Как сделать высокоточное зарядное устройство с индикацией для аккумулятора 3,7 В
Как известно, литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к напряжению перезарядки и запросто выходят из строя даже при небольшом отклонении. Чтобы этого избежать нужен точный зарядник. Простая схема зарядного устройства удобна в использовании, не содержит дефицитных деталей, имеет четкий порог срабатывания и индикацию состояния. Высокая точность достигается благодаря использованию микросхемы-стабилизатора «TL431».
Необходимые детали
- Транзистор IRFZ44N — http://alii.pub/5ct567
- Микросхема-стабилизатор TL431 — http://alii.pub/5mclsi
- Два светодиода — http://alii.pub/5lag4f
- Резисторы: 4,7 кОм, 15 кОм, 1 кОм, 5,6 кОм, 220 Ом — http://alii.pub/5h6ouv
Схема зарядного устройства
На транзисторе «Q1» построен ключ, коммутирующий аккумулятор с источником питания. На микросхеме «U1» собран логический, пороговый стабилизатор. При помощи светодиодов отображается индикация состояния. Резистором «R4» можно подобрать точный уровень срабатывания. Вместо него можно установить подстроечный резистор.
Изготовление зарядного устройства для литий-ионного аккумулятора 3,7 В
Схема не имеет платы и спаивается навесным монтажем. В роли перемычек используется одножильный медный провод. Слева припаиваются провода от блока питания 5 В (зарядник от смартфона). Справа — провода от бокса аккумулятора.
Устанавливаем аккумулятор 18650 в бокс. Подключаем схему к блоку по средствам USB разъема. Горит красный светодиод, индицирующий протекание тока зарядки.
Через определенное время, когда зарядка АКБ будет закончена, транзистор закроется и загорится зеленый светодиод, указывающий о полном заряде батареи.
Зарядка литий-ионных аккумуляторов 18650 своими руками
Для зарядки Li-ion аккумуляторов 18650 и других типоразмеров важно использовать надежные и походящие им зарядные устройства. Используемое ЗУ должно выдавать подходящий ток зарядки и работать в режиме CC/CV, без излишнего заряда и токовых перегрузок.
Купить готовое устройство с нужными параметрами – проще и надежнее, чем собирать зарядку для литий-ионных аккумуляторов 18650 своими руками. Но такая возможность есть, и самостоятельно сделать зарядник по простой схеме может каждый электронщик.
Подготовка
Для создания зарядного устройства для аккумулятора 18650 своими руками пригодятся:
- модуль на базе чипа TP4056, а именно вариант со схемой защиты – для отслеживания напряжения при помощи компонентов DW01A и FS8205A;
- блок питания с вольтажом 12 В и током 2 А;
- SPST-выключатель с 2 выводами;
- блок питания на 5 В или вместо него стабилизатор 7805 и 4 конденсатора на 100 нФ;
- отсек для цилиндрического Li-ion элемента со стандартными параметрами 18х65 мм;
- печатная плата;
- разъем питания;
- паяльник для сборки элементов по схеме;
- пластиковая коробочка с ориентировочными размерами 8 см х7 см х 3 см;
- клей для фиксации компонентов;
- горячий нож для резки пластика;
- винты, отвертка для завинчивания крышки.
Алгоритм зарядки Li-ion аккумуляторов
Для Li-ion элементов характерно линейное изменение тока и напряжения. Поэтому для восполнения их заряда через USB или обычный блок питания отлично подходит модуль с чипом TP4056. О протекании процесса зарядки сообщают диоды. Безопасное восполнение заряда ведется при стабильном токе 0,2–0,7С. Когда Uвых достигает 4,2 В, начинается зарядка при U=const с плавным снижением тока до 10% от его исходного значения.
Зарядный ток регулирует резистор, соединенный с выводом PROG. Продаваемые модули этой конфигурации обычно имеют резистор на 1,2 кОм и обеспечивают зарядный ток 1 А. Для подзарядки достаточно подать на входной разъем напряжение 4–8 В и соединить «плюс » и «минус » заряжаемой «банки » с контактами модуля TP4056.
