Модуль для заряда Li-ion аккумуляторов. Модуль для заряда Li-ion аккумуляторов Как заряжать литиевые батарейки
Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, об одной интересной модификации «народного» зарядного модуля TP4056 на ток 3А и небольшом применении в качестве самодельной зарядки для лития. Будет небольшое тестирование и простенький пример изготовления зарядки из дешевых компонентов, поэтому, кому интересно, милости прошу под кат.
Итак, вот та самая модификация «народной» платки:
Применение данной платы:
- Зарядка Li-Ion аккумуляторов, встроенных в конечное устройство. Частый случай – в устройстве несколько запараллеленных банок и 1А слишком мало. Ну, сами посудите, есть две-три банки по 2,6-3Ач, общая емкость около 6-7Ач. Заряд такой батареи займет около 7-8 часов, а с данной платкой – около 3 часов. Как пример – самодельные ПБ, аккумуляторные отвертки и минишуруповерты
- Сборка своего «быстрого» зарядника на один или два аккумулятора. Современные высокоемкие аккумуляторы на 3300-3500mah спокойно могут принимать 3-4А, а уж две запараллеленные банки тем более (перед зарядом лучше приблизительно уравнять потенциалы). Сами производители допускают заряд некоторых банок током 3-4А, об этом написано в даташитах на эти банки.
- Входной разъем – DC Port 5мм + дублирующие выводы;
- Входное напряжение - 4,5V-5,5V
- Конечное напряжение заряда - 4,2V (Li-Ion аккумуляторы);
- Максимальный зарядный ток - 3А;
- Количество модулей TP4056 - 4 (макс. разгонный ток 4А);
- Индикация – дискретный двухцветный светодиод (красный/зеленый);
- Защита от переполюсовки - нет;
- Размеры - 65мм*15мм.
- Плата заряда 4*TP4056 на 3А;
- Двухцветный трехногий светодиод (красный/синий свет);
- DC разъем 5мм.
Поставляется платка в обычном мелком пакете, до меня доехала за две-три недели. Внутри пакета была своеобразная защита – два склеенных листа пенополиэтилена, внутри которых и была платка:
Плата зарядки крупным планом:
По схемотехнике ничего сверхъестественного – просто взяли и запараллелили 4 контроллера TP4056, одновременно уменьшив максимальный зарядный ток для каждого контроллера с 1А до 750ma. Поначалу я не мог понять, почему максимальный зарядный ток всего 3А, ведь контроллеров то четыре, но приглядевшись, увидел не привычный 1,2Ком SMD резистор, а 1,6Ком. Причем во всех плечах стоит резистор 1,6Ком:
Напомню таблицу максимального зарядного тока в зависимости от номинала токозадающего резистора:
В нашем случае стоят резисторы по 1,6Ком для каждого контроллера, по 750ma на плечо. Следовательно, общий максимальный зарядный ток – 3А. Оно и к лучшему, меньше греется платка, да и 4А уже многовато. С другой стороны, если нужен зарядный ток 4А – меняем 4 резистора.
Регулировать общий зарядный ток подпайкой подстроечного/переменного резистора, скорее всего, не получится, ибо нужно задавать для каждого контроллера.
Итого, кому сложно или не хочет сам спаивать народные платки - неплохое решение проблемы.
Размеры платки:
Платка совсем небольшая, всего 65мм*15мм:
Вот сравнение с «народной» платой TP4056 на 1А, 18650 аккумулятором и холдером:
При необходимости можно откусить переднюю часть платы, на которую впаивается DC разъем и припаяться к контактам 5V+ или 5V-, либо напрямую к соответствующим дорожкам:
Так длина платки станет на 1 сантиметр короче. Ранее я уже переделывал народную платку, вот что получилось:
В нашем случае все просто до невозможности, ибо дорожки на печатной плате не страдают. Разумеется, кому необходим DC разъем – оставляем, либо подпаиваем его через провода к контактам 5V+ или 5V-. Разъемы microUSB и miniUSB здесь нежелательны, будут сильно греться, ибо не рассчитаны на такие токи. Да и незачем они, ибо в большинстве адаптерах стоит ограничение на 2,5А. Но с другой стороны, если адаптер не отключается при перегрузке, то мы экономим на дискретном блоке питания, ну и ток будет чуть меньше. Поэтому, решать вам…
Тестирование платки 4*TP4056 3A:
Теперь протестируем платку. Действительно ли она заряжает 3А? Для этого нам поможет ампервольтметр, который частенько мелькает в моих обзорах (замер тока заряда) и привычный мультиметр (замер напряжения на аккумуляторе). В качестве источника питания – импульсный БП S-30-5 на 5V/6A:
Как видим, заряд действительно идет постоянным током 3А (фаза СС), пока напряжение на банке не превысит 3,9V-3,95V, затем начинает плавно снижаться (начинается фаза CV). Как только напряжение на банке равняется 4,2V, цвет светодиода меняется на зеленый, означая, что заряд окончен. Хотя из-за инерционности ток продолжает еще течь:
После этого еще 10-15 минут ток снижается, при этом напряжение на аккуме 4,21V. Как только ток снизится до 150ма, контроллер полностью отключает заряд, напряжение на банке скидывается до 4,2V.
Практически «выжатую» банку Sanyo UR18650ZY 2600mah модуль зарядил за 75-80 минут. Ну что же, просто великолепно!
Небольшой пример сборки своего зарядника на 3А:
В качестве примера приведу пример постройки своего зарядного устройства из проверенных недорогих компонентов. Что нам для этого понадобится:1) Непосредственно сама обозреваемая плата TP4056* :
Нужен именно медный, а не омедненный. Определить легко – зачищаем ножом и если жилки начинают блестеть и не лудятся, значит, провод омедненный (алюминий покрытый медью). Рекомендую либо качественный акустический, либо бытовые, типа ШВВП.
