Ladeschaltung für Li-Ion-Zellen

Ein Sensor im Garten, eine Taschenlampe, ein Bluetooth-Lautsprecher: Sobald ein Gerät einen eingebauten Akku hat, braucht es eine Ladeschaltung. Für eine einzelne Li-Ion- oder LiPo-Zelle ist das heute ein einziges IC mit einer Handvoll Bauteile, das aus einem USB-Anschluss lädt. Der TP4056 ist dafür der Klassiker: billig, auf unzähligen fertigen Modulen zu finden und für bis zu 1 A ausgelegt.

Welche Ladeverfahren es gibt und warum Lithium-Zellen nach dem CC/CV-Verfahren geladen werden, steht in Akkus richtig laden; die Zelle selbst beschreibt Lithium-Ionen-Akku, die Chemie dahinter Akkumulatoren. Hier baust du die Ladeschaltung komplett auf und legst jeden Wert fest.

Schaltplan

• IC1, TP4056: linearer Lader für eine Zelle im SOP-8 mit Kühlfläche. Er regelt erst den Strom, dann die Spannung auf 4,2 V und beendet die Ladung selbst.
• R1, 2,4 kΩ (PROG): stellt den Ladestrom ein.
• R2, 6,2 kΩ, und NTC: Teiler am TEMP-Pin. Der NTC-Heißleiter sitzt im Akkupack und misst die Zellentemperatur.
• LED1 rot (CHRG), LED2 grün (STDBY): Die Pins sind offene Drain-Ausgänge und ziehen die jeweilige LED nach Masse.
• C1, C2, 10 µF: Keramik an Eingang und Akkuanschluss.
• CE an VCC: Der Lader ist immer aktiv, wenn USB anliegt. Ein Mikrocontroller kann ihn über diesen Pin abschalten.

So funktioniert die Schaltung

Ist die Zelle tief entladen (unter 2,9 V), lädt der TP4056 zunächst mit einem Zehntel des eingestellten Stroms vor. Darüber folgt die Konstantstromphase: Er hält den mit R1 eingestellten Strom, die Zellspannung steigt langsam. Erreicht sie 4,2 V, wechselt er in die Konstantspannungsphase und hält 4,2 V fest; der Strom sinkt von selbst. Fällt er auf ein Zehntel des eingestellten Werts, ist die Zelle voll. Der Lader schaltet ab, die rote LED geht aus, die grüne an. Sinkt die Zellspannung später wieder deutlich (typisch auf rund 4,05 V), startet er eine neue Ladung.

Am PROG-Pin liegen in der Konstantstromphase 1 V; der Strom durch R1 wird intern mit 1200 multipliziert. Der Ladetransistor im IC wirkt wie ein Linearregler: Er verheizt die Differenz zwischen USB-Spannung und Zellspannung. Wird das IC zu heiß, regelt es den Strom selbst zurück, sodass der Chip bei etwa 145 °C bleibt.

Der TEMP-Pin vergleicht seine Spannung mit 45 % und 80 % der Versorgung. Außerhalb dieses Fensters unterbricht der Lader, bis die Temperatur wieder passt.

Dimensionierung

Gegeben: LiPo-Pack 3,7 V, 2000 mAh, mit 10-kΩ-NTC (B = 3435); Laden aus einem USB-Netzteil; Ladetemperatur 0 bis 45 °C laut Datenblatt der Zelle.

1. Ladestrom. Zellen dieser Art dürfen meist mit 0,5 C laden, also 1 A. Wir bleiben mit Rücksicht auf die Wärme bei 500 mA, rund 0,25 C:

2,4 kΩ ist ein Wert der E24-Reihe; das Datenblatt garantiert damit 450 bis 550 mA. Am USB-2.0-Anschluss eines Rechners mit 500 mA Grenze nimmst du besser 2,7 kΩ (444 mA).

2. Wärme im IC. Am größten ist die Verlustleistung am Anfang der Konstantstromphase, bei etwa 3,4 V Zellspannung:

Mit der Kühlfläche auf eine Kupferfläche von einigen Quadratzentimetern gelötet erreicht das SOP-8 etwa 50 bis 60 K/W, also gut 40 K über der Umgebung. Mit 1 A wären es 1,6 W und 80 bis 100 K: Dann greift die Temperaturregelung, und der Strom sinkt von selbst. Mehr dazu unter Wärme und Kühlung.

