica in due anni
• Una cella da 1 Ah si scarica in un anno
• Una cella da 500 mAh si scarica in sei mesi

Non è grave ma bisogna tenerne conto.
In alcuni casi si potrebbe mettere l’interruttore di accensione del dispositivo che si intende utilizzare tra la cella e il modulo, invece che sulla linea che alimenta il dispositivo.

Significato dei LED indicatori

• Durante la ricarica: Il LED rosso (carica) è acceso intensamente, mentre il LED blu è spento. È possibile che il LED rosso rimanga fisso per tutto il processo.
• A carica completata: Il LED blu si accende fisso. Il LED rosso potrebbe rimanere leggermente acceso (fioco) a causa di correnti residue.
• Senza carico collegato: Il LED blu è acceso e il LED rosso potrebbe apparire leggermente acceso. (strano che il led blu sia acceso, è da verificare in pratica)
• In modalità Boost (erogazione energia): Se il modulo sta elevando la tensione per alimentare un dispositivo, il comportamento dei LED può variare in base alla potenza richiesta in uscita.

Regolazione della corrente di carica

Cambiando il resistore che si trova nel cerchietto rosso è possibile diminuire la corrente di carica.
Normalmente questo resistore è da 1 Kohm e quindi la corrente di carica è di 1200 mA
Nel caso fosse troppa per la batteria che si usa si può sostituire il resistore con uno di tipo piccolo (0603) con i seguenti valori:

• 1.0 Kohm = 1200 mA
• 1.2 Kohm = 1000 mA
• 2.4 Kohm = 500 mA
• 4.7 Kohm = 250 mA
• 10 Kohm = 120 mA
• 22 Kohm = 50 mA