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DICA – Ajuste de corrente para o carregador “Nikon” MH-61


Figura 1 – Carregador “Nikon” MH-61 e baterias EN-EL5.

Figura 1 – Carregador “Nikon” MH-61 e baterias EN-EL5.

O carregador externo MH-61 é utilizado nas baterias de íons de lítio modelo EN-EL5 (figura 1), que são a fonte de energia de diversos modelos de máquinas fotográficas da Nikon, como Coolpix P90, P100, P500, P510, P520, P530 e P6000, segundo o fabricante.

Mas, após completada a carga, muitas vezes aconteceu da bateria ficar estufada. Para resolver o problema, foram trocados alguns componentes na placa do carregador. O artigo também aborda as características das baterias de lítio e o modo para carregá-las corretamente.

A Nikon informa menos modelos de máquinas compatíveis com a bateria EN-EL5 do que os vendedores na internet. Um deles diz que essa bateria serve nas Nikon Coolpix 3700, 4200, 5200, 5900, 7900, P3, P4, P5000, P5100, P6000, P80, P90, P100, P500, P510, P520, P530 e S10.

O carregador MH-61 carrega a bateria com 160 mA, aproximadamente. Em geral, carrega-se baterias com no máximo 10% da capacidade de corrente nominal (carga lenta). Ao menos essa era a regra com as baterias de chumbo-ácido.

As baterias de lítio

As baterias de íons de lítio (Li-ion) parecem um pouco com as de chumbo-ácido, como demonstra um boletim da Universidade das Baterias (Battery University [1]), mas guardam diferenças importantes: as baterias de lítio têm tensão mais alta por célula, as tolerâncias de tensão para carga e descarga são mais estreitas e não aceitam carga lenta ou flutuante após a carga total.

Os íons de lítio não aceitam sobrecarga, portanto não existe um carregador milagroso, que prolongue a vida da bateria e consiga capacidade extra, com pulsos e outros truques, que podem ser válidos para as baterias de chumbo-ácido. A tecnologia Li-ion só pega o que pode absorver.

O aquecimento danifica todo tipo de bateria, por isso, baixas correntes de carga são importantes para alcançar maior durabilidade. Durante o aquecimento, reações químicas internas costumam gerar gases. Como as baterias de lítio são hermeticamente seladas, elas incham quando carregadas em temperaturas relativamente altas (acima de 35°C, segundo o manual da Nikon).

Na correria dos dias atuais – todos querem tudo para ontem – exige-se que os aparelhos portáteis, como os telefones celulares e as caixas amplificadas tipo boombox, estejam rapidamente prontos para uso. Não é aceitável perder muito tempo com recargas.

Em razão dessas demandas, a última geração das baterias de lítio (em 2018) já permite atingir, em 20 a 30 minutos de carga, de 20% a 70% da capacidade total da bateria.

No entanto, alguns limites devem ser respeitados, especialmente no caso da temperatura. Carga rápida, até o momento, é igual a aquecimento e menor vida útil de qualquer bateria.

Segundo a Nikon, as baterias de lítio não devem ser usadas em temperaturas abaixo de 0°C e nem acima de 40°C, pois podem danificar-se. É recomendável carregá-las somente quando a temperatura ambiente estiver entre 5°C e 35°C. A bateria EN-EL5, por exemplo, não aceita carga se sua temperatura estiver abaixo de 0°C ou acima de 60°C.

Baterias sem uso devem ser recarregadas pelo menos uma vez a cada seis meses e descarregadas completamente na máquina, antes de serem armazenadas novamente, em lugar fresco. Recomenda-se fazer a descarga através do equipamento que utiliza a bateria, porque ele não deixará a tensão da mesma ficar abaixo do limiar que poderia danificá-la.

Estufamento da bateria e taxa C

A bateria EN-EL5 original tem 1100 mAh (miliamperes-hora) de capacidade máxima, enquanto que as compradas no comércio paralelo ostentam até 1600 mAh (1,6 Ah), no mesmo tamanho (figura 2). Tenho uma máquina fotográfica Nikon há quase dez anos e devido ao uso, comprei diversas baterias, originais e não originais. O incômodo é que após algum tempo de recargas, várias delas estufaram. A durabilidade média de cada bateria foi em torno de 1 a 3 anos, as originais, obviamente, mais tempo.

Não costumo carregar imediatamente a bateria após retirá-la da máquina, antes deixo um tempo repousando, para esfriar bem e “acalmar” as reações químicas internas.

Figura 2 – Baterias EN-EL5, à esquerda a original Nikon, com o selo holográfico e à direita um modelo compatível. Observe as diferenças de capacidade, em mAh.