Сборка зарядки для литиевого аккумулятора 18650 по схеме
Для завершения сборки электрокомпонентов нужно спаять их согласно схеме:
- Положительный контакт разъема питания соединить с произвольным контактом выключателя, а отрицательный – с выводом GND стабилизатора.
- Свободный контакт выключателя объединить с выводом Vin стабилизатора.
- На макетной плате в диапазоне между Vin и GND выводами поместить параллельно 3 конденсатора.
- Между точками Vout и GND поставить оставшийся 1 конденсатор.
- Соединить выводы Vout и IN+, GND и IN-.
- Положительный контакт аккумуляторного отсека свести с выводом B+, а отрицательный – с В-.
При использовании вместо стабилизатора и конденсаторов 5–вольтного блока питания сделать самому зарядку 18650 еще проще. Нужно просто подключить полюса блока питания к выводам IN+ и IN- модуля TP4056. По окончании пайки остается поместить собранную схему в пластиковый корпус. По заранее прочерченным линиям при помощи горячего ножа в нем нужно сделать окошки для компактного размещения всех компонентов: USB-порта, диодов, выключателя и разъема.
Все компоненты размещаются в самодельном корпусе. Аккумуляторный отсек крепится термоклеем. Модуль TP4056 устанавливается так, чтобы диоды и USB разъем попали в подготовленные под них прорези, и приклеиваются. В конце размещаются и фиксируются клеем стабилизатор, разъем и выключатель. Затем остается привинтить крышку и зашлифовать наждачкой края окошек. Аналогично можно сделать своими руками и зарядку для трех 18650 аккумуляторов, используя соответствующую схему.
Самодельное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов
Все аккумуляторы, в отличие от батареек, используются в циклическом режиме – отдают накопленную энергию приборам, а затем восполняют ее в процессе подзарядки от электросети. Поэтому при покупке Li-ion аккумуляторов необходимо приобрести подходящее для них ЗУ. При желании, несложно собрать зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками.
Компоненты и принадлежности для сборки ЗУ
Чтобы собрать самодельное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 18650 при минимуме затрат, достаточно приготовить:
- пластиковый бокс с примерными размерами 80х70х30 мм;
- клеевой пистолет и стержни;
- горячий нож;
- паяльник с припоем;
- винтики и отвертку;
- защищенный модуль TP4056 (подробнее о его выборе – в следующем подразделе);
- аккумуляторный отсек под 1 цилиндрический аккумулятор с размерами 18х65 мм;
- печатную плату;
- 5-вольтный блок питания или альтернативный вариант – 4 конденсатора 100 нФ и стабилизатор напряжения 7805;
- блок питания с характеристиками 12 В, 2 А;
- разъем питания;
- SPST выключатель с парой выходов.
Выбор микросхемы TP4056
Эта микросхема бывает 2 типов – простой и защищенной. Плата с предусмотренной защитой отслеживает напряжение с применением транзисторного модуля FS8205A на N каналов и фильтра цепи питания DW01A. Получается, что всего в коммутационной плате предусмотрено 3 интегральных схемы, а у незащищенного модуля зарядки она всего одна – TP4056.
Такие модули используются для подзарядки Li-ion элементов током до 1А. На их основе создаются автономные линейные ЗУ. Небольшое количество внешних компонентов превращает микросхему TP4056 в оптимальный выбор зарядного модуля для портативных устройств. Конечное напряжение подзарядки составляет 4,2 В. Ток подзарядки задается при помощи 1 резистора, который соединен с пином PROG. Резистор на 1,2 кОм обеспечивает ток зарядки 1А. Микросхема TP4056 автоматически заканчивает цикл зарядки при уменьшении тока до 1/10 исходной величины.
Статус заряда отображают 2 диода. Чтобы избежать повреждения аккумулятора, подзарядку нужно производить током величиной 0,2–0,7 С, пока Uвых не достигнет 4,2 В. Дальнейшая дозарядка производится при U=const и снижающемся токе – вплоть до 0,1 от его начальной величины.