5) Блок питания (БП) на 5V на 5-6A (с запасом). Я использовал БП S-30-5 на 5V/6A* :
Можно применить часто встречающийся БП на 12V на 2-3A, которые идут в комплекте к различным устройствам и понижающий DC-DC преобразователь на 5А (3А они стабильно держат). Но здесь есть пара минусов, ибо усложняется схема и повышается себестоимость зарядника. Поэтому, если нет в наличии подходящего БП, то используем БП компьютера. Дополнительная нагрузка в 15Вт ему не страшна, если, конечно, он и так не работает на пределе своих возможностей. Если есть в наличии свободный Molex разъем, то подцепить к нему переходник не составит труда. В таком случае нам нужны красный (+) и черный (-) провода.
Итак, с компонентами разобрались. Теперь непосредственно сборка:
Поскольку платка будет использоваться в другом устройстве и у меня уже есть хорошие высокотоковые зарядники, то самодельная зарядка мне не нужна, поэтому сборка, как говорится, на коленке (подпаивать разъемы я не буду):
Берем холдер для аккумулятора и вырезаем пластик на торцах для провода (на фото нижний паз):
Потом припаиваем питающие провода с разъемами или без них, в зависимости от того, какой вариант вы выбрали. Трехногий светодиод изгибаем по своему усмотрению, но чтобы не коротнуть его выводы – натягиваем на них изоляцию от любого провода:
Закрываем плату пластиковой крышкой от кабель-канала или аналогичным кожухом и заматываем всеми известной изолентой, :-). Получается довольно кустарно, но главное работает:
Контрольная проверка, все работает:
Я не стал припаивать разъемы, а подключил напрямую к БП. Я же рекомендую припаять соответствующий разъем, который выдержит длительное протекание тока 3А. На этом у меня все…
Плюсы:
- Надежная, проверенная годами элементная база;
- Высокий ток заряда;
- Возможность увеличения зарядного тока до 4А путем замены токозадающих резисторов;
- Небольшой размер;
- Простота монтажа и эксплуатации.
- Цена великовата;
- Платка не предназначена для зарядки последовательных сборок (2S, 3S, 4S и более не умеет);
- Требуется внешнее питание;
- Боится переполюсовки;
- Некоторая заторможенность последней фазы заряда (CV).
Вывод: полезная модификация
Оценка характеристик того или иного зарядного устройства затруднительна без понимания того, как собственно должен протекать образцовый заряд li-ion аккумулятора. Поэтому прежде чем перейти непосредственно к схемам, давайте немного вспомним теорию.
Какими бывают литиевые аккумуляторы
В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевого аккумулятора, существует их несколько разновидностей:
- с катодом из кобальтата лития;
- с катодом на основе литированного фосфата железа;
- на основе никель-кобальт-алюминия;
- на основе никель-кобальт-марганца.
У всех этих аккумуляторов имеются свои особенности, но так как для широкого потребителя эти нюансы не имеют принципиального значения, в этой статье они рассматриваться не будут.
Также все li-ion аккумуляторы производят в различных типоразмерах и форм-факторах. Они могут быть как в корпусном исполнении (например, популярные сегодня 18650) так и в ламинированном или призматическом исполнении (гель-полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметично запаянные пакеты из особой пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.
Наиболее распространенные типоразмеры li-ion аккумуляторов приведены в таблице ниже (все они имеют номинальное напряжение 3.7 вольта):
| Обозначение | Типоразмер | Схожий типоразмер |
|---|---|---|
| XXYY0
, где XX - указание диаметра в мм, YY - значение длины в мм, 0 - отражает исполнение в виде цилиндра |
10180 | 2/5 AAA |
| 10220 | 1/2 AAA (Ø соответствует ААА, но на половину длины) | |
| 10280 | ||
| 10430 | ААА | |
| 10440 | ААА | |
| 14250 | 1/2 AA | |
| 14270 | Ø АА, длина CR2 | |
| 14430 | Ø 14 мм (как у АА), но длина меньше | |
| 14500 | АА | |
| 14670 | ||
| 15266, 15270 | CR2 | |
| 16340 | CR123 | |
| 17500 | 150S/300S | |
| 17670 | 2xCR123 (или 168S/600S) | |
| 18350 | ||
| 18490 | ||
| 18500 | 2xCR123 (или 150A/300P) | |
| 18650 | 2xCR123 (или 168A/600P) | |
| 18700 | ||
| 22650 | ||
| 25500 | ||
| 26500 | С | |
| 26650 | ||
| 32650 | ||
| 33600 | D | |
| 42120 |
Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и исполнения АКБ, поэтому все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем литиевым аккумуляторам.
Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы
Наиболее правильным способом заряда литиевых аккумуляторов является заряд в два этапа. Именно этот способ использует компания Sony во всех своих зарядниках. Несмотря на более сложный контроллер заряда, это обеспечивает более полный заряд li-ion аккумуляторов, не снижая срока их службы.
Здесь речь идет о двухэтапном профиле заряда литиевых аккумуляторов, сокращенно именуемым CC/CV (constant current, constant voltage). Есть еще варианты с ипульсным и ступенчатым токами, но в данной статье они не рассматриваются. Подробнее про зарядку импульсным током можно прочитать .
Итак, рассмотрим оба этапа заряда подробнее.
1. На первом этапе должен обеспечиваться постоянный ток заряда. Величина тока составляет 0.2-0.5С. Для ускоренного заряда допускается увеличение тока до 0.5-1.0С (где С - это емкость аккумулятора).
Например, для аккумулятора емкостью 3000 мА/ч, номинальный ток заряда на первом этапе равен 600-1500 мА, а ток ускоренного заряда может лежать в пределах 1.5-3А.
Для обеспечения постоянного зарядного тока заданной величины, схема зарядного устройства (ЗУ) должна уметь поднимать напряжение на клеммах аккумулятора. По сути, на первом этапе ЗУ работает как классический стабилизатор тока.