Figura 2 – Baterias EN-EL5, à esquerda a original Nikon, com o selo holográfico e à direita um modelo compatível. Observe as diferenças de capacidade, em mAh.

Como o estufamento era frequente, observei que ele acontecia sempre com o carregador externo (MH-61), que foi comprado posteriormente. Quando o carregamento voltou a ser feito somente na máquina, pelo cabo USB, nenhuma bateria inchou mais.

O culpado era o carregador MH-61. Bem que a Nikon alerta em seu manual para evitar carregadores de procedência desconhecida. Mas, quando podemos saber com certeza se não estamos sendo enganados, pois vendem os produtos como originais?

Inicialmente, pensei que fosse devido à corrente de carga (160 mA), mas o carregador que veio com a máquina (EH-69P), que a usa para carregar a bateria através de cabo USB, demora, segundo o manual do usuário, cerca de 4h50m, para uma bateria totalmente descarregada. Pela capacidade da bateria original (1,1 Ah), isso equivale a uma taxa de carga quase igual a 0,2C (220 mA). Precisamente 227,7 mA, ou seja, mais do que com o MH-61.

NOTA – Diferença entre Ampere e Ampere-hora: Uma corrente de 1 A circulando constantemente durante 1 hora no circuito, resultará em 1 Ah. Se houver reduções ou interrupções neste fluxo, a corrente em Ah diminuirá, pois ela é o total da energia consumida no período de uma hora. É assim que nossas contas de luz são calculadas.

Tabela I: Taxa C e tempo de serviço quando carregando ou descarregando baterias.

Tabela I: Taxa C e tempo de serviço quando carregando ou descarregando baterias.

A taxa C, mencionada acima, é chamada, em inglês, de C-rate (Taxa C). Refere-se à energia contida na bateria, tanto para carga quanto para descarga. A tabela I informa os valores usuais da taxa C.

1C é como se fosse uma carga de uma bateria qualquer, que ela consegue fornecer em 1 hora.

Para facilitar, suponhamos uma bateria perfeita, que possa ser carregada plenamente e que tenha capacidade nominal de 4 Ah (amperes-hora). Esta capacidade é a mesma que 4000 mAh (miliamperes-hora).

Observe que a taxa C indica, indiretamente, a corrente de carga ou descarga, é só multiplicar a capacidade da bateria pela taxa C desejada.

Para carregar uma bateria de 4 Ah à taxa de 1C, levaremos 1 hora para atingir a carga total e teremos que usar uma corrente de 4 A (4000 mA).

Para carregar a bateria com 0,1C, a corrente será 400 mA e levará 10 horas para atingir a carga máxima.

Para descarregar a bateria de 4 Ah à taxa de 1C, também levará 1 hora (a 4 Amperes).

E descarregá-la a 0,1C significa que levará 10 horas para exauri-la completamente, com 0,4 A de corrente de consumo (4*0,1).

Capacidades maiores ou menores irão mudar as corrente de carga e descarga, tendo em vista que o tempo se mantém o mesmo. Para mais detalhes sobre a taxa C, acesse a referência [2].

Conhecendo as baterias de lítio (Li-ion)

Figura 3 – Diferenças de espessura entre uma bateria normal e outra fortemente estufada, que nem entrava na máquina.

Figura 3 – Diferenças de espessura entre uma bateria normal e outra fortemente estufada, que nem entrava na máquina.

As baterias de lítio (Li-ion) tem proteção para evitar descargas acima de 1C. Baterias de lítio de alto desempenho podem ser carregadas acima de 1C, com um moderado estresse. Quando totalmente carregadas, exibem cerca de 4,2 V em seus terminais. A tensão nominal dessas baterias, no entanto, é de 3,7 V.

As baterias de lítio são consideradas descarregadas quando estão com 3.0 V entre seus terminais. Não é recomendável diminuir a tensão para um valor menor que esse, sob o risco da bateria não receber mais carga.

Uma bateria inchada não entra nem sai facilmente da máquina, pode ficar presa ou até causar defeito, devido à compressão sobre o compartimento (tudo é apertado dentro dessas máquinas modernas). A figura 3 mostra as diferenças de espessura entre duas baterias, a da direita está muito estufada e chega ser quase 2 mm mais grossa que o normal. Para comprovar que uma bateria está estufada, tente girá-la sobre um vidro. Se ficar rodando, significa que há inchaço, mesmo que não esteja muito visível (figura 4). Em geral, a pressão aumenta em dias quentes, mesmo com a bateria desligada. O estufamento demonstra que o invólucro da célula é hermeticamente selado.