Соединение электрокомпонентов
Для создания самодельного зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов достаточно дать на вход 4–8 вольт и соединить полюса заряжаемого элемента с соответствующими точками модуля зарядки TP4056. Для этого нужно:
- Спаять электрокомпоненты согласно схеме. Соединить плюсовой контакт разъема с 1-м выводом выключателя, минусовой – с пином GND стабилизатора, 2-й контакт выключателя – с пином Vin.
- В пространстве между точками Vin и GND параллельно разместить 3 конденсатора 100 нФ.
- В пространстве между точками Vout и GND установить конденсатор 100 нФ.
- Соединить контакт Vout стабилизатора и точку IN+ модуля. Контакт GND соединить с точкой IN-.
- Плюсовой контакт аккумуляторного отсека соединить с точкой B+, а отрицательный контакт – с точкой В-.
- батарейный отсек;
- модуль TP4056, обеспечив попадание USB разъема и диодов в организованные для них отверстия;
- стабилизатор напряжения 7805, разъем питания и выключатель.
- зарядка стабильным током (для его поддержания надо постоянно увеличивать напряжение);
- вторая стадия – дозарядка стабильным напряжением (ток при этом падает).
- радиоэлементы согласно схеме;
- паяльник с набором расходников;
- плата или заготовка для нее и аксессуары для самостоятельного изготовления.
- LP2951;
- LTC4054;
- TP4056;
- LTC1734;
- MCP73812;
- NCP1835;
- другие микросхемы.
- защитный модуль предохраняет элемент от перезаряда, не дает уйти в глубокий разряд, отключает батарею при превышении допустимой температуры;
- контроллер заряда формирует правильный режим пополнения энергии – стабилизирует ток на заданном уровне, осуществляет дозаряд по различным алгоритмам.
- Изготовить плату методом ЛУТ или по другой домашней технологии.
- Заказать плату в Китае.
При использовании 5-вольтного блока питания все действия по подсоединению элементов к стабилизатору нужно пропустить. «Плюс » и «минус » блока нужно подключить к точкам IN+ и IN- модуля. В случае использования 12-вольтного блока питания температура стабилизатора при протекании тока 1А окажется достаточно высокой, поэтому важно организовать отвод тепла.
Сборка зарядника
В подготовленной пластиковой коробке нужно выполнить отверстия для всех электрокомпонентов, включая USB-разъем, диоды модуля TP4056, разъем питания и выключатель. После этого нужно установить и приклеить электрокомпоненты:
После этого нужно завинтить нижнюю крышку, а неровные кромки зашкурить наждачной бумагой.
Проверка
Собранное ЗУ остается проверить – поместить в батарейный отсек разрядившийся аккумулятор, включить питание в USB или 12-вольтовый разъем. После этого в ходе подзарядки должен мигать красный диод, а в конце – загораться синий диод.
Но самостоятельная сборка или переделка зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов не гарантирует успешный результат и безопасное использование такого ЗУ. Чтобы не рисковать, лучше купить готовое зарядное устройство с нужными характеристиками.
Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы триумфально захватили рынок перезаряжаемых источников питания. При массе достоинств они имеют определенные минусы. Один из которых – усложненный алгоритм заряда. Но эта проблема решается даже самостоятельно.
Принципы зарядки литий-ионных аккумуляторов
В первую очередь стоит заметить, что полностью заряженный литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение холостого хода 3,7 вольт. При этом заряжать его надо до 4,2 вольта. Противоречия тут нет – заряжать надо на самом деле до указанного порога, а по окончании зарядки за счет саморазряда выходной уровень быстро (максимум – за несколько часов) упадет до 3,7 вольта. После процесс саморазряда резко замедлится, и АКБ будет стабильно держать свои 3,7 вольт.
В отличие от многих типов АКБ, аккумуляторы выполненные по Li-ion технологии в идеале должны заряжаться в два этапа:
Профессиональные ЗУ работают по подобному алгоритму.