Важно: если планируется заряд аккумуляторов со встроенной платой защиты (PCB), то при конструировании схемы ЗУ необходимо убедиться, что напряжение холостого хода схемы никогда не сможет превысить 6-7 вольт. В противном случае плата защиты может выйти из строя.
В момент, когда напряжение на аккумуляторе поднимется до значения 4.2 вольта, аккумулятор наберет приблизительно 70-80% своей емкости (конкретное значение емкости будет зависит от тока заряда: при ускоренном заряде будет чуть меньше, при номинальном - чуть больше). Этот момент является окончанием первого этапа заряда и служит сигналом для перехода ко второму (и последнему) этапу.
2. Второй этап заряда - это заряд аккумулятора постоянным напряжением, но постепенно снижающимся (падающим) током.
На этом этапе ЗУ поддерживает на аккумуляторе напряжение 4.15-4.25 вольта и контролирует значение тока.
По мере набора емкости, зарядный ток будет снижаться. Как только его значение уменьшится до 0.05-0.01С, процесс заряда считается оконченным.
Важным нюансом работы правильного зарядного устройства является его полное отключение от аккумулятора после окончания зарядки. Это связано с тем, что для литиевых аккумуляторов является крайне нежелательным их длительное нахождение под повышенным напряжением, которое обычно обеспечивает ЗУ (т.е. 4.18-4.24 вольта). Это приводит к ускоренной деградации химического состава аккумулятора и, как следствие снижению его емкости. Под длительным нахождением подразумевается десятки часов и более.
За время второго этапа заряда, аккумулятор успевает набрать еще примерно 0.1-0.15 своей емкости. Общий заряд аккумулятора таким образом достигает 90-95%, что является отличным показателем.
Мы рассмотрели два основных этапа заряда. Однако, освещение вопроса зарядки литиевых аккумуляторов было бы неполным, если бы не был упомянут еще один этап заряда - т.н. предзаряд.
Предварительный этап заряда (предзаряд) - этот этап используется только для глубоко разряженных аккумуляторов (ниже 2.5 В) для вывода их на нормальный эксплуатационный режим.
На этом этапе заряд обеспечивается постоянным током пониженной величины до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет значения 2.8 В.
Предварительный этап необходим для предотвращения вспучивания и разгерметизации (или даже взрыва с возгоранием) поврежденных аккумуляторов, имеющих, например, внутреннее короткое замыкание между электродами. Если через такой аккумулятор сразу пропустить большой ток заряда, это неминуемо приведет к его разогреву, а дальше как повезет.
Еще одна польза предзаряда - это предварительный прогрев аккумулятора, что актуально при заряде при низких температурах окружающей среды (в неотапливаемом помещении в холодное время года).
Интеллектуальная зарядка должна уметь контролировать напряжение на аккумуляторе во время предварительного этапа заряда и, в случае, если напряжение долгое время не поднимается, делать вывод о неисправности аккумулятора.
Все этапы заряда литий-ионного аккумулятора (включая этап предзаряда) схематично изображены на этом графике:
Превышение номинального зарядного напряжения на 0,15В может сократить срок службы аккумулятора вдвое. Понижение напряжения заряда на 0,1 вольт уменьшает емкость заряженной батареи примерно на 10%, но значительно продляет срок ее службы. Напряжение полностью заряженного аккумулятора после извлечения его из зарядного устройства составляет 4.1-4.15 вольта.
Резюмирую вышесказанное, обозначим основные тезисы:
1. Каким током заряжать li-ion аккумулятор (например, 18650 или любой другой)?
Ток будет зависеть от того, насколько быстро вы хотели бы его зарядить и может лежать в пределах от 0.2С до 1С.
Например, для аккумулятора типоразмера 18650 емкостью 3400 мА/ч, минимальный ток заряда составляет 680 мА, а максимальный - 3400 мА.
2. Сколько времени нужно заряжать, например, те же аккумуляторные батарейки 18650?
Время заряда напрямую зависит от тока заряда и рассчитывается по формуле:
T = С / I зар.
Например, время заряда нашего аккумулятора емкостью 3400 мА/ч током в 1А составит около 3.5 часов.
3. Как правильно зарядить литий-полимерный аккумулятор?
Любые литиевые аккумуляторы заряжаются одинаково. Не важно, литий-полимерный он или литий-ионный. Для нас, потребителей, никакой разницы нет.
Что такое плата защиты?
Плата защиты (или PCB - power control board) предназначена для защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда литиевой батареи. Как правило в модули защиты также встроена и защита от перегрева.
В целях соблюдения техники безопасности запрещено использование литиевых аккумуляторов в бытовых приборах, если в них не встроена плата защиты. Поэтому во всех аккумуляторах от сотовых телефонов всегда есть PCB-плата. Выходные клеммы АКБ размещены прямо на плате:
В этих платах используется шестиногий контроллер заряда на специализированной микрухе (JW01, JW11, K091, G2J, G3J, S8210, S8261, NE57600 и пр. аналоги). Задачей этого контроллера является отключение батареи от нагрузки при полном разряде батареи и отключение аккумулятора от зарядки при достижении 4,25В.
Вот, например, схема платы защиты от аккумулятора BP-6M, которыми снабжались старые нокиевские телефоны:
Если говорить об 18650, то они могут выпускаться как с платой защиты так и без нее. Модуль защиты располагается в районе минусовой клеммы аккумулятора.
Плата увеличивает длину аккумулятора на 2-3 мм.
Аккумуляторы без PCB-модуля обычно входят в состав батарей, комплектуемых собственными схемами защиты.
Любой аккумулятор с защитой легко превращается в аккумулятор без защиты, достаточно просто распотрошить его.
