Контроллер разряда аккумулятора 3.7 v схема. Контроллер заряда аккумулятора

В состав портативных устройств в обязательном порядке входит аккумулятор, обычно для этих целей используется литиево-ионная батарея. Несмотря на то, что функциональные особенности современной электроники постоянно совершенствуются, сам аккумулятор практически остается неизменным.

Емкость и функциональные особенности АКБ значительно выросли, но общий принцип работы остался тем же. Аккумулятор может значительно перегреваться при зарядке и выходить из строя. При переразряде напряжение может опуститься ниже критического уровня, что приведет к деградации элемента, и новая дозарядка станет невозможной. Потому для управления над процессом зарядки батареи используются электронные схемы, получившие название контроллеров.

Это оборудование используется в схемах мобильных телефонов, ноутбуков и другого переносного электронного оборудования. Контроллер аккумулятора необходим для солнечных и ветряных батарей. Его включают в состав источников бесперебойного питания и другой техники.

Алгоритм процесса заряда аккумулятора

Для того чтобы понять, как происходит заряд батареи, рассмотрим схему, в состав которой входят только резистор и сам аккумулятор.

В нашем случае используется аккумулятор 18650, емкость которого составляет 2400 мА/ч, с пороговыми значениями напряжения 2,8-4,3 В, и блок питания на 5 вольт и максимальный ток в 1 А. Рассчитаем параметры необходимого резистора. При этом будем считать, что аккумулятор находится в нормальном состоянии, а не полностью разряжен. Проведем зарядку батареи. Сначала, когда напряжение на АКБ минимально, ток будет максимален, а Ur – падение напряжение на резисторе, должно составить 2,2 Вольта (это разница между Uип – напряжением блока питания 5 В и начальными показателями батареи).

Исходя из этих данных, рассчитываем R – начальное сопротивление на резисторе и Pr – мощность рассеивания:

R= Ur/I = 2.2/1 = 2.2 Ом, где I – это максимальный ток блока питания.

Pr=I2R =1х1х2.2 = 2.2 Вт.

Когда напряжение в аккумуляторе дойдет до 4,2 В, Iзар – ток заряда, составит:

Iзар=(Uи -4.2)/R=(5-4.2)/2.2 = 0.3 А.

Получается, что для зарядки нам понадобится резистор, который работает при данных показателях. Но в этой схеме все время придется проверять напряжение на аккумуляторе, чтобы не пропустить момент, когда оно достигнет максимального значения в 4,2 В.

Важно! Теоретически зарядить аккумулятор без отдельной схемы защиты возможно, но проследить при этом за напряжением и зарядным током не получится. Да, 1-2 раза такой вариант может быть использован, но гарантировать, что батарея при этом не выйдет из строя, нельзя.

Основные функции контроллеров

Существуют три главные задачи, которые выполняют контроллеры заряда:

• оптимизация системы питания;
• сохранение ресурсов;
• избежание фатальных поломок.

Контроллеры обладают разными функциями. Они корректирует подачу тока, следя за тем, чтобы показатели были меньше максимального заряда, но при этом превышали ток саморазряда. Устройства следят за прохождением всех этапов разряда-заряда аккумулятора, исходя из строения и химического состава АКБ.

Если речь идет о батареи для ноутбука, то контроллер дополнительно компенсирует энергетические потоки, которые возникают при одновременной зарядке и работе ПК. Иногда устройства оборудуются термодатчиками для аварийного отключения при перегреве или на холоде.

Если в системе используются сразу несколько аккумуляторов, контроллер обеспечивает заряд только для тех банок, которые еще не зарядились.

Для исключения утечек газа и взрыва в некоторых моделях контроллеров заряда аккумулятора используются датчики давления.

Обратите внимание! Работа любого контроллера должна обеспечивать правильное соотношение постоянный ток/постоянное напряжение (CC/CV). Если при заряде количество поставляемой энергии избыточно, то эта лишняя часть выделяется на контроллере в виде тепла. Поэтому сам контроллер никогда не встраивается в батарею, он включается в общую схему, но всегда располагается отдельно. Но как сделать устройство своими руками?