На этом и последующих графиках не указан предварительный этап, который применяется для глубоко разряженных элементов. Его смысл в том, что такой аккумулятор малым током дотягивается до минимального состояния, а дальше АКБ заряжается, как обычно.
На практике часто используется принцип дозаряда батареи импульсами тока постоянной амплитуды. При достижении определенного уровня напряжения на элементе (обычно 4,15 вольт) зарядник отключается. Напряжение холостого хода недозаряженной АКБ быстро спадает, ЗУ видит это и вновь подает импульс тока до достижения порога 4,15 вольт. С каждым импульсом батарея дозаряжается, и спад происходит все медленнее. Также следующий и дальнейшие импульсы тока будут все короче. За счет этого реализуется псевдостабилизация напряжения в определенных пределах. Плюс такого алгоритма в том, что перезаряд невозможен в принципе, и держать батарею в ЗУ можно сколь угодно долго – при саморазряде она будет периодически подзаряжаться.
Еще один способ реализации второго этапа – зарядка ступенчатым током. На первый взгляд, этот алгоритм усложнен.
Но он может быть вырожден до одной ступени – просто снижается напряжение, подводимое к элементу. Зарядный ток остается стабильным, хотя его амплитуда уменьшается. Такой принцип имеет право на жизнь в недорогих зарядных устройствах. Вторая стадия имеет место, в отличие от совсем уж простых зарядников, в которых реализуется только первый этап. Хотя и в этом ничего плохого не происходит – просто емкость АКБ используется не полностью. К тому же в интернете гуляет распространенное, но ничем не подтвержденное утверждение, что заряжать литий-ионные элементы надо только до 90%. Доказательств этому никто не предоставил, верить или нет – личный выбор каждого.
Что понадобиться для самодельного ЗУ
В первую очередь, потребуется выбрать схему зарядки для элементов 18650. Ее выбирают по необходимым параметрам, а также по доступности деталей. Во вторую очередь – навыки чтения схем, изготовления печатных плат в домашних условиях (или, хотя бы, заказа в Китае, что сейчас не так уж дорого), пайки микросхем и других элементов, поиска ошибок и неисправностей. Если этого нет, не стоит и читать, что понадобятся:
Также потребуется кейс для установки аккумуляторов на зарядку (с ним удобнее подключить аккумулятор к ЗУ).
Навыки лучше наработать отдельно, а потом браться за изготовление этих устройств. Они не очень сложны, но требуют осознанного подхода.
Схемы контроллеров заряда
Несложное самодельное ЗУ можно собрать на широко распространенной и недорогой микросхеме LM317. В данном случае она включена по схеме стабилизатора напряжения, и АКБ заряжается падающим током. Такой алгоритм не позволяет полностью использовать возможности АКБ, и в этом состоит основной недостаток схемы. Другой недостаток – подавать на схему напряжение ниже 8 вольт нельзя. Поэтому запитать ЗУ от порта USB не выйдет.
Во время процесса контролируется ток в виде падения напряжения на резисторе R1. Как только оно уменьшится до определенного уровня, транзистор VT1 закрывается, и светодиод гаснет, сигнализируя об окончании зарядки. Процесс при этом не прекращается, поэтому следить за состоянием надо самостоятельно. Можно модернизировать схему, включив вместо светодиода реле, которое при выключении своими контактами размокнет силовую цепь.
Несколько сложнее зарядное устройство, позволяющее без всяких контроллеров реализовать алгоритм зарядки импульсным током.
На первом этапе аккумулятор заряжается стабильным током, величину которого определяет напряжение питания и номинал резистора RD. Когда напряжение достигает порога 4,15 вольт, срабатывает компаратор и транзистор VT1 запирается. Напряжение на элементе скоро упадет до уровня ниже порога, и транзистор вновь откроется. Эта процедура будет продолжаться циклически, но, по мере заряда, паузы будут все дольше, а импульсы все короче. В итоге аккумулятор зарядится до напряжения 4,15 вольт, которое выставляется резистором R1.