NUNCA FURE UMA BATERIA DE ÍONS DE LÍTIO, pois este volátil elemento químico é um metal alcalino altamente tóxico para os rins e pode causar diabetes.

Até mesmo os remédios à base de lítio, que tratam de transtornos mentais, podem causar fácil superdosagem, pois a janela terapêutica do lítio é muito estreita. Janela terapêutica é um termo técnico da medicina, que define os limites entre o efeito de cura e a toxidez de elementos químicos no corpo humano. Não é brincadeira, cuide-se.

Uma perfuração na bateria de lítio pode começar um incêndio, pois os eletrodos são feitos de folhas muito finas, enroladas. Se uma agulha atravessar 2 folhas, haverá curto-circuito e devido à alta capacidade de corrente, a bateria poderá incendiar-se. A pressão interna excessiva também causa expulsão flamejante, como veremos a seguir.

A tensão nas células de lítio não pode subir além de 4,30 V, pois isso causa deposição de lítio metálico no ânodo (o lítio deveria ficar no cátodo). O cátodo começa a oxidar e a produzir dióxido de carbono (CO2), aumentando a pressão na célula.

Há algumas salvaguardas, segundo o manual da Nikon. Um dispositivo interno de proteção desconecta a célula quando a pressão atingir 1000 a 1380 kPa (145-200 psi). Compare esta pressão com a dos pneus do carro ou da bicicleta…

Se a pressão continuar aumentando, uma membrana de segurança rompe, por volta de 3450 kPa (500 psi) e a célula poderá, eventualmente, soltar labaredas e incendiar-se. Essas proteções certamente existem nas baterias originais, mas nos modelos compatíveis, não há como garantir sua presença ou eficácia.

Todo cuidado é pouco e pela toxidez do lítio, quando houver necessidade de descartar uma bateria, melhor levar aos postos de coleta, que geralmente existem nos supermercados e grandes lojas de eletrônicos. O lítio é um metal estratégico para a sociedade atual e sua reciclagem é muito importante, especialmente para aqueles que virão depois de nós.

O ideal seria fazer com as baterias de lítio o que já fazemos com as baterias de chumbo, cuja reciclagem chega perto dos 95%. Bons exemplos deveriam ser repetidos.

O circuito do carregador MH-61

O carregador ostenta a marca Nikon, mas pelo que conheço da empresa, ela não faria nem colocaria seu nome num produto de baixa qualidade.

Porque este carregador MH-61 é falso e bem ruim. Ele pode danificar as baterias a médio prazo e ainda por cima usa retificação de meia onda na entrada de CA, ou seja, emprega só 1 diodo, em vez de uma ponte retificadora. Sinceramente, nem nas minhas primeiras fontes de alimentação que construí, utilizei meia onda na retificação de 60 Hz, pois a ondulação é altíssima e todas as formas de melhorá-la passam pela retificação de onda completa.

Já vi a qualidade de outros produtos Nikon, são projetos esmerados e bem pensados. As figuras 5 a 7 mostram isso claramente, quando comparamos dois carregadores, o falso MH-61 e o original EH-69P (que veio com a máquina). Apesar de serem carregadores muito diferentes, é possível fazer uma comparação, pois foram comprados na mesma época (ambos são da Malásia). Além das diferenças na parte eletrônica, a remoção dos parafusos de fixação já indicava modos diferentes de fabricação. 

Figura 5 – Carregadores Nikon MH-61 (esquerda) e EH-69P, cuide que foi necessário furar o selo das características, para acessar os parafusos e abrir o MH-61.

Figura 5 – Carregadores Nikon MH-61 (esquerda) e EH-69P, cuide que foi necessário furar o selo das características, para acessar os parafusos e abrir o MH-61.

Figura 6 - Carregadores Nikon MH-61 e EH-69P desmontados, observe as diferenças entre as placas.

Figura 6 – Carregadores Nikon MH-61 e EH-69P desmontados, observe as diferenças entre as placas.

Figura 7 – Imagem aumentada das placas dos carregadores MH-61 (esquerda) e EH-69P (com 2 módulos interligados).

Figura 7 – Imagem aumentada das placas dos carregadores MH-61 (esquerda) e EH-69P (com 2 módulos interligados).

Figura 8 – Esquema do carregador de baterias MH-61. Clique para ampliar em nova aba.

Figura 8 – Esquema do carregador de baterias MH-61. Clique para ampliar em nova aba.

Observe que para abrir o MH-61 é necessário furar o selo de identificação. Já o EH-69P tem um parafuso Torx com guia central e precisa de ferramenta especial para abrir, uma chave Torx com furo para a guia.