На сегодняшний день максимальная емкость аккумулятора 18650 составляет 3400 мА/ч. Аккумуляторы с защитой обязательно имеют соответствующее обозначение на корпусе ("Protected").
Не стоит путать PCB-плату с PCM-модулем (PCM - power charge module). Если первые служат только целям защиты аккумулятора, то вторые предназначены для управления процессом заряда - ограничивают ток заряда на заданном уровне, контролируют температуру и, вообще, обеспечивают весь процесс. PCM-плата - это и есть то, что мы называем контроллером заряда.
Надеюсь, теперь не осталось вопросов, как зарядить аккумулятор 18650 или любой другой литиевый? Тогда переходим к небольшой подборке готовых схемотехнических решений зарядных устройств (тех самых контроллеров заряда).
Схемы зарядок li-ion аккумуляторов
Все схемы подходят для зарядки любого литиевого аккумулятора, остается только определиться с зарядным током и элементной базой.
LM317
Схема простого зарядного устройства на основе микросхемы LM317 с индикатором заряда:
Схема простейшая, вся настройка сводится к установке выходного напряжения 4.2 вольта с помощью подстроечного резистора R8 (без подключенного аккумулятора!) и установке тока заряда путем подбора резисторов R4, R6. Мощность резистора R1 - не менее 1 Ватт.
Как только погаснет светодиод, процесс заряда можно считать оконченным (зарядный ток до нуля никогда не уменьшится). Не рекомендуется долго держать аккумулятор в этой зарядке после того, как он полностью зарядится.
Микросхема lm317 широко применяется в различных стабилизаторах напряжения и тока (в зависимости от схемы включения). Продается на каждом углу и стоит вообще копейки (можно взять 10 шт. всего за 55 рублей).
LM317 бывает в разных корпусах:
Назначение выводов (цоколевка):
Аналогами микросхемы LM317 являются: GL317, SG31, SG317, UC317T, ECG1900, LM31MDT, SP900, КР142ЕН12, КР1157ЕН1 (последние два - отечественного производства).
Зарядный ток можно увеличить до 3А, если вместо LM317 взять LM350. Она, правда, подороже будет - 11 руб/шт .
Печатная плата и схема в сборе приведены ниже:
Старый советский транзистор КТ361 можно заменить на аналогичный p-n-p транзистор (например, КТ3107, КТ3108 или буржуйские 2N5086, 2SA733, BC308A). Его можно вообще убрать, если индикатор заряда не нужен.
Недостаток схемы: напряжение питания должно быть в пределах 8-12В. Это связано с тем, что для нормальной работы микросхемы LM317 разница между напряжением на аккумуляторе и напряжением питания должна быть не менее 4.25 Вольт. Таким образом, от USB-порта запитать не получится.
MAX1555 или MAX1551
MAX1551/MAX1555 - специализированные зарядные устройства для Li+ аккумуляторов, способные работать от USB или от отдельного адаптера питания (например, зарядника от телефона).
Единственное отличие этих микросхем - МАХ1555 выдает сигнал для индикатора процесса заряда, а МАХ1551 - сигнал того, что питание включено. Т.е. 1555 в большинстве случаев все-таки предпочтительнее, поэтому 1551 сейчас уже трудно найти в продаже.
Подробное описание этих микросхем от производителя - .
Максимальное входное напряжение от DC-адаптера - 7 В, при питании от USB - 6 В. При снижении напряжения питания до 3.52 В, микросхема отключается и заряд прекращается.
Микросхема сама детектирует на каком входе присутствует напряжение питания и подключается к нему. Если питание идет по ЮСБ-шине, то максимальный ток заряда ограничивается 100 мА - это позволяет втыкать зарядник в USB-порт любого компьютера, не опасаясь сжечь южный мост.
При питании от отдельного блока питания, типовое значение зарядного тока составляет 280 мА.
В микросхемы встроена защита от перегрева. Но даже в этом случае схема продолжает работать, уменьшая ток заряда на 17 мА на каждый градус выше 110°C.
Имеется функция предварительного заряда (см. выше): до тех пор пока напряжение на аккумуляторе находится ниже 3В, микросхема ограничивает ток заряда на уровне 40 мА.
Микросхема имеет 5 выводов. Вот типовая схема включения:
Если есть гарантия, что на выходе вашего адаптера напряжение ни при каких обстоятельствах не сможет превысить 7 вольт, то можно обойтись без стабилизатора 7805.
Вариант зарядки от USB можно собрать, например, на такой .
Микросхемы не нуждается ни во внешних диодах, ни во внешних транзисторах. Вообще, конечно, шикарные микрухи! Только они маленькие слишком, паять неудобно. И еще стоят дорого ().
LP2951
Стабилизатор LP2951 производится фирмой National Semiconductors (). Он обеспечивает реализацию встроенной функции ограничения тока и позволяет формировать на выходе схемы стабильный уровень напряжения заряда литий-ионного аккумулятора.
Величина напряжения заряда составляет 4,08 - 4,26 вольта и выставляется резистором R3 при отключенном аккумуляторе. Напряжение держится очень точно.
Ток заряда составляет 150 - 300мА, это значение ограничено внутренними цепями микросхемы LP2951 (зависит от производителя).
Диод применять с небольшим обратным током. Например, он может быть любым из серии 1N400X, какой удастся приобрести. Диод используется, как блокировочный, для предотвращения обратного тока от аккумулятора в микросхему LP2951 при отключении входного напряжения.
Данная зарядка выдает довольно низкий зарядный ток, так что какой-нибудь аккумулятор 18650 может заряжаться всю ночь.
Микросхему можно купить как в DIP-корпусе , так и в корпусе SOIC (стоимость около 10 рублей за штучку).
MCP73831
Микросхема позволяет создавать правильные зарядные устройства, к тому же она дешевле, чем раскрученная MAX1555.
Типовая схема включения взята из :
Важным достоинством схемы является отсутствие низкоомных мощных резисторов, ограничивающих ток заряда. Здесь ток задается резистором, подключенным к 5-ому выводу микросхемы. Его сопротивление должно лежать в диапазоне 2-10 кОм.
Зарядка в сборе выглядит так:
Микросхема в процессе работы неплохо так нагревается, но это ей вроде не мешает. Свою функцию выполняет.
Вот еще один вариант печатной платы с smd светодиодом и разъемом микро-USB:
LTC4054 (STC4054)
Очень простая схема, отличный вариант! Позволяет заряжать током до 800 мА (см. ). Правда, она имеет свойство сильно нагреваться, но в этом случае встроенная защита от перегрева снижает ток.
Схему можно существенно упростить, выкинув один или даже оба светодиодов с транзистором. Тогда она будет выглядеть вот так (согласитесь, проще некуда: пара резисторов и один кондер):
Один из вариантов печатной платы доступен по . Плата рассчитана под элементы типоразмера 0805.
I=1000/R . Сразу большой ток выставлять не стоит, сначала посмотрите, насколько сильно будет греться микросхема. Я для своих целей взял резистор на 2.7 кОм, при этом ток заряда получился около 360 мА.
Радиатор к этой микросхеме вряд ли получится приспособить, да и не факт, что он будет эффективен из-за высокого теплового сопротивления перехода кристалл-корпус. Производитель рекомендует делать теплоотвод "через выводы" - делать как можно более толстые дорожки и оставлять фольгу под корпусом микросхемы. И вообще, чем больше будет оставлено "земляной" фольги, тем лучше.
Кстати говоря, бОльшая часть тепла отводится через 3-ю ногу, так что можно сделать эту дорожку очень широкой и толстой (залить ее избыточным количеством припоя).
Корпус микросхемы LTC4054 может иметь маркировку LTH7 или LTADY.
LTH7 от LTADY отличаются тем, что первая может поднять сильно севший аккумулятор (на котором напряжение меньше 2.9 вольт), а вторая - нет (нужно отдельно раскачивать).
Микросхема вышла очень удачной, поэтому имеет кучу аналогов: STC4054, MCP73831, TB4054, QX4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051. Прежде, чем использовать какой-либо из аналогов, сверяйтесь по даташитам.
TP4056
Микросхема выполнена в корпусе SOP-8 (см. ), имеет на брюхе металлический теплосьемник не соединенный с контактами, что позволяет эффективнее отводить тепло. Позволяет заряжать аккумулятор током до 1А (ток зависит от токозадающего резистора).
Схема подключения требует самый минимум навесных элементов:
Схема реализует классический процесс заряда - сначала заряд постоянным током, затем постоянным напряжением и падающим током. Все по-научному. Если разобрать зарядку по шагам, то можно выделить несколько этапов:
- Контроль напряжения подключенного аккумулятора (это происходит постоянно).
- Этап предзаряда (если аккумулятор разряжен ниже 2.9 В). Заряд током 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2 кОм) до уровня 2.9 В.
- Зарядка максимальным током постоянной величины (1000мА при R prog = 1.2 кОм);
- При достижении на батарее 4.2 В, напряжение на батарее фиксируется на этому уровне. Начинается плавное снижение зарядного тока.
- При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2кОм) зарядное устройство отключается.
- После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора (см. п.1). Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 мкА. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова. И так по кругу.
Ток заряда (в амперах) рассчитывается по формуле I=1200/R prog . Допустимый максимум - 1000 мА.
Реальный тест зарядки с аккумулятором 18650 на 3400 мА/ч показан на графике:
Достоинство микросхемы в том, что ток заряда задается всего лишь одним резистором. Не требуются мощные низкоомные резисторы. Плюс имеется индикатор процесса заряда, а также индикация окончания зарядки. При неподключенном аккумуляторе, индикатор моргает с периодичностью раз в несколько секунд.
Напряжение питания схемы должно лежать в пределах 4.5...8 вольт. Чем ближе к 4.5В - тем лучше (так чип меньше греется).
Первая нога используется для подключения датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею (обычно это средний вывод аккумулятора сотового телефона). Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостанавливается. Если контроль температуры вам не нужен, просто посадите эту ногу на землю.
Внимание! У данной схемы есть один существенный недостаток: отсутствие схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выгорает из строя из-за превышения максимального тока. При этом напряжение питания схемы напрямую попадает на аккумулятор, что очень опасно.
Печатка простая, делается за час на коленке. Если время терпит, можно заказать готовые модули. Некоторые производители готовых модулей добавляют защиту от перегрузки по току и переразряда ( , например, можно выбрать какая плата вам нужна - с защитой или без, и с каким разъемом).
Так же можно найти готовые платы с выведенным контактом под температурный датчик. Или даже модуль зарядки с несколькими запараллеленными микросхемами TP4056 для увеличения зарядного тока и с защитой от переполюсовки (пример).
LTC1734
Тоже очень простая схема. Ток заряда задается резистором R prog (например, если поставить резистор на 3 кОм, ток будет равен 500 мА).
Микросхемы обычно имеют маркировку на корпусе: LTRG (их можно часто встретить в старых телефонах от самсунгов).
Транзистор подойдет вообще любой p-n-p, главное, чтобы он был рассчитан на заданный ток зарядки.
Индикатора заряда на указанной схеме нет, но в на LTC1734 сказано, что вывод "4" (Prog) имеет две функции - установку тока и контроль окончания заряда батареи. Для примера приведена схема с контролем окончания заряда при помощи компаратора LT1716.
Компаратор LT1716 в данном случае можно заменить дешевым LM358.
TL431 + транзистор
Наверное, сложно придумать схему из более доступных компонентов. Здесь самое сложное - это найти источник опорного напряжение TL431. Но они настолько распространены, что встречаются практически повсюду (редко какой источник питания обходится без этой микросхемы).