Анализ схемы показывает, что ее можно легко упростить, не снижая функциональности. Так, вместо трансформатора со средней точкой и выпрямителя можно взять любой источник питания с напряжением 5 вольт (сильно увеличивать напряжение не надо, элементы силовой цепи будут греться, приближая тепловую смерть вселенной). Транзистор можно заменить на биполярный (подойдет и отечественный КТ827).
Детектор напряжения можно заменить на KIA742, KIA719, KIA739. В итоге схема примет следующий вид.
Также можно использовать специализированные микросхемы, специально разработанные для создания подобных зарядных устройств. Одна из них — MCP73831.
Она поддерживает правильный двухэтапный режим зарядки. Ток задается номиналом резистора, подключаемого между выводами 5 и 2. Единственный недостаток – наибольший ток, который можно снять с микросхемы – 500 мА. Этого не всегда достаточно, элементы большой емкости будут заряжаться долго.
Также можно собрать зарядник на других специализированных микросхемах, специально разработанных для подобной цели. Помимо классической MAX1555, это могут быть:
У каждого элемента есть свои плюсы и минусы. Чтобы в них разобраться и сделать правильный выбор, надо читать даташиты.
Читайте также
Схемы зарядных устройств для шуруповерта на 12 и 18 вольт
В чем отличие контроллера заряда и схемы защиты
У некоторых пользователей периодически возникает вопрос, вынесенный в заголовок раздела – зачем нужен контроллер заряда, если есть схема защиты (индивидуальная или общая в виде платы балансировки). Дело в том, что эти устройства решают разные задачи:
А путаница может возникнуть из-за того, что встречаются случаи, когда часть функций этих устройств дублируется. Так, защита от перегрева может быть встроена как в плату защиты, так и в контроллер заряда. А предохранять от перезаряда может как встроенная плата (отключая батарейку), так и зарядное устройство (завершая процесс пополнения энергии).
Общий принцип сборки для любого зарядного для 18650
В первую очередь надо изготовить плату. Ее можно разработать самостоятельно (в программах типа Sprint LayOut), можно найти готовую в интернете. Дальше два пути:
Во втором варианте плата будет заведомо качественнее, но обойдется дороже, да и подождать придется не один день.
При сборке зарядки для аккумуляторов типоразмера 18650 на специализированных микросхемах, надо иметь в виду, что их корпуса зачастую сверхминиатюрны, и для пайки таких элементов нужны отдельные навыки.
Тест устройства
При первом включении надо измерить напряжение на выходе зарядника. Оно не должно превышать 4,2 вольта. Если в схеме есть орган регулировки, надо выставить выходной уровень на это значение. При первой зарядке крайне желательно проконтролировать ток. Он должен на каждом этапе вписываться в определенное для этой схемы значение.
Для наглядности видео.
Рекомендации по зарядке литиевых аккумуляторов 18650
В первую очередь, нельзя допускать глубокого разряда литий-ионных элементов. В большей степени это касается незащищенных аккумуляторов, но АКБ с платой защиты также радикально не ограждены от данной проблемы. Да, схема отключит элемент при достижении нижнего порога, но саморазряда она не отменит. Поэтому при хранении неиспользуемых АКБ лучше их периодически подзаряжать. Если глубокого разряда избежать не удалось, можно попробовать довести аккумулятор до напряжения 2,4 вольта малым зарядным током (0,1..0,2 от емкости). Если получится – дальше можно заряжать обычным способом, если нет – элемент придется утилизировать.
Также надо внимательно относиться к вопросам перезарядки. Элементы с маркировкой Protected отключатся при достижении верхнего лимита, а вот банки без платы защиты будут заряжаться дальше. И погасание светодиода ЗУ проблему не снимает – в большинстве случаев это всего лишь индикация достижения номинального напряжения, а отключения зарядника не происходит. Учитывая пожароопасность литий-ионных аккумуляторов и проблемы с их тушением, надо самостоятельно следить за окончанием процесса и вовремя выключать зарядник из сети.
Самодельные зарядные устройства для литий-ионных батарей работают ничуть не хуже промышленных. Но только если собраны и настроены грамотным пользователем, понимающим процессы, происходящие во время пополнения энергии.