A figura 7 exibe as placas mais de perto e na figura 8 temos o circuito original do carregador MH-61. É relativamente simples, usa a topologia flyback (técnica na qual T1 não é utilizado como transformador, mas como indutor bifilar, que apenas armazena energia e a repassa para D3, após o corte de Q1).

Para mais detalhes sobre a teoria por trás das fontes chaveadas, acesse o livro “Eletrônica de Potência”, do professor José Antenor Pomilio, da Unicamp [3]. Toda a publicação pode ser baixada gratuitamente AQUI. O capítulo 5 trata das arquiteturas existentes para fontes chaveadas.

Voltemos ao carregador. O transistor NPN Q1 (MJE13001, em encapsulamento TO-92) chaveia o pequeno indutor T1, que tem 3 enrolamentos: principal ou primário, de saída ou secundário e auxiliar ou de realimentação. Q2 recebe realimentação através do enrolamento auxiliar de T1 e assim controla a corrente sobre Q1.

A tensão do enrolamento de saída é retificada pelo diodo rápido D3 (1N5819), filtrada por C4 e enviada para Q4 (S8050), que controla o carregamento. Neste ponto, não há problema em fazer retificação de meia onda, pois a frequência de trabalho é altíssima e a saída do indutor secundário não é puramente senoidal. Com a retificação de onda completa, haveria outras perdas importantes, que não serão mencionadas aqui. Para mais detalhes, consulte o livro do prof. Pomilio [3].

A referência de tensão U1 (TL431) informa quando a carga atingiu o nível predeterminado: 4,25V, para os valores nominais de R9 e R10. Quando isso ocorre, Q4 desliga, impedindo a continuação da carga da bateria. O transistor PNP Q3 (S9015), por sua vez, entra em corte e apaga o LED.

O resistor R7 determina a corrente de carga (160 mA para 1K ohm).

Não há circuito de controle de temperatura. O projeto é simples, mas pode ser melhorado.

Incrementando o carregador MH-61

A primeira alteração no circuito foi trocar o diodo da entrada da rede elétrica por uma ponte retificadora. Isso melhorou a filtragem de CA e reduziu fortemente a ondulação (ripple). Para montar a ponte retificadora, foi preciso remover o verniz da placa e fazer uma interrupção da trilha de cobre, acompanhe as figuras 9 a 12.

Observe que o fusível impresso ficou após a ponte retificadora, o que significa que se ela queimar, haverá risco de incêndio. O fusível deve ser o primeiro componente dentro do aparelho, na linha de alimentação. Para não aumentar muito os custos e tempo gastos, uma das trilhas de cobre antes da ponte foi estreitada com estilete, através da remoção de um pedaço em forma de L, para funcionar como um fusível (observe a parte inferior da figura 12). Para facilitar manutenções futuras, o ideal seria usar um fusível como o da placa do carregador EH-69P.

Figura 9 – Localização de D1, diodo original de filtragem da rede elétrica.

Figura 9 – Localização de D1, diodo original de filtragem da rede elétrica.

Figura 10 – Verso da placa, com D1 ainda montado.

Figura 10 – Verso da placa, com D1 ainda montado.

Figura 11 – D1 removido, raspagem da placa para soldagem da ponte retificadora e indicação do trecho de cobre a remover.

Figura 11 – D1 removido, raspagem da placa para soldagem da ponte retificadora e indicação do trecho de cobre a remover.

Figura 12 – Ponte retificadora montada. A altura do componente, soldado no verso da placa, não dificultou o fechamento do aparelho, havia espaço.

Figura 12 – Ponte retificadora montada. A altura do componente, soldado no verso da placa, não dificultou o fechamento do aparelho, havia espaço.

A segunda alteração foi reduzir a corrente de carga. Ao alterar R7 para os valores de 2k2, 2k7 e 3k3 consegui, respectivamente, correntes de 110, 90 e 80 mA sobre a bateria.

Mantive o resistor de 3300 Ohm, convertendo o MH-61 num carregador de 0,073C. Este valor de R7 assegura um fluxo de 1,5 mA no cátodo de U1 (TL431), já que a tensão no coletor de Q4 é de 5 V, aproximadamente.

Não recomendo aumentar R7 além desse valor, pois o TL431 precisa ter pelo menos 1 mA de corrente de cátodo, para funcionar como referência de tensão de precisão.

Após trocar R7, o tempo de carga aumentou para aproximadamente o dobro de antes. O LED, agora, ilumina menos e quando está chegando no fim da carga, fica cada vez mais fraquinho (devido à corrente de 1,5 mA em U1, muito próxima do limite mínimo).