Ну а транзистор TIP41 можно заменить любым другим с подходящим током коллектора. Подойдут даже старые советские КТ819, КТ805 (или менее мощные КТ815, КТ817).
Настройка схемы сводится к установке выходного напряжения (без аккумулятора!!!) с помощью подстроечного резистора на уровне 4.2 вольта. Резистор R1 задает максимальное значение зарядного тока.
Данная схема полноценно реализует двухэтапный процесс заряда литиевых аккумуляторов - сначала зарядка постоянным током, затем переход к фазе стабилизации напряжения и плавное снижение тока практически до нуля. Единственный недостаток - плохая повторяемость схемы (капризна в настройке и требовательна к используемым компонентам).
MCP73812
Есть еще одна незаслуженно обделенная вниманием микросхема от компании Microchip - MCP73812 (см. ). На ее базе получается очень бюджетный вариант зарядки (и недорогой!). Весь обвес - всего один резистор!
Кстати, микросхема выполнена в удобном для пайки корпусе - SOT23-5.
Единственный минус - сильно греется и нет индикации заряда. Еще она как-то не очень надежно работает, если у вас маломощный источник питания (который дает просадку напряжения).
В общем, если для вас индикация заряда не важна, и ток в 500 мА вас устраивает, то МСР73812 - очень неплохой вариант.
NCP1835
Предлагается полностью интегрированное решение - NCP1835B, обеспечивающее высокую стабильность зарядного напряжения (4.2 ±0.05 В).
Пожалуй, единственным недостатком данной микросхемы является ее слишком миниатюрный размер (корпус DFN-10, размер 3х3 мм). Не каждому под силу обеспечить качественную пайку таких миниатюрных элементов.
Из неоспоримых преимуществ хотелось бы отметить следующее:
- Минимальное количество деталей обвеса.
- Возможность зарядки полностью разряженной батареи (предзаряд током 30мА);
- Определение окончания зарядки.
- Программируемый зарядный ток - до 1000 мА.
- Индикация заряда и ошибок (способна детектировать незаряжаемые батарейки и сигнализировать об этом).
- Защита от продолжительного заряда (изменяя емкость конденсатора С т, можно задать максимальное время заряда от 6,6 до 784 минут).
Стоимость микросхемы не то чтобы копеечная, но и не настолько большая (~1$), чтобы отказаться от ее применения. Если вы дружите с паяльником, я бы порекомендовал остановить свой выбор на этом варианте.
Более подробное описание находится в .
Можно ли заряжать литий-ионный аккумулятор без контроллера?
Да, можно. Однако это потребует плотного контроля за зарядным током и напряжением.
Вообще, зарядить АКБ, к примеру, наш 18650 совсем без зарядного устройства не получится. Все равно нужно как-то ограничивать максимальный ток заряда, так что хотя бы самое примитивное ЗУ, но все же потребуется.
Самое простейшее зарядное устройство для любого литиевого аккумулятора - это резистор, включенный последовательно с аккумулятором:
Сопротивление и мощность рассеяния резистора зависят от напряжения источника питания, который будет использоваться для зарядки.
Давайте в качестве примера, рассчитаем резистор для блока питания напряжением 5 Вольт. Заряжать будем аккумулятор 18650, емкостью 2400 мА/ч.
Итак, в самом начале зарядки падение напряжение на резисторе будет составлять:
U r = 5 - 2.8 = 2.2 Вольта
Предположим, наш 5-вольтовый блок питания рассчитан на максимальный ток 1А. Самый большой ток схема будет потреблять в самом начале заряда, когда напряжение на аккумуляторе минимально и составляет 2.7-2.8 Вольта.
Внимание: в данных расчетах не учитывается вероятность того, что аккумулятор может быть очень глубоко разряжен и напряжение на нем может быть гораздо ниже, вплоть до нуля.
Таким образом, сопротивление резистора, необходимое для ограничения тока в самом начале заряда на уровне 1 Ампера, должно составлять:
R = U / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ом
Мощность рассеивания резистора:
P r = I 2 R = 1*1*2.2 = 2.2 Вт
В самом конце заряда аккумулятора, когда напряжение на нем приблизится к 4.2 В, ток заряда будет составлять:
I зар = (U ип - 4.2) / R = (5 - 4.2) / 2.2 = 0.3 А
Т.е., как мы видим, все значения не выходят за рамки допустимых для данного аккумулятора: начальный ток не превышает максимально допустимый ток заряда для данного аккумулятора (2.4 А), а конечный ток превышает ток, при котором аккумулятор уже перестает набирать емкость (0.24 А).
Самый главный недостаток такой зарядки состоит в необходимости постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе. И вручную отключить заряд, как только напряжение достигнет 4.2 Вольта. Дело в том, что литиевые аккумуляторы очень плохо переносят даже кратковременное перенапряжение - электродные массы начинают быстро деградировать, что неминуемо приводит к потери емкости. Одновременно с этим создаются все предпосылки для перегрева и разгерметизации.
Если в ваш аккумулятор встроена плата защиты, о которых речь шла чуть выше, то все упрощается. По достижении определенного напряжение на аккумуляторе, плата сама отключит его от зарядного устройства. Однако такой способ зарядки имеет существенные минусы, о которых мы рассказывали в .
Защита, встроенная в аккумулятор не позволит его перезарядить ни при каких обстоятельствах. Все, что вам остается сделать, это проконтролировать ток заряда, чтобы он не превысил допустимые значения для данного аккумулятора (платы защиты не умеют ограничивать ток заряда, к сожалению).
Зарядка при помощи лабораторного блока питания
Если в вашем распоряжении имеется блок питания с защитой (ограничением) по току, то вы спасены! Такой источник питания уже является полноценным зарядным устройством, реализующим правильный профиль заряда, о котором мы писали выше (СС/СV).
Все, что нужно сделать для зарядки li-ion - это выставить на блоке питания 4.2 вольта и установить желаемое ограничение по току. И можно подключать аккумулятор.
Вначале, когда аккумулятор еще разряжен, лабораторный блок питания будет работать в режиме защиты по току (т.е. будет стабилизировать выходной ток на заданном уровне). Затем, когда напряжение на банке поднимется до установленных 4.2В, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения, а ток при этом начнет падать.
Когда ток упадет до 0.05-0.1С, аккумулятор можно считать полностью заряженным.
Как видите, лабораторный БП - практически идеальное зарядное устройство! Единственное, что он не умеет делать автоматически, это принимать решение о полной зарядке аккумулятора и отключаться. Но это мелочь, на которую даже не стоит обращать внимания.
Как заряжать литиевые батарейки?
И если мы говорим об одноразовой батарейке, не предназначенной для перезарядки, то правильный (и единственно верный) ответ на этот вопрос - НИКАК.
Дело в том, что любая литиевая батарейка (например, распространенная CR2032 в виде плоской таблетки) характеризуется наличием внутреннего пассивирующего слоя, которым покрыт литиевый анод. Этот слой предотвращает химическую реакцию анода с электролитом. А подача стороннего тока разрушает вышеуказанный защитный слой, приводя к порче элемента питания.
Кстати, если говорить о незаряжаемой батарейке CR2032, то есть очень похожая на нее LIR2032 - это уже полноценный аккумулятор. Ее можно и нужно заряжать. Только у нее напряжение не 3, а 3.6В.
О том же, как заряжать литиевые аккумуляторы (будь то аккумулятор телефона, 18650 или любой другой li-ion аккумулятор) шла речь в начале статьи.
Это, небольших размеров плата содержит контроллер заряда Li-Ion аккумуляторов TP4056 (Datasheet) Микросхема имеет индикацию процесса заряда и сама отключает аккумулятор при достижении напряжения на нем 4,2 В.
Судя по схеме из даташита, микросхема имеет вход для подключения терморезистора АКБ. Но на плате первая ножка микросхемы сидит на земле и для подключения аккумулятора доступны только выводы питания.
Ток заряда зависит от номинала резситора Rprog на 2 ножке микросхемы. На плате которая пришла ко мне стоит резистор 1,2 кОм. Что, судя по таблице из даташита, соответствует току заряда 1000мА
При таком токе, мой подсевший аккумулятор (от Nokia что на фото) зарядился примерно за час с начального напряжения 3,4 до 4,19 Вольт. На вход зарядника подавал 5 вольт от USB компьютера.
Пощупал, ничего не нагрелось. Боялся что при максимальном токе будет нагреваться аккумулятор, тем более что обратная связь отсутствует. Но ничего, обошлось. При первом запуске ничего не взорвалось и не грелось за все вермя работы:)
В общем по впечатлениям контроллер понравился, и в первую очередь ценой. За 1$ получаем полноценный контроллер с индикацией и в готовом исполнении, удобном для применения в своих проектах.
Описание нового модуля
Micro USB модуль - зарядное литий - ионных и литий - полимерных аккумуляторов с номинальным зарядным током 1,0А и защитой по току для построения портативных POWERBANK
Устройство собрано на специализированной микросхеме TP4056. Это завершенное изделие с линейным зарядом по принципу постоянное напряжение / постоянный ток для одноэлементных литий-ионных аккумуляторов.
Перестройка тока заряда возможна с помощью замены программного резистора R3 на плате модуля резистором, выбранным согласно представленной ниже таблице:
Возможно параллельное подключение аккумуляторов к зарядному устройству.
Микросхема имеет индикацию заряда и сама отключает аккумулятор при достижении напряжения 4.20В. Также на плате расположена защита по току при питании от неё через выход устройства. Защита собрана на микросхеме DW01-P (One Cell Lithium-ion/Polymer Battery Protection IC).
Применены следующие режимы защиты:
1. Защита от перезаряда. Превышение максимально допустимого напряжения заряда на аккумуляторе.
2. Защита от переразряда. Разряд аккумулятора ниже минимально допустимого напряжения.
3. Защита от перегрузки по току. Превышение максимального разрядного тока аккумулятора.
Восстановление цепи заряда / разряда аккумулятора после срабатывания защит происходит автоматически.
Индикаторы: красный - заряд, зелёный (голубой) - батарея заряжена.
Батарея подключается к выходам "B+", "B-". Нагрузка к выходам "OUT+", "OUT-". Входное напряжение помимо интерфейса USB может подаваться на выводы "+" и "-".
Возможно подключение повышающего преобразователя на выход устройства, как показано на рисунке:
Метод заряда: линейный
Зарядный ток: 1,0А
Отклонение зарядного напряжения: не более 1,5%
Входное напряжение: постоянное 4,5 - 5,5В
Напряжение полного заряда: 4,0 - 4,1В
Напряжение полного разряда: 2,9 - 3,1В
Защиты:
Порог защиты от перезаряда: 4,2 - 4,3В
Порог защиты от переразряда: 2,3 - 2,5В
Порог защиты по току разряда: 3,0А
Входной интерфейс: Micro USB
Рабочая температура: -10°C - +85°C
Габариты (ШхГхВ): 26х17х3(мм)
Вес: 3г
R5 C2 — фильтр цепи питания DW01A. Через него также осуществляется контроль напряжения на аккумуляторе.
R6 — нужен для защиты от переполюсовки зарядки. Через него также измеряется падение напряжения на ключах для нормальной работы защиты.
Красный светодиод — индикация процесса заряда аккумулятора
Синий светодиод — индикация окончания заряда аккумулятора
Переполюсовку аккумулятора плата выдерживает лишь кратковременно — быстро перегревается ключ FS8205A. Сами по себе FS8205A и DW01A переполюсовки аккумулятора не боятся из-за наличия токоограничивающих резисторов, но из-за подключения TP4056 ток переполюсовки начинает течь через него.
При напряжении аккумулятора 4,0V, измеренное полное сопротивление ключа 0,052 Ом
При напряжении аккумулятора 3,0V, измеренное полное сопротивление ключа 0,055 Ом
Защита от токовой перегрузки — двухступенчатая и срабатывает, если:
— ток нагрузки превышает 27А в течение 3мкс
— ток нагрузки превышает 3А в течение 10мс
Информация рассчитана по формулам из спецификации, реально это не проверить.
Длительный максимальный ток отдачи получился около 2,5А, при этом ключ заметно нагревается, т. к. на нём теряется 0,32Вт.
Защита от переразряда аккумулятора срабатывает при напряжении 2,39В — маловато будет, не всякий аккумулятор можно безопасно разряжать до такого низкого напряжения.
Попробовал приспособить эту платку в старую маленькую простейшую детскую радиоуправляемую машинку вместе со старыми аккумуляторами 18500 из ноутбука в сборке 1S2P mysku. ru/blog/aliexpress/29476.html
Машинка питалась от 3-х батареек АА, т. к. аккумуляторы 18500 значительно толще их, крышку батарейного отсека пришлось снять, перегородки выкусить, а аккумуляторы приклеить. По толщине они получились заподлицо с днищем.
Вся история началась с того, что только что купленный карманный роутер Hame R1 (благодаря обзору отсюда, можете почитать его ) приказал долго жить. Если точнее, вышла из строя микросхема зарядки. Как я справился с этой проблемой и в итоге получил большую функциональность, нежели была изначально, можно прочитать под катом.
Много фото, а также ковыряния паяльником.
Если что, я предупредил =)
Заранее извиняюсь за неказистость и качество фотографий.
Ну что, поехали!
После недели использования Hame R1 начал странно себя вести: после конца зарядки постоянно горел индикатор зарядки и постоянно кушались 0.35A от аккумулятора. Вскрытие показало, что греется вот этот модуль: 
(выпаян и лежит рядом))
Поиск в гугле по маркировке ничего не дал, а беглое тыкание щупами по выводам микросхемы дало понять, что скорее всего это и есть микросхема заряда.
Тут на помощь и пришёл сабж, заказанный до кучи с фасттеча.
Девайс простой и незатейливый. Основан на микросхеме TP4056, на ней же, кстати говоря, построена зарядная часть всеми любимой народной зарядки ml102 пятой версии.
Ток заряда задаётся резистором R4, по умолчанию впаян резистор на 1.2KОм, что соответствует току заряда в CC в 1А.
При желании, для батарей малой ёмкости, ток можно (и нужно!) уменьшить. Соотношение тока и необходимого сопротивления можно найти под спройлером.
Дополнительная информация
RPROG(k)IBAT (mA)
30 50
20 70
10 130
5 250
4 300
3 400
2 580
1.66 690
1.5 780
1.33 900
1.2 1000
На сабже имеется два индикаторных светодиода. Красный горит во время зарядки, а зелёный после её завершения.
Также на плате присутствует разъём miniUSB, так что можно подключать и пользоваться, но не в нашем случае. Плата такого размера просто не влезет в корпус роутера.
Так что я открыл Eagle и принялся за дело.
Спустя полчаса схема девайса была готова, а вскоре и разводка дорожек:
Разводил схему без разъёмов и чего бы то ни было ещё. Максимально компактно, чтобы можно было встроить девайс куда угодно.
Дальше был ЛУТ, травление, нанесение паяльной маски. Кому интересно - можете посмотреть небольшой фотоотчёт под спойлером.
PCB за одну ночь
Печатаем схему на специальной китайской бумаге, зачищаем текстолит:
После этого переносим утюгом тоннер на текстолит и травим.
Я травлю в перекиси водорода. (100мл перекиси (50град C) + 20г лимонной кислоты + 5г соли)
Пока плата травится готовим трафарет для паяльной маски. Специальной плёнки для печати у меня нет, поэтому я обхожусь плёнкой для ламинирования.
А вот и плата протравилась:
После нанесения паяльной маски:
Пролудим выводы:
Ну и наконец перенесём компоненты с сабжа на нашу плату:
Проверим работоспособность:
Всё работает!
Схема для Eagle:
Ну вот, плата готова. Теперь стал другой вопрос. В ходе тестирования выяснилось, что при таком зарядном токе микросхема нехило греется:
84грС после 2.5 минут работы это ппц. При встраивании модуля в девайс придётся это учитывать.
Подготавливаем место для зарядки над разъёмом RJ45:
Подпаиваемся к + выхожу с разъёма microUSB роутера
А также + от аккумулятора, и землю (синий провод) около кнопки reset.
Так я решил вопрос с перегревом:
Устанавливаем модуль на посадочное место и закрепляем его термоклеем:
Для безопасности между радиатором и микросхемой вставляем специальную термопрокладку:
Наносим термопасту, устанавливаем радиатор и приклеиваем его суперклеем к ребру корпуса (при этом хорошенько его прижимаем вниз)
Не забываем сделать два отверстия в корпусе для индикаторов заряда.
Последний взгляд перед сборкой:
На этом всё!
или…
Вот конечные фото с демонстрацией работы:
Как можете заметить, девайс не потерял товарного вида, а главное только набрал функциональности! Теперь после окончания заряда индикатор не просто тупо гаснет, а горит добрый зелёный светодиод.
Вот теперь уж точно всё. Будут вопросы - с радостью отвечу.
Всем бобра! =)
UPD:
Благодаря пользователю с ником turbopascal007
, было выяснено, что за микросхема была установлена в моём роутере. Он не поленился и разобрал свой, после чего прислал мне его маркировку. По EMC5755 гугл без проблём выдаёт даташит, в отличие от установленного у меня C2C37. Так что у кого возникнет такая же проблема - можете просто её заменить.