3. Ladezeit. In der Konstantstromphase fließen rund 90 % der Ladung, hier etwa 1,9 Ah / 0,5 A ≈ 3,8 h. Die Konstantspannungsphase kommt mit 0,5 bis 1 h dazu. Ladeschluss ist bei 500 mA / 10 = 50 mA.

4. Temperaturfenster. Der NTC hat bei 25 °C 10 kΩ, bei 0 °C etwa 28,7 kΩ und bei 45 °C etwa 4,85 kΩ. Die obere Grenze (heiß) liegt dort, wo die TEMP-Spannung unter 45 % fällt, die untere (kalt), wo sie über 80 % steigt:

Mit R₂ = 6,2 kΩ stoppt die Ladung bei R_NTC = 5,07 kΩ, also etwa 44 °C, und bei 24,8 kΩ, also etwa 3 °C. Das Fenster von 3 bis 44 °C liegt sicher innerhalb der erlaubten 0 bis 45 °C. Den NTC-Widerstand für jede Temperatur liefert der Rechner:

5. LEDs. Mit roter LED (2,0 V) fließen (5 V − 2,0 V) / 1 kΩ = 3 mA, mit grüner etwa 2,8 mA. Moderne LEDs sind damit hell genug. Die Ausgänge vertragen deutlich mehr.

Bauteilliste

Erweiterungen

Schutzschaltung. Der TP4056 lädt nur. Gegen Tiefentladung, Kurzschluss und Überladung bei einem Fehler im Lader gehört an die Zelle ein Schutz-IC wie der DW01A mit dem Doppel-MOSFET FS8205A. Er trennt die Zelle typisch bei 4,3 V, bei 2,4 V und bei rund 3 A Laststrom. Fertige Module mit beiden Teilen sind verbreitet; viele LiPo-Packs haben ihn schon eingebaut.

Ohne NTC. Hat die Zelle keinen Temperaturfühler, verbindest du TEMP mit Masse. Die Überwachung ist dann aus – vertretbar bei Geräten, die nur im Zimmer geladen werden.

Gerät läuft beim Laden. Hängt die Last direkt an der Zelle, misst der Lader den Laststrom mit und erkennt das Ladeende nicht zuverlässig. Die Lösung ist ein Power-Path wie unter Batterie-Backup und Power-Path.

5 V aus der Zelle. Mit einem Aufwärtswandler (Boost) dahinter entsteht eine Powerbank. Damit die Zelle nicht tiefentladen wird, schaltet ein Unterspannungswächter den Wandler rechtzeitig ab.

Kleine Zellen. Für Knopf- und kleine LiPo-Zellen bis etwa 500 mA ist der MCP73831 im SOT-23-5 die kompaktere Wahl, er ist im Artikel über das Laden beschrieben.

Typische Fehler

• Ladung endet nie, rote LED leuchtet dauernd: Die Last hängt mit an der Zelle und zieht mehr als 50 mA. Oder der Akku ist gealtert und erreicht 4,2 V nicht mehr.
• Keine LED leuchtet: TEMP liegt außerhalb des Fensters – NTC fehlt, ist anders bemessen (B = 3950 verschiebt die Grenzen) oder TEMP ist offen. Ohne NTC TEMP an Masse legen.
• IC sehr heiß, Strom geringer als eingestellt: Die Temperaturregelung arbeitet. Größere Kupferfläche unter dem IC, kleinerer Strom oder eine Eingangsspannung nahe 5 V statt mehr.
• Akku verpolt angeschlossen: Der TP4056 hat keinen Verpolschutz; IC und Zelle können Schaden nehmen. Verpolungssichere Stecker wie JST-PH verwenden.
• Zwei Zellen in Reihe am TP4056: Er lädt nur eine Zelle bis 4,2 V. Mehrere Zellen in Reihe brauchen einen eigenen Lader mit Balancing.

Selbsttest