NOTA: Antes de chegar a R7, tentei alterar R6 e R3, sem sucesso. Não mexa nesses resistores, se quiser reduzir a corrente de carga, apenas aumente o valor de R7.

Além de manter uma corrente acima do mínimo para U1, não foi alterado o divisor de tensão formado pelos resistores R9 e R10. Eles determinam a tensão máxima de carga da bateria. Mas, estariam corretos seus valores? Afinal, as baterias estufaram e aqueles resistores são de 5%.

A tensão de referência interna do TL431 é 2,5 V. R9 e R10 ajustam a saída para cortar Q4 em 4,25 V.

A fórmula para calcular a tensão de saída do regulador TL431 é a seguinte:

Vo = (1+ R9/R10)*Vref, onde Vref é 2,5 V

R9 e R10 deveriam ter tolerância de 0,1 %, segundo a ficha técnica do fabricante (baixe ela DAQUI, olhe o começo da página 2 do arquivo). Precisão tão alta é difícil de encontrar, a solução é pegar vários resistores e medir cada um, até encontrar o valor desejado.

Como o fabricante do carregador reza na cartilha da economia total, utilizou resistores com precisão de 5% (figura 14). Junto com a retificação de meia onda, esta pode ser outra razão para o estufamento, pois as baterias de lítio são pouco tolerantes a excessos de tensão.

Pelos valores nominais de R9 e R10 (3K3 e 4K7) a tensão de saída, quando o carregador desliga a carga na bateria, ficaria 50 mV abaixo do máximo: 4,25V.

Medi R9 e R10, o primeiro resistor estava exatamente no valor marcado (3300 ohm), enquanto que o segundo tinha uma resistência de 4760 ohm (1,25% acima do valor nominal). Apesar de parecer pouco, a tensão máxima da bateria, com estes valores, fica em 4,278 V. Perigosamente próximo do máximo de 4,30 V.

Troquei R10 por um resistor de 4K7 escolhido, com 4640 ohm, o que mudou a tensão de saída para 4,233V (figura 14)

Figura 13 – Resistores R9 e R10, este último alterado.

Figura 13 – Resistores R9 e R10, este último alterado.

Esta terceira mudança, junto com a alteração na entrada de CA e a redução da corrente, evita o aquecimento da bateria ao carregar. Exatamente o que eu precisava.

Se você quiser conhecer melhor o TL431, saiba que ele pode ser usado como comparador, como o coração de uma fonte ajustável, dentre outras interessantes aplicações. É um componente muito versátil, corriqueiro nas fontes de PC (olhe sua sucata!). Acesse as referências [4] [5] e [6], para maiores informações.

Bom proveito!

Referências

Consultadas em abril de 2018

[1] Battery University – BU-409: Charging Lithium-ion batterieshttp://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries

[2] Electronics-base – What is C-rate?http://www.electronics-base.com/general-description/all-about-batteries/charge-methods/76-what-is-the-c-rate

[3] Unicamp – José Antenor Pomilio – Livro “Eletrônica de Potência” – 2014 – http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/eltpot/

[4] Texas Instruments – TL431 – Technical Documents http://www.ti.com/product/TL431/technicaldocuments

[5] Paulo Brites – Diamantes são eternos e o TL431 também – https://www.paulobrites.com.br/diamantes-sao-eternos-tl431-tambem/

[6] Axtudo – Como o regulador de tensão TL431 funciona – https://www.axtudo.com/2017/11/14/como-o-regulador-de-derivacao-tl431-funciona-folha-de-dados-circuitos-de-aplicacao-explicados/

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  1. Fábio
    7 de maio de 2018 às 03:59

    Certa feita abri uma dessas lanternas com vários leds e com o carregador embutido que também estava com a bateria (chumbo-ácido) estufada, e foi deprimente ver como o circuito de carga é tão ruim pois apenas consiste em uma ponte retificadora em série com um capacitor de poliéster, uma verdadeira bomba.

    • 14 de maio de 2018 às 00:58

      Fábio, as baterias de chumbo-ácido até trabalham bem com carga flutuante, o problema é que estes circuitos simplórios não identificavam o excesso de tensão por célula, que é uma das causas do estufamento. O custo baixo tem seu preço…

  2. Ricardo Atencio Medeiros
    3 de maio de 2018 às 17:21

    Excelente trabalho, Euzébio! Como sempre, aprendo muito com teus artigos. Obrigado!

    • 14 de maio de 2018 às 01:14

      Ricardo, obrigado pelas palavras de apoio, seja bem vindo!

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