Li-Ion Akku 4.2V Ladestatusanzeige (LM3914)

Um die Batteriespannung von Akkus anzuzeigen eignet sich ein einfacher Indikator, der den Batteriezustand auf LEDs ausgibt. Eine simple Methode habe ich dafür im Internet gefunden, für die ich einen LED DOT/BAR Graph und den LM3914 Chip bestellt habe. Der DOT/BAR Graph kann jedoch auch mit einzelnen LEDs ersetzt werden.

Du kannst den folgenden Text auch einfach überspringen und die Schaltung nach dem Schaltplan im Anhang nachbauen.

 

 

Wie funktioniert der LM3914 Chip?

Der Chip hat 10 Ausgänge a, die über über 10 Komparatoren ein bzw. ausgeschaltet werden. Die Komparatoren sind intern im Chip mit 1kOhm Widerständen als Spannungsteiler parallel zu den Ausgängen RLo und RHi geschaltet.

Angenommen:

#An RLo liegen 2.95V an und die interne Referenzspannung wird als Messweite (2.95V Batterie leer -> 4,2V Batterie voll) festgelegt.

#An Pin 5 (SIG) wird eine Batterie, mit einer momentanen Spannung von 3.55V angeschlossen.

An jedem Spannungsteiler fällt nun Vref/10 = 0.125V ab. Die 0.125V addieren sich von RLo bis RHi und werden mittels den nicht invertierenden Komparatoren verglichen. Die Batteriespannung (SIG) fungiert dabei als Referenzspannung des Komparators und liegt am - Eingang der Komparatoren. Wird die Spannung am + Eingang> - Eingang, was bei diesem Fall bei 3.55V der Fall ist, schaltet der Komparator nicht mehr durch und die LED bleibt aus.

An jedem Spannungsteiler fällt nun Vref/10 = 0.125V ab. Die 0.125V addieren sich von RLo bis RHi und werden mittels den nicht invertierenden Komparatoren verglichen. Die Batteriespannung (SIG) fungiert dabei als Referenzspannung des Komparators und liegt am - Eingang der Komparatoren. Wird die Spannung am + Eingang> - Eingang, was bei diesem Fall bei 3.55V der Fall ist, schaltet der Komparator nicht mehr durch und die LED bleibt aus. 

Schaltung fürSpannungsindikatorfür1 Li-Ion Akku 2.95V - 4.2V

Der LM3914 wird mit einem DC/DC Wandler mit 5.5V betrieben. Auf dem Eingang liegt die Batterie. Wichtig ist es das der DC/DC Wandler auch bei kleineren Batteriespannungen<3V, konstant 5.5V liefert, da sonst die Schaltung nicht funktioniert. Die Betriebsspannung muss immer mind. 1.25 V größer als die obere Messspannung (RHi) sein. Um beispielsweise einen Li-Ion Akku (leer: 2.95V voll: 4.2V) zu messen, müssen an RLo 2.95V und an RHi 4.2V anliegen. Diese Spannungen werden, sowie der Ausgangsstrom für die LEDs mit den Widerständen R1 und R2 eingestellt.

Dafür wird der potentialfreie(!!!) Ausgang REFOUT auf RHi gebrückt. Potentialfrei bedeutet, dass unabhängig der Beschaltung um den Chip, immer 1.25V an REFOUT anliegen. Die Ausgangsspannung an REFOUT kann jedoch durch den PIN REFADJ verändert werden. Somit können anhand der Referenzspannung unterschiedliche Spannungen erzeugt werden, mit denen beispielsweise die Messgrenzen an RHi und RLo individuell eingestellt werden können. Dieser Effekt wird für die Anwendung genutzt.

 

 

Referenzspannungseinstellung mit R1 und R2 des LM3914:

1. Widerstandsberechnung R1:

Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler zwischen REFOUT und Masse.
Zwischen REFOUT und REFADJ liegen 1.25V Referenzspannung. Der RHi Pin wird direkt auf REFOUT gebrückt. Somit liegen an RHi vorerst 1.25V. Dadurch fließt Strom zwischen REFOUT durch den Widerstand R1 nach REFADJ Strom, da REFADJ intern an Masse geschaltet ist. An R1 fallen nun 1.25V ab.Der Widerstandswert muss jedoch noch ermittelt werden. Dieser Wert ist abhängig für die LED Ausgangsstromwerte.

 Achtung: R1 ist parallel geschalten an die Pins RLo und RHi. Deshalb wird der Spannungsteiler belastet berechnet. 

2. Widerstandsberechnung R2

Wie im Schaltplan zu sehen, ist REFADJ nicht direkt an die externe Masse angeschlossen, sondern an die Mitte des Spannungsteilers. Somit fließt der Strom weiter durch R2 und erzeugt dort einen Spannungsabfall.
Die Spannung wird als Potential für die untere Dividerspannung verwendet und soll 2.95V betragen. Dafür wird der Strom durch R1 sowie der Strom aus REFADJ addiert. Durch die Stromangabe sowie den gewünschten Spannungswert von 2.95V, lässt sich der Widerstand R2 berechnen,

Kurz: Der Spannungsteiler hat die Funktion durch den Spannungsabfall an R2 die untere Dividerspannung auf 2.95V zu setzen und durch den Spannungsabfall an R1+R2 die obere Dividerspannung auf 4.2V zu setzen.

Dot oder Bargraph Mode des LM3914?

Über den PIN 9 "Mode" werden die Ausgänge in der "Bargraph" oder "Dotanzeige" betrieben.
Bei der Bargraphanzeige leuchten alle Balken(LEDs) bis zum aktuellen Ladezustand der Batterie. Einstellung:PIN9 an 5V
Die Dotanzeige zeigt mit einem leuchtenden Balken den aktuellen Ladezustand der Batterie. Einstellung:PIN9 an GND

Zusätzlich könntest du noch ein Laderegler für den Akku dazuhängen und hättest ein funktionsfähiges Akku Ladegerät.

 

Bauteil	Beschreibung	Link
LM3914 IC	LED Treiber IC Bar/Dotgraph	amazon* affiliate Bestellen
Dot/Bargraph	Indikator mit 10 LEDs (rot, gelb, grün)	amazon* affiliate Bestellen
2x LiIon Akku 3.7V	Li Ion Akku 3400mAh	amazon* affiliate Bestellen
1x LiIon Akku 18650 Batteriehalter	Batteriehalter für Lithium Ionen Akku	amazon* affiliate Bestellen
5x TP4056 Ladereglermodul	1A Ladereglermodul mit Tiefentladeschutz	amazon* affiliate Bestellen
DC/DC Wandler 2V/5V	Eingangsspannung: DC 2V-24V; Ausgangsspannung: DC 5V-28V;	amazon* affiliate Bestellen
Elektrobauteile	1x 8,6 kOhm, 1x 9,8 kOhm
Elektroaurüstung	Lochrasterplatine, Kabel, Stecker