Простые схемы

Одним из самых распространенных контроллеров является вариант на микросхеме на DW01. Его используют в большинстве мобильных устройств. По виду этот элемент представляет собой электронную плату, на которую монтируются все необходимые компоненты.

DW01 имеет 6 выходов, а полевые транзисторы смонтированы в одном корпусе с 8 выходами – это микросхема 8205А.

В данной схеме задача контроллера заряда отключить АКБ либо при полном разряде, либо при полной зарядке, то есть достижении значения в 4,25 В. Вместо DW01 можно использовать NE57600, G2J, G3J, S8261, S8210, K091, JW01, JW11 и другие аналогичные микросхемы.

В микросхему LC05111CMT уже входят полевые транзисторы, здесь дополнительно используются только конденсатор и резисторы. В схеме используются встроенные транзисторы с переходным сопротивлением в 0,011 Ом. Это простая схема для создания аккумулятора своими руками. Между выводами S1 и S2 максимальное сопротивление составляет 24 В, а максимальные ток заряда/разряда – 10А.

Все сделанные самостоятельно устройства должны отвечать заданным параметрам, иначе обеспечить правильную работу аккумулятора не получится.

Видео

Если расковырять любой аккумулятор от сотового телефона, то можно обнаружить, что к выводам ячейки аккумулятора припаяна небольшая печатная плата. Это так называемая схема защиты, или Protection IC .

Из-за своих особенностей литиевые аккумуляторы требуют постоянного контроля. Давайте разберёмся более детально, как устроена схема защиты, и из каких элементов она состоит.

Рядовая схема контроллера заряда литиевого аккумулятора представляет собой небольшую плату, на которой смонтирована электронная схема из SMD компонентов. Схема контроллера 1 ячейки (“банки”) на 3,7V, как правило, состоит из двух микросхем. Одна микросхема управляющая, а другая исполнительная – сборка двух MOSFET-транзисторов.

На фото показана плата контроллера заряда от аккумулятора на 3,7V.

Микросхема с маркировкой DW01-P в небольшом корпусе – это по сути “мозг” контроллера. Вот типовая схема включения данной микросхемы. На схеме G1 – ячейка литий-ионного или полимерного аккумулятора. FET1, FET2 – это MOSFET-транзисторы.

Цоколёвка, внешний вид и назначение выводов микросхемы DW01-P.

Транзисторы MOSFET не входят в состав микросхемы DW01-P и выполнены в виде отдельной микросхемы-сборки из 2 MOSFET транзисторов N-типа. Обычно используется сборка с маркировкой 8205, а корпус может быть как 6-ти выводной (SOT-23-6), так и 8-ми выводной (TSSOP-8). Сборка может маркироваться как TXY8205A, SSF8205, S8205A и т.д. Также можно встретить сборки с маркировкой 8814 и аналогичные.

Вот цоколёвка и состав микросхемы S8205A в корпусе TSSOP-8.

Два полевых транзистора используются для того, чтобы раздельно контролировать разряд и заряд ячейки аккумулятора. Для удобства их изготавливают в одном корпусе.

Тот транзистор (FET1), что подключен к выводу OD (Overdischarge ) микросхемы DW01-P, контролирует разряд аккумулятора – подключает/отключает нагрузку. А тот (FET2), что подключен к выводу OC (Overcharge ) – подключает/отключает источник питания (зарядное устройство). Таким образом, открывая или закрывая соответствующий транзистор, можно, например, отключать нагрузку (потребитель) или останавливать зарядку ячейки аккумулятора.

Давайте разберёмся в логике работы микросхемы управления и всей схемы защиты вцелом.

Защита от перезаряда (Overcharge Protection).

Как известно, перезаряд литиевого аккумулятора свыше 4,2 – 4,3V чреват перегревом и даже взрывом.

Если напряжение на ячейке достигнет 4,2 – 4,3V (Overcharge Protection Voltage – V OCP ), то микросхема управления закрывает транзистор FET2, тем самым препятствуя дальнейшему заряду аккумулятора. Аккумулятор будет отключен от источника питания до тех пор, пока напряжение на элементе не снизится ниже 4 – 4,1V (Overcharge Release Voltage – V OCR ) из-за саморазряда. Это только в том случае, если к аккумулятору не подключена нагрузка, например он вынут из сотового телефона.

Если же аккумулятор подключен к нагрузке, то транзистор FET2 вновь открывается, когда напряжение на ячейке упадёт ниже 4,2V.

Защита от переразряда (Overdischarge Protection).

Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 2,3 – 2,5V (Overdischarge Protection Voltage – V ODP ), то контроллер выключает MOSFET-транзистор разряда FET1 – он подключен к выводу DO.

Тут есть весьма интересное условие . Пока напряжение на ячейке аккумулятора не превысить 2,9 – 3,1V (Overdischarge Release Voltage – V ODR ), нагрузка будет полностью отключена. На клеммах контроллера будет 0V. Те, кто мало знаком с логикой работы защитной схемы могут принять такое положение дел за “смерть” аккумулятора. Вот лишь маленький пример.

Миниатюрный Li-polymer аккумулятор 3,7V от MP3-плеера. Состав: управляющий контроллер – G2NK (серия S-8261 ), сборка полевых транзисторов – KC3J1 .

Аккумулятор разрядился ниже 2,5V. Схема контроля отключила его от нагрузки. На выходе контроллера 0V.

При этом если замерить напряжение на ячейке аккумулятора, то после отключения нагрузки оно чуть подросло и достигло уровня 2,7V.

Чтобы контроллер вновь подключил аккумулятор к “внешнему миру”, то есть к нагрузке, напряжение на ячейке аккумулятора должно быть 2,9 – 3,1V (V ODR ).

Тут возникает весьма резонный вопрос.

По схеме видно, что выводы Стока (Drain) транзисторов FET1, FET2 соединены вместе и никуда не подключаются. Как же течёт ток по такой цепи, когда срабатывает защита от переразряда? Как нам снова подзарядить “банку” аккумулятора, чтобы контроллер опять включил транзистор разряда – FET1?

Если порыться в даташитах на микросхемы защиты Li-ion/polymer (в том числе DW01-P , G2NK ), то можно узнать, что после срабатывания защиты от глубокого разряда, действует схема обнаружения заряда – Charger Detection . То есть при подключении зарядного устройства схема определит, что зарядник подключен и разрешит процесс заряда.

Зарядка до уровня 3,1V после глубокого разряда литиевой ячейки может занять весьма длительное время – несколько часов.

Чтобы восстановить литий-ионный/полимерный аккумулятор можно использовать специальные приборы, например, универсальное зарядное устройство Turnigy Accucell 6. О том, как это сделать, я уже рассказывал здесь.

Именно этим методом мне удалось восстановить Li-polymer 3,7V аккумулятор от MP3-плеера. Зарядка от 2,7V до 4,2V заняла 554 минуты и 52 секунды, а это более 9 часов ! Вот столько может длиться “восстановительная” зарядка.

Кроме всего прочего, в функционал микросхем защиты литиевых акумуляторов входит защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection ) и короткого замыкания. Защита от токовой перегрузки срабатывает в случае резкого падения напряжения на определённую величину. После этого микросхема ограничивает ток нагрузки. При коротком замыкании (КЗ) в нагрузке контроллер полностью отключает её до тех пор, пока замыкание не будет устранено.

Схема контроллера литий-ионного аккумулятора
Схема контроллера литий-ионного аккумулятора Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора Если расковырять любой аккумулятор от сотового телефона, то можно

Наверное, у большинства радиолюбителей, с годами заводится коробка, в которую складываются “на потом” литиевые аккумуляторы от безвременно усопших (утонувших, упавших с балкона, сгрызенных Дружком) мобильных телефонов и фотоаппаратов . Лежат себе в коробке и ждут своего часа.. А час всё не наступает. Причина проста – чтобы использовать аккумулятор в том же фонарике к нему надо сделать контроллер зарядки , а чипов зарядки в местном радиомагазине почему то не завезли.. Да, проблема.

И что делать бедному радиолюбителю? Всё очень просто – можно обойтись “подножным кормом” используя то, что скрыто от глаз среднего пользователя. А именно плату защиты, которая бережно спрятана внутри каждого литий-ионного или литий-полимерного аккумулятора . Без неё не позволяют применять аккумуляторы в бытовой технике из-за исключительной активности лития. Если разобрать аккумулятор от мобильного телефона , мы обнаружим внутри вот такое нехитрое устройство:

Это и есть плата защиты аккумулятора . На этой плате установлен чип двухуровневого компаратора и полевой транзистор . При снижении напряжения на аккумуляторе ниже 3в или подъёме выше 4,25в этот компаратор отключает транзистор и изолирует аккумулятор от внешнего мира, тем самым защищая от повреждения.

У меня родилась идея попробовать использовать эти свойства платы защиты для управления процессом зарядки телефонного аккумулятора от стандартного USB-порта компьютера (который в качестве бонуса имеет ограничитель тока на 500мА). Вот и получаем суп из топора. Точней зарядку “из ничего”. Осталось каким то образом отобразить пользователю протекание (и завершение) процесса зарядки . Ниже приведена схема этого узла.

Работает очень просто. При подключению к USB порту происходит старт зарядки и загорается светодиод . Ток заряда ограничен портом компьютера и резисторами на плате. По достижении напряжения на аккумуляторе 4,25в срабатывает компаратор платы защиты и разорвёт цепь заряда. Светодиод погаснет. В первом варианте зарядки я применял кнопку для начала процесса зарядки. Но оказалось достаточно конденсатора на 100нФ для первоначального открывания полевого транзистора. Схема очень простая и начинает работать без наладки.
Файл платы можно скачать в разделе “Каталог файлов”

Если при повторении этой конструкции у Вас возникли какие-то вопросы или идеи по улучшению её, напишите мне в онлайн форме свои соображения по этому поводу.

Как зарядить литий ионный аккумулятор без контроллера
Как зарядить литий ионный аккумулятор без контроллера Наверное, у большинства радиолюбителей, с годами заводится коробка, в которую складываются “на потом” литиевые аккумуляторы от

Если вы интересуетесь как заряжать литий ионный аккумулятор, значит вы попали по адресу.

Современные мобильные устройства требуют автономного источника питания.

Причем это справедливо как для «высоких технологий» вроде смартфонов и ноутбуков, так и для более простых устройств, скажем, электродрелей или мультиметров.

Существует масса типов разнообразных аккумуляторов. Но для портативной техники чаще всего используются Li-Ion.

К столь широкому распространению привела относительная простота производства и невысокая стоимость.

Поспособствовали этому и отличные эксплуатационные характеристики, плюс низкий саморазряд и большой запас циклов зарядки-разрядки.

Важно! Для большего удобства большинство таких батарей снабжается специальным контролирующим устройством, которое не дает заряду переходить критические отметки.

При критической разрядке эта схема просто перестает подавать напряжение на устройство, а во время превышения допустимого уровня заряда отключает поступающий ток.

При этом после достижения номинальных 100%зарядка должна продлится еще полтора-два часа.

Это необходимо потому что фактически батарея будет заряжена на 70–80%.

При зарядке от ноутбука или стационарного компьютера необходимо учитывать, что USB порт неспособен обеспечить достаточного высокого напряжения, следовательно, процесс отнимет больше времени.

Чередование циклов полной и неполной (80–90%) зарядки продлит срок использования устройства.

Несмотря на столь умную архитектуру и общую неприхотливость, соблюдение некоторых правил использования аккумуляторов поможет продлить срок их использования.

Чтобы батарея устройства не «страдала» достаточно придерживаться простых рекомендаций.

Правило 1. Не нужно полностью разряжать аккумулятор

У литий-ионных аккумуляторов современных конструкций отсутствует «эффект памяти». Поэтому заряжать их лучше до того, как настанет момент полной разрядки.

Некоторые производители отмеряют срок службы своих батарей именно количеством циклов зарядки с нулевого значения.

Наиболее качественная продукция способна переносить до 600 таких циклов. При зарядке батареи с 10–20% остатком количество циклов возрастает до 1700.

Правило 2. Полную разрядку все же необходимо предпринимать раз в три месяца

При нестабильной и нерегулярной зарядке среднестатистические отметки максимального и минимального зарядов в упомянутом ранее контроллере сбиваются.

Это приводит к тому, что устройство получает некорректную информацию о количестве заряда.

Предотвратить это поможет профилактическая разрядка. При полной разрядке аккумулятора, минимальное значение заряда в схеме управления (контроллере) обнулится.

После этого необходимо зарядить батарею «под завязку», продержав от восьми до двенадцати часов в подключенном к сети состоянии.

Это обновит максимальное значение. После такого цикла работа батареи будет стабильнее.

Правило 3. Неиспользуемый аккумулятор необходимо хранить с небольшим количеством заряда

Перед хранением лучшезарядить аккумуляторна 30–50% и хранить при температуре 15 0 С. В таких условиях батарея может храниться довольно долго без особого ущерба.

Полностью заряженный аккумулятор в процессе хранения потеряет существенную часть емкости.

А полностью разряженные после долгого хранения останется только отдать на переработку.

Правило 4. Зарядку необходимо производить только оригинальными устройствами

Примечательно, что непосредственно зарядное устройство встроено в конструкцию мобильного устройства (телефона, планшета и пр).

Внешний адаптер в таком случае выступает в роли выпрямителя и стабилизатора напряжения.

Использование сторонней «зарядки» может негативно сказаться на их состоянии.

Правило 5. Перегрев губителен для Li-Ion аккумуляторов

Высокие температуры крайне негативно отражаются на конструкции аккумуляторов. Низкие тоже губительны, но в гораздо меньшей степени.

Об этом необходимо помнить при эксплуатации литий-ионных батарей.

Батарею необходимо предохранять от прямых солнечных лучей и использовать на расстоянии от источников тепла.

Допустимый диапазон температур находится между -40 0 С и +50 0 С.

Правило 6. Зарядка батарей при помощи «лягушки»

Использование несертифицированных зарядных устройств небезопасно. В частности, распространенные «лягушки» китайского производства нередко воспламеняются в процессе зарядки.

Прежде чем использовать подобное универсальное зарядное устройство, необходимо сверится с указанными на упаковке максимально допустимыми значениями.

Так, внимание необходимо обратить на максимальную емкость.

Если ограничение меньше чем емкость аккумулятора, то в лучшем случае он полностью не зарядится.

При подключении батареи на корпусе «лягушки» должен засветиться соответствующий индикатор.

Если этого не происходит, значит, заряд критически низок или аккумулятор вышел из строя.

При подключении зарядного к сети должен засветиться индикатор подключения.

За достижение максимального заряда отвечает другой диод, который активируется в соответствующих условиях.

Советы по использованию Li-ion аккумуляторов

Как заряжать и обслуживать литий ионный аккумулятор: 6 простых правил

Как заряжать и обслуживать литий ионный аккумулятор: 6 простых правил
Как заряжать и обслуживать литий ионный аккумулятор: 6 простых правил Если вы интересуетесь как заряжать литий ионный аккумулятор, значит вы попали по адресу. Современные мобильные устройства

Всем известны преимущества литиевых аккумуляторов – в первую очередь это высокая энергетическая плотность, малый вес и отсутствие «эффекта памяти». Также стоит отметить, что потенциал одного литиевого аккум. (3,6В) в три раза больше одного никель-кадмиевого или никель-металлогидридного аккумулятора (1,2В).

Однако литиевые аккумуляторы имеют ряд особенностей, которые не позволяют безопасно использовать их без специальных систем контроля. Эти системы называют контроллерами заряда и разряда. В современной промышленности существуют готовые высоко интегрированные микросхемы для выполнения этих функций. Но, как оказалось, они не доступны для массового использования. Их не продают в магазинах радиодеталей поштучно. Их нужно заказывать в компаниях, специализирующихся на поставке электронных компонентов для предприятий и ремонтных мастерских. А минимальