Зарядное устройство для литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов.



Зарядное устройство для литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов.

      Эта статья написана по следам моей предыдущей статьи: «Новая жизнь для старых литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов».
      Здесь я предлагаю достаточно простую схему, реализующую необходимый алгоритм заряда аккумулятора.
      В статье рассматривается конкретная ситуация заряда аккумулятора 4В, 850мАч.
      Но на самом деле она подходит для заряда любых аккумуляторов Li-Ion, любой ёмкости и на любые напряжения.
      Основой устройства является схема управления, а она будет одинаковой для всех случаев.
      Конечно, для конкретных аккумуляторов нужно будет произвести соответствующую настройку, а так же изменить силовую часть, состоящую из двух транзисторов и двух резисторов, возможно изменить схему питания. Изменить мощность и напряжение источника питания.
      К сожалению, в предыдущей статье я допустил ошибку, поэтому и удалил её из Интернета.
      Об этом скажу позже.

      С чего всё началось.
      Извините.
      Несколько отвлекусь от темы и приведу часть текста из предыдущей статьи.
      В моём MP3 плеере приказал долго жить встроенный Li-Ion аккумулятор (как говорят в народе — дал дуба).
      Жалко было выбрасывать вполне работоспособную вещь из-за отказа источника питания.
      На глаза попался старый аккумулятор от мобильного телефона Nokia пролежавший у меня года три — четыре. Решил поэкспериментировать с ним.
      Просмотрел всё то, что пишут в Интернете об аккумуляторах подобного типа, затем приступил к работе.
      Первое, что я понял это то, что использовать аккумулятор таким, какой он есть, мне не удастся. Дело в том, что в его корпус встроена схема защиты, имеющая четыре контактные площадки. Плюсовая площадка напрямую подключена к плюсу аккумулятора. Минусовая к минусу аккумулятора подключена через ключ на полевом транзисторе. Есть ещё площадка, к которой подключен терморезистор. Назначение четвёртой для меня осталось тайной.

      Пришлось освободить аккумулятор от платы содержавшую эту схему. Благо это делается просто. Снимаете серебристую липкую ленту, которой оклеен аккумулятор, хотя она может быть и не серебристой (на ней Вы видите надписи нанесённые производителем…, а может и не им) и вынимаете элемент из пластиковой рамки.
      Корпус элемента металлический. К нему приварены две металлические полоски. Верхняя полоска это — минус, боковая — плюс, но на всякий случай проверьте. Эти полоски припаяны к контактным площадкам платы содержащей схему. Отпаиваете выводы аккумулятора от платы. С платой можете поэкспериментировать позже, если будет такое желание.
      Теперь у Вас в руках аккумулятор без внешних барьеров, к нему можно подключить либо лампочку, либо другое более полезное для Вас устройство.
      А также можно создать прекрасный пожар в своей квартире.

     НИ ВКОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ЗАМЫКАЙТЕ КОНТАКТЫ АККУМУЛЯТОРА!!!.

      Первым делом проверьте напряжение на клеммах, желательно, чтобы оно было не менее 3,2 Вольта (я говорю об аккумуляторах состоящих из одного элемента, в мобильниках используются именно такие). При этом желательно нагрузить элемент на 40 — 50 Ом.
      Если результат положительный то этот экземпляр, скорее всего, подойдёт (но это не догма, можно оживить аккумулятор и с меньшим напряжением). Мой аккумулятор, который я просто поленился когда-то выбросить, пролежавший несколько лет без дела, выдал 3,9 Вольта.
      Его я и использовал в качестве нового источника питания для MP3 плеера.
      Оказалось, что встроенный в плеер аккумулятор очень хорошо приклеен к тыльной стороне экрана, поэтому отрывать его я не решился, да это мне ничего и не дало бы. Просто отпаял проводники идущие от аккумулятора от контактных площадок на плате плеера, подрезал их так, что бы они не коротили между собой и уложил между платой и экраном.

     Перед отпайкой проверьте, какой из проводников плюс, а какой минус. И в дальнейшем не забудьте Ху из Ху!

      Далее всё просто.
      Пока просто.
      Соединяете проводниками плюс «нового» аккумулятора с плюсом на плате, минус с минусом. И Ваш плеер снова начал жить полнокровной жизнью. Но как это часто бывает, в бочке мёда обнаруживается ложка дёгтя. Того заряда, который сохранился в старом, изношенном аккумуляторе может хватить плееру на довольно длительный срок, но когда-то его всё-таки потребуется зарядить. Но об этом позже.
      На первый момент более насущная проблема состоит в другом.
      Как этот плеер подключить к USB порту компьютера?
      Дело в том, что USB порт так же является источником питания, с выходным напряжением 5 Вольт, и при таком включении аккумулятора подключится фактически параллельно ему.
      Это может привести к неприятным последствиям:
      1. Перезаряд.
      2. Слишком большой ток заряда.
      3. Сгорит либо аккумулятор, либо USB порт.
      4. Может ничего этого не произойдёт и в устройстве есть своя схема заряда, но есть одна закавыка, эта схема будет рассчитана на свой аккумулятор.

      Ещё надо учесть то, что плату, содержавшую защиту аккумулятора, мы из него удалили.
      На самом деле вам может попасться аккумулятор совсем не содержащий такой платы. Мне недавно такой подарили. Хорошая штука, но и опасная.
      Это и привело меня к тому, чтобы создать схему электронного переключателя.
      Её назначение — питать устройство от аккумулятора в полевых условиях, а при подключении к USB порту отключить аккумулятор от устройства и перевести в режим подзаряда. Ваше устройство в это время питается от порта USB.

     В предыдущей статье я приводил схему электронного ключа. В качестве ключевого элемента был использован полевой транзистор с индуцированным каналом (MOSFET). Но я не учёл одной их особенности — все транзисторы такого типа имеют в своей структуре диод, включенный параллельно транзистору в обратном направлении.
      Этот диод не создаётся специально, он является частью структуры самого транзистора.
      А посему транзистора с индуцированным каналом без этого диода вы не найдёте.
      Это приводит к тому, что в предложенной мною ранее схеме при подключении к USB порту зарядный ток аккумулятора будет ограничиваться только падением напряжения на этом диоде, а следовательно может превысить допустимые пределы.
      Полевого транзистора со встроенным каналом и с подходящими характеристиками найти не удалось, сложилось такое впечатление, что они вообще не производятся. А жаль! Так хотелось создать электронный переключатель с малым сопротивлением открытого канала.
      Пришлось ограничиться тривиальной схемой: Диод + Резистор которые включены параллельно.
      На схеме (Рис.1) показано подключение аккумулятора к питаемому устройству.



Рис. 1

Рис. 1

      Х1 и Х2 — контактные площадки к которым был припаян старый аккумулятор.
      А1 — плата с диодом и резистором предназначенная для ограничения тока заряда при подключении вашего устройства к USB.
      После подключения к готовой схеме аккумулятора и вашего устройства неплохо проверить, как всё это работает.
      Для этого запаяем резистор величиной 0,1 Ом в разрыв плюсового вывода аккумулятора и параллельно ему подключим цифровой вольтметр.
      При включении устройства мы увидим, что ток течёт от аккумулятора к устройству (напряжение на вольтметре прямо пропорционально протекающему току). При подключении USB порта к устройству ток должен изменить своё значение и течь в обратную сторону. Т.е. изменится знак на цифровом индикаторе вольтметра, аккумулятор в это время заряжается. Величина тока заряда определяется резистором R. Надеюсь, с этим Вы разберётесь сами.
      Я установил два параллельно включенных резистора сопротивлением 27Ом.

      Такой электронный переключатель и старый аккумулятор от телефона Nokia я подключил к МР3 плееру TeXet T-660.
      Работает прекрасно.
      Главное требование это минимальное падение напряжения на p-n переходе диода. Оно должно быть как можно меньше.
      Наилучшие результаты дают диоды Шотки, рассчитанные на большие токи и малые напряжения.
      Из тех диодов, которые мне удалось проверить, лучшие параметры оказались у 20L15T (лучше взять 20L15TS — у него меньше габариты). Падение напряжения при токе потребления 100 мА составило 150 мВ.
      Если вы захотите прозвонить этот диод тестером, то не удивляйтесь, если обнаружите, что сопротивление диода в одну и другую сторону мало отличаются друг от друга — это нормально!
      В прямом направлении мультиметр GW Instek показывает сопротивление 40 Ом, в обратном 70 Ом!
      Но если вы попробуете снять вольт-амперную характеристику диода, то увидите, что в одну сторону он проводит ток, а в другую нет.

      «Новый» аккумулятор я обклеил бумажным скотчем и приклеил его к задней стенке двухсторонним скотчем, но лучше использовать «липучку» применяемую в одежде.
      Плату собрал на слепыше, имевшемся под рукой. Под место установки платы наклеил бумажный скотч, в два слоя. Аккумулятор подключил через разъём.
      Вся сборка, включая изготовление платы, заняла минут 40 — 50.
      Стоимость всей комплектации не более ста рублей.
      Несмотря на то, что при подключении к USB аккумулятор подзаряжается, заряжать его таким способом я не рекомендовал бы.
      Лучше использовать отдельное зарядное устройство. Только не пытайтесь применять те, что продаются в магазинах!!!
      Чревато!!!

      ***

     Теперь то, о чём я собственно говоря и хотел рассказать.
      Аккумулятор мы подключили.
      Но как его заряжать?
      Оставить устройство подключенным к USB порту? Но можно ли быть уверенным в том, что процесс заряда идёт правильно? Не получим ли мы кучу неприятностей?
      Все эти сомнения и заставили меня приступить к разработке зарядного устройства.

      Просмотрев информацию имеющуюся в Интернете (конечно не всю, а ту на которую у меня хватило терпения и сил), в итоге понял, что:
      1. В итоге процесса заряда — напряжение на аккумуляторе должно достигнуть величины 4,1 В, (некоторые источники говорят о 4,25 В, и даже о 4,35 В), но я решил остановиться на 4,1 В.
      2. Заряд аккумулятора должен осуществляться ступенчато. Ток заряда зависит от того, насколько в данный момент заряжен аккумулятор.
      3. Если напряжение на аккумуляторе подключенном к зарядному устройству менее 2,9 В, то ток заряда должен быть небольшим, желательно 0,1С (где С — ёмкость аккумулятора).
      4. По достижении напряжения 2,9 В, зарядное устройство должно выдать ток 0,8С.
      5. При переходе через границу 90% от ёмкости нужно ток заряда снова снизить до 0,1С.
      К сожалению, я не очень понимаю, что такое 90% ёмкости. Как определить эту границу? Я не аккумляторщик, а инженер электронщик. Поэтому решил положиться на интуицию и остановился на величине в 4,0 В.
      Если кто-то более осведомлён в этом деле, может выбрать другой порог (хотя практические испытания говорят о том, что я вроде как угадал).
      6. Заряд должен быть остановлен по достижении напряжения на аккумуляторе 4,1 В.
      7. Необходимо контролировать температуру корпуса аккумулятора.

      Исходя из этих требований я и разрабатывал схему зарядного устройства.
      Интернет предлагает использовать микросхему MAX1501 или подобные ей. Микросхемы видимо хорошие, но совершенно непригодные для домашнего рукоделия.
      Но об этом позже.


Рис. 2

Рис. 2
Структурная схема зарядного устройства.

      Схема построена на двух микросхемах МС33161, каждая из которых содержит по два программируемых компаратора. Эти микросхемы имеют вывод, при помощи которого можно изменить логику работы. Также каждый из компараторов имеет свой источник опорного напряжения (ИОН) 1,27В.
      Резисторы R1R10, R2R3, R4R5, R6R7 — делители напряжения которые определяют пороги срабатывания компараторов.
      Нижний компаратор DA1 и компараторы, входящие в DA2 управляют током заряда.
      Верхний компаратор DA1 следит за температурой аккумулятора.
      В случае если напряжение на аккумуляторе менее 2,9В нижний компаратор DA1 запрещает работу нижнего компаратора DA2. Ключ К1 замкнут, а ключ К2 разомкнут. Ток заряда протекает только через резистор R8.
      Если напряжение на выводах аккумулятора лежит в пределах (2,9 — 4,0)В, оба ключа замкнуты и ток заряда протекает через параллельно включенные резисторы R8 и R9.
      По достижении напряжения 4,0В снова выключается ключ К2 и ток заряда протекает только через резистор R8.
      В случае если температура корпуса аккумулятора превысит допустимые пределы, сработает верхний компаратор DA1 и оба ключа разомкнутся, процесс заряда прервётся.

      Принципиальная схема устройства выглядит, так как показано на Рис. 3.


Рис. 3

Рис. 3

      Несмотря на то, что схема может показаться несколько угрожающей, занимает она довольно мало места на печатной плате, можно уложиться в размер 3,5х3,5 см.
      Но я её собирал на стандартной макетной плате и получил размер 3,5х6,5 см, при этом половина площади платы осталась пустой.
      Эта платка отлично вписалась в маленькую коробочку от губки для чистки обуви, под названием «БЛЕСК» — встала как влитая.
      Нумерация некоторых элементов не совпадает с нумерацией на структурной схеме, но не судите меня слишком строго.
      Перечень элементов схемы я приведу в конце статьи.

      Теперь о том, как эта схема работает и что от неё можно получить.
      Как я уже говорил, она состоит из двух частей.
      1. Схемы управления.
      2. Силовой части.
      К силовой части относятся транзисторы VT5, VT6 и балластные резисторы R24, R25.
      Всё остальное это схема управления.
      Компараторы микросхемы DA2 управляют транзисторами VT5, VT6. Ток заряда определяется величиной резисторов R24, R25.
      При напряжении менее 2,9В, VT6 выключен и ток заряда идёт через R24, ток заряда приблизительно 0,2С.
      Если напряжение на аккумуляторе составляет от 2,9В до 4,0В то параллельно R24 подключается R25. Ток увеличивается до 0,8С.
      Резистор R24 задаёт ток на последней ступени заряда, т.е. когда напряжение на аккумуляторе достигнет 4,0В, ток заряда 0,1С.
      По достижении напряжения 4,1В транзистор VT5 закрывается и заряд аккумулятора прекращается.
      Пороги переключения устанавливаются делителями:
      — R4R5R6 — 2.9В;
      — R14R15R16 — 4,0В;
      — R11R12R13 — 4,1В.
      Делителем R2R3R26 задаётся температура, при которой оба силовых транзистора закроются, соответственно прервётся процесс заряда.
      Транзисторы VT3 и VT4, а так же диод VD8 следят за состоянием выхода.

      В случаях:
      — короткого замыкания на выходе;
      — неправильного подключения аккумулятора (переполюсовка);
      — напряжение на аккумуляторе ниже 1,4В;
      силовые транзисторы VT5, VT6 закроются, что поможет избежать некоторых неприятностей.

      Индикация.

      Я ввёл в индикацию максимум информативности, но если вам столько не надо можете не устанавливать некоторые светодиоды и транзисторы.
      VD1 — (красный) индикация «ПИТАНИЕ».
      VD6 — (красный) индикация «АВАРИЯ».
      VD7 — (зелёный) индикация напряжения на аккумуляторе. <2,9В.
      VD10 — (жёлтый) напряжение от 2,9В до 4,0В.
      VD9 — (зелёный) <4,1В.
      Срабатывание светодиодов VD7 и VD10 взаимно исключают друг друга.

      Настройка.

      Настраивать схему зарядного устройства, пытаясь заряжать и разряжать аккумулятор дело не благодарное и очень долгое.
      Лучше использовать имитацию реального аккумулятора.
      Я для настройки предлагаю схему, показанную на Рис. 4.


Рис. 4

Рис. 4

      Здесь:
          ИП1 — источник питания напряжением 5В и с допустимым током нагрузки 1А (конечно это только в том случае если заряжаем аккумуляторы с ёмкостью не более 1500 mah и напряжением не более 4V, на большие токи и напряжения нужны другие источники).
      Для этого же устройства можно (или, наверное, даже нужно) использовать имеющиеся в продаже так называемые «зарядные» устройства с USB разъёмом.
      Зарядным устройством они на самом деле не являются.
      Это просто источники питания, построенные на микросхеме типа TOP.
          ИП2 — регулируемый источник напряжения с допустимым током нагрузки не менее 2А.
          Р1 — цифровой вольтметр, он покажет напряжение на выходе зарядного устройства.
      Т.е. напряжение на клеммах якобы заряжаемого аккумулятора.
          Р2 — вольтметр позволяющий измерить ток заряда.
      Напряжение на резисторе R1 пропорционально протекающему току. I=UР1/R.
          R1 и Р1 можно заменить на амперметр с пределом измерения (1 — 3)А.
      Но если вы решите построить зарядное устройство для мощных аккумуляторов, то придётся использовать именно ту схему измерения тока, которую предлагаю я. Правда, в этом случае, R1 должен будет иметь меньшее сопротивление и достаточно большую мощность.
         R2 — имитирует внутреннее сопротивление аккумулятора, он достаточно сильно греется.
      Я использовал три параллельно включенных резистора МЛТ2 10 Ом.
      Опять же — для больших токов потребуются другие резисторы.

      Процесс настройки.

      1. Включаем ИП1.
      ИП2 при этом выключен. Загораются светодиоды VD1, VD6, VD7.
      Т.е. светятся два красных и один зелёный.
      Светодиод «Авария» светится в связи с тем, что резистор 3Ом воспринимается как короткое замыкание.

      2. Включаем ИП2 и начинаем поднимать напряжение. При напряжении приблизительно 1,4В должен погаснуть светодиод VD6 и загореться VD9. Контролируем ток, протекающий через резистор R1 (либо через подключенный вместо него амперметр. Ток заряда будет определятся по формуле:

Iзар. = (Uип1 — UР1)/R24.

      При приближении напряжения на Р1 к уровню 2,9В ток будет равен приблизительно 0,2С.

      3. Вот этот первый порог переключения — 2,9В, нам и нужно установить, подбирая величину резистора R6.
      Постепенно увеличивая напряжение Uип2, следим за светодиодами. В момент когда напряжение на Р1 достигнет уровня 2,9В должен погаснуть VD7 и загореться VD10.
      Прошу обратить внимание — именно при ПОВЫШЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ!!! А не при понижении. При подборе других резисторов то же самое.
      При очень плавном изменении напряжения на ИП2 при при приближении к порогу возможно мерцание светодиодов.
      Это связано с малой величиной петли гистирезиса компараторов, но это никак не влияет на процесс заряда. Добиваться большой точности момента переключения смысла нет.
      При включении жёлтого светодиода VD10 ток «заряда» протекающий через резистор R1 должен возрасти приблизительно до 0,8С. Точно мы его установим позднее.

      4. Далее нам нужно установить второй порог переключения.
      Как я понял, листая Интернет-страницы, тогда когда заряд аккумулятора достигнет 0,9С необходимо ток заряда снизить до 0,1С. В качестве порога переключения я принял значение напряжения на Р1 равное 4В.
      Начинаем увеличивать Uип2. В момент когда напряжение на Р1 достигнет 4В должен погаснуть жёлтый VD10, а ток, протекающий через R1 упасть до 0,1С.
      Настраиваем порог переключения, подбирая резистор R16. При достижении порога переключения также возможно мерцание жёлтого светодиода.

      5. Установим момент прекращения процесса заряда.
      Аккумулятор нужно зарядить до напряжения 4,1В (причём некоторые источники утверждают, что отклонение должно быть не более 1%). Правда, по своему опыту могу сказать, что бытовые цифровые вольтметры такой точностью, как правило, не обладают.
      Поэтому при использовании непроверенных приборов рекомендую настроить порог отключения несколько ниже. Лучше недозарядить, чем перезарядить.
      Установка порога отключения производится так же как и в предыдущих двух пунктах, здесь мы подбираем величину резистора R13.
      При дальнейшем повышении напряжения Uип2 будет гореть только красный светодиод «Питание».
      Ну вот пороги переключения установили.

      Теперь нужно установить токи заряда на всех трёх ступенях:

      1. Ток заряда на третьей ступени определяется резистором R24.
      Для подбора балластного резистора R24 поднимаем напряжение на Р1 до того момента когда погаснет жёлтый светодиод (4,0В). Следим за током через R1. Нужно получить значение примерно IR1 = 0,1С.
      Я в своём распоряжении имел аккумулятор, на этикетке которого была указана ёмкость 850mAh. Но поскольку он был БУ и затем долго пролежал без соблюдения рекомендуемых Интернетом условий хранения, я решил задаться величиной С=700mAh.
      Тогда начальный ток заряда на последней ступени будет равен:

I3 = 70mA.

      На самом деле величину резистора R24 можно заранее рассчитать.
      Мы имеем источник питания 5В.
      Напряжение на аккумуляторе в этот момент должно быть 4В.
      Ток заряда 70mA.
      Тогда:

R24 = (5 — 4)/0,07 = 14,29 Ом

      Но у себя я не испытывая угрызений совести поставил два параллельно включенных резистора по 27 Ом. Итого получилось 13,5 Ом. Всё равно я не знаю, какова реальная ёмкость аккумулятора.

      2. Ток заряда на второй ступени устанавливаем подбором резистора R25.
      Снижаем напряжение, до момента пока не погаснет жёлтый светодиод, затем снова поднимаем до момента загорания.
      Это момент начала второй ступени заряда. В это время резисторы R24, R25 включены параллельно. Ток заряда (т.е. ток, протекающий через R1) должен быть равен 0,8С.

I2 = 560mA.

      (В своём устройстве я решил несколько увеличить ток второй ступени и остановился на величине 680mA)
      Этот ток задают два параллельно включенных R24, R25.
      R25 также можно рассчитать заранее.

      3. Ток заряда на первой ступени , тогда когда напряжение на аккумуляторе менее 2,9В, получается автоматически и будет определяться сопротивлением резистора R24 и величиной напряжения на аккумуляторе:

I1 = (5 — UР1)/R24.

      Снова хочу повторить.
      Эти токи не догма. Всё зависит от того — аккумулятор, какой ёмкости у вас будет.
      Настройка процесса заряда на этом закончена.

      Но, чтобы это улеглось в памяти, повторю всё в сокращённом виде.

      1. Включаем ИП1. Горят VD1, VD6, VD7
      2. Поднимаем напряжение на ИП2. Когда Р1 покажет 1,4В гаснет VD6 загорается VD9.
      3. При напряжении на Р1 2,9В должен погаснуть VD7 и загореться VD10. Этого добиваемся подбором R6.
      4. Когда напряжение на Р1 достигает 4,0В должен погаснуть VD10. Для этого подбираем R16.
      5. При достижении напряжения на Р1 4,1В должен погаснуть VD9. Горит только индикатор питания, VD1. Это достигается подбором R13.
      6. Устанавливаем ток заряда 0,1С при напряжении соответствующем погасанию жёлтого светодиода при переходе через порог 4,0В подбором величины R24.
      7. Устанавливаем ток заряда 0,8С при напряжении соответствующем загоранию жёлтого светодиода VD10 и погасанию зелёного VD7 при переходе через порог 2,9В. Здесь подбираем R25.

      Далее необходимо настроить порог срабатывания защиты от превышения температуры корпуса аккумулятора выше критического значения. Этот порог я для себя определил величиной в 60 град. Ц.
      В качестве датчика температуры использовал терморезистор установленный на плате защиты вынутой из аккумулятора мобильного телефона Nokia, его сопротивление при температуре 20 град. — 46кОм. Выпаивать из платы я его не стал, а просто подпаял гибкие проводники к тем контактным площадкам, которые имеют с ним непосредственный контакт. Так я и получил в своё распоряжение датчик температуры, обозначенный на принципиальной схеме как R26.

      Для настройки порога защиты по температуре подойдёт любой цифровой мультиметр с выносным датчиком температуры.
      Теперь мы имеем два датчика температуры:
      — один от нашего зарядного устройства;
      — другой от мультиметра.
      Берём металлическую пластину, лучше, если это будет медь или алюминий, толщиной 3-4мм (можно конечно сталь, но у неё хуже теплопроводность). У меня была алюминиевая пластинка 60х30х4мм. На неё, для изоляции, наклеиваем тонкий, прозрачный скотч, укладываем ближе к центру оба датчика. Сверху закрепляем бумажным скотчем. Затем кладём теплоизоляцию, и также закрепляем бумажным скотчем. В качестве теплоизоляции можно использовать ватный диск.
      В итоге получаем, что-то вроде термостата. С одной стороны пластины голый металл, с другой тот пирог, который я вам описал.

      Подогреваем пластину со стороны голого металла паяльником. Только не создавайте непосредственного контакта.
      Следим за изменением температуры на мультиметре и состоянием светодиода VD6.
      Резистором R3 добиваемся того, чтобы светодиод загорался при температуре выше 60 град. и гас при более низкой температуре. При этом резисторы VD9 и VD10, если они горели, должны погаснуть.
      На самом деле, вместо R26, лучше использовать контактные датчики. Они имеют больший гистерезис, чем компараторы МС33161 и их нет необходимости настраивать. Но они и более объёмны. С другой стороны если вы собираетесь изготовить зарядное устройство для аккумулятора большой мощности, то объём такого датчика вас, наверное, не смутит.
      На этом настройка зарядного устройства закончена.
      Перечень элементов входящих в схему зарядного устройства.


Перечень элементов

      Все резисторы и конденсаторы в ЧИП варианте, так они занимают меньше места.
      R24 и R25 составлены из нескольких параллельно включённых резисторов габарита 2512, они напаяны друг на друга.
      Все элементы, которые я использовал, куплены в магазине, за исключением датчика температуры, который я вытащил из БУ-шного аккумулятора мобильного телефона. Но вы можете подойти к вопросу творчески и использовать другой датчик. Так же можно подобрать аналоги предложенных элементов от других производителей.
      У себя некоторые элементы схемы я заменил на те, которые были под рукой, но в перечне указал оптимальный вариант.
      Не стесняйтесь применять аналоги.

      Теперь посмотрим, что же мы в итоге получили.

      Первое и главное: мы получили зарядное устройство для Li-Ion аккумуляторов.

      Его характеристики:

      — Для питания используется любой источник постоянного напряжения 5В с допустимым током нагрузки не менее 1А.
      — Заряд аккумулятора производится в три ступени (через какие ступени пройдёт процесс заряда, зависит от степени разряда аккумулятора).
      Вольт — амперная характеристика, с учётом того, что я несколько увеличил ток второй ступени, выглядит, так как показано на Рис. 5.


Рис. 5

Рис. 5

      Не пытайтесь очень чётко выдержать данную характеристику. Главное, чтобы напряжение на аккумуляторе в конце заряда не превысило 4,1В.

      — Светодиоды индикации:
         «Питание» — красный.
         «Авария» — красный.
         Напряжение на аккумуляторе «<2.9В» - зелёный.
         Напряжение на аккумуляторе «<4,0В» - жёлтый.
         Напряжение на аккумуляторе «<4,1В» - зелёный.
      — Встроенная защита от короткого замыкания.
         Защищает только устройство, но не аккумулятор!
      — Защита от неправильного подключения аккумулятора (переполюсовка). В этом случае защищены и устройство, и аккумулятор.
      — Защита от перегрева корпуса аккумулятора. Температуру выберете сами. Я остановился на 60 град. Цельсия. Датчик должен контактировать с корпусом аккумулятора через тонкую, электроизолирующую и теплопроводящую прокладку.

      Логика включения светодиодов:


 Логика включения светодиодов

      При напряжении на аккумуляторе <1,4В заряд производится не будет!
      В данной схеме защита от переполюсовки по входу не предусмотрена в связи с малым запасом по напряжению. Такая защита обеспечивается разъёмами USB имеющими однозначную возможность подключения. Не используйте мини и микро.
      Проверить, как идёт заряд на первой ступени, мне не удалось. Как я не пытался разрядить имеющийся у меня аккумулятор до такого состояния, чтобы на холостом ходу, а тем более при подключении к зарядному устройству напряжение на клеммах аккумулятора было бы ниже 2,9В, ничего не вышло.
      Разряжал банку 850mAh резистором 40 Ом. Наконец напряжение упало до 2,3В, но стоило снять нагрузку оно поднималось выше 2,9В.
      Ещё раз подключил резистор — напряжение снизилось до 2,2В. Отключил — снова 2,9В.
      Дальше насиловать аккумулятор я не решился, так как всё-таки хотел использовать его в дальнейшем.
      Затем произвёл заряд.
      Первой ступени понятно не было.
      Вторая ступень длилась около двух часов.
      — При переходе от второй ступени к третьей жёлтый светодиод начинает мерцать. Сначала часто, затем всё медленнее. Потом гаснет совсем. Останется включенным один зелёный.
      Третья ступень длилась часа четыре.
      По окончании заряда подключил аккумулятор к МР3 плееру и начал прогонять фильмы. В этом режиме плеер потребляет 100mA.
      Гонять пришлось 8,5час.
      Если умножить ток потребления на время работы то получим 850mAh. Т.е. ту емкость, которая заявлена изготовителем!
      И это от аккумулятора, который я должен был выбросить три года назад!

      Второе: у устройства обнаружился побочный эффект.

      Его можно использовать для оценки напряжения на аккумуляторе.
      Если не подключать источник питания, а подключить только аккумулятор, начинают светиться некоторые светодиоды.
      Сочетание светящихся светодиодов и яркость свечения зависит от уровня напряжения на клеммах аккумулятора.
      Следующая таблица поможет вам в этом сориентироваться.


Таблица напряжений

      Естественно яркость свечения светодиодов зависит от уровня напряжения на клеммах аккумулятора.


Вид устройства

Так выглядит устройство с верхней и нижней стороны

      С верхней стороны наклеил этикетку, напечатанную на липкой принтерной бумаге (здесь я немного выпендрился).
      На нижней стороне наклеен вспененный полиэтилен толщиной 3мм. На нём лежит платка вынутая из аккумулятора и содержащая датчик температуры. Элементы схемы этой платы находятся с обратной стороны. Плату закрепил лужёным проводом 0,5мм припаянным к контактным площадкам, находящимся с той стороны где установлены детали и пропущенным через отверстия, просверленные в дне коробки. Сверху наклеил прозрачный скотч. Во время заряда аккумулятор должен плотно прилегать к этой плате.
      Вы, конечно, можете дать своей фантазии разгуляться и придумать что-либо другое.
      Внутри всё выглядит вот так:


Вид с открытой крышкой

      А так подключаю к зарядному устройству аккумулятор и источник питания:


Подключение зарядного устройства

      На этом снимке видно, что светятся три светодиода:
      — «Питание»;
      — «<4,0В»;
      — «<4,1В».
      Что говорит о том, что напряжение на аккумуляторе лежит в пределах от 3,4 до 4,0 Вольт. А если обратить внимание на яркость свечения то можно предположить, что величина напряжения находится ближе к верхней планке.
      Я установил в устройстве разъём USB-A.
      Не делайте этого.
      Оказывается, шнуры USB-A на USB-A сейчас днём с огнём не найдёшь. Мне пришлось разрезать два кабеля, а потом соединить их. Лучше рассчитывать на шнур USB-A на USB-B. либо запаять провод питания стационарно, но это не очень удобно при транспортировке.

      Теперь обратимся к микросхеме MAX1501.
      На следующем рисунке изображена схема позволяющая MAX1501 следить за температурой аккумулятора.


Рис. 6

Рис. 6

      Рисунок взят из datasheet производителя.
      Да видимо микросхема очень неплохая.
      Но…!
      Есть несколько «НО!».
      — Первое — это размеры. Совсем как в поговорке: «Лучшее враг хорошего».
         Её размеры — 5х5мм и с каждой стороны по восемь выводов предназначенных отнюдь не для ручной пайки…
         Попробуйте сочинить печатную плату в домашних условиях, изготовить её, а затем припаять эту микросхему.
      — Второе — схемотехника.
         Да! в условиях промышленного производства видимо всё будет очень здорово. Тогда когда вот те три компаратора будут заключены внутри маленькой микросхемки.
         Но нам приходится рассчитывать на то, что есть в продаже.
         И ещё: на этой схеме изображено не всё из того, что нужно будет «подвесить».
         И это только защита от перегрева.

      Вы видите на приведённой схеме три внешних компаратора. Могу вам сказать, что лучшим вариантом будет взять две микросхемы МС33161. Тем более, что два первых компаратора включены по одной из стандартных схем МС33161.
      Ну, а теперь сравните ту схему зарядного устройства, которую я вам предлагаю с той схемой, которую вам придётся построить на основе MAX1501. В размерах выигрыша никакого (о цене я вообще молчу), а трудозатраты намного больше.

      Но вернёмся к нашему несчастному аккумулятору, которому давно было положено лежать в могиле.
      После того как я протестировал аккумулятор на работающем плеере, и мне пришлось через каждые полтора часа перезапускать воспроизведение фильма для того, чтобы проверить, сколько времени он выдержит, в голову пришла мысль сделать устройство для автоматического тестирования в режиме разряда.
      В итоге появилась на свет следующая схемка.


Испытательный стенд

      Её работа достаточно проста.
      Задача — разрядить аккумулятор на реальную нагрузку до определённого уровня напряжения.
      Уровень устанавливается делителем, состоящим из резисторов R1 — R5 на входе компаратора MC33161. Я подобрал резисторы делителя так, чтобы можно было установить два уровня: 3,5В и 2,9В.
      Вы можете установить другие пороги — такие, какие сочтёте нужными, да и ступеней можно сделать больше.
      Надеюсь, к этому моменту вы обратились к Datasheet данной микросхемы и сами сможете разобраться в том, как рассчитать резисторы делителя. Хотя в конце я приведу перечень элементов, которые, я использовал для работы с аккумулятором ёмкостью 850mAh и напряжением 4В (на банке, как правило, написано 3,7В).
      Резистор R10 является нагрузочным и он должен выдерживать тот ток, которым вы собираетесь разряжать аккумулятор.
      Прибор Р1 — обычный, дешёвый, электро-механический будильник работающий от батарейки 1,5В. В данном случае он питается не от батареи, а от схемы.
      Свечение светодиода говорит о том, что аккумулятор разряжается, а при его погасании разряд аккумулятора прекратится, в это же время пропадает напряжение питания на будильнике. Подключенными к аккумулятору останутся только резисторы R1 — R5. Но ток, протекающий через них очень мал.

      Запустить процесс можно только, нажав кнопку «ПУСК». В качестве этой кнопки я использовал кнопку подсветки, находившуюся в самом будильнике.
      Если перед началом процесса вы установили стрелки будильника на 12 часов, то когда напряжение достигнет заданного уровня, прекратится процесс разряда. Тогда пропадёт напряжение питания на будильнике и вы, взглянув на его циферблат, сможете сказать, сколько времени длился разряд. А это даст возможность судить об остаточной ёмкости.
      Только вспомните мои слова о том, что в момент отключения аккумулятор будет нагружен, а затем нагрузка пропадёт. И если вы замерите напряжение на клеммах аккумулятора, то скорее всего увидите, что оно больше того порога до которого производился разряд.
      И ещё: эта схема может помочь вам в процессе «тренировки» аккумулятора. В этом случае будильник не нужен. Нужно просто правильно выбрать номинал резистора R10 и правильно установить величину напряжения, до которого должен разрядиться аккумулятор.
      Величину сопротивления R10 предлагаю установить: (R10=3,9/0,2С), для аккумуляторов состоящих из одной банки и (R10=7,8/0,2С), для аккумуляторов состоящих из двух банок. Мощность резистора зависит, как всегда от тока и напряжения. Мощность транзистора VT2 впрочем, так же.

      Элементы схемы (для работы с аккумулятором ёмкостью 850mAh и напряжением 4В):


Перечень элементов

      Конечно, можете подобрать аналоги.
      Вот, кажется и всё, что я хотел рассказать.
      В этой статье я не стремился привести определённую схему. Моим желанием было выложить концепцию.
      Хотя с полной ответственностью подтверждаю, что приведённые в статье схемы показали себя очень даже не плохо.
      А то, что вы сотворите для себя, будет лежать на вашей совести.
      Для того и существуют ИНЖЕНЕРНЫЕ мозги.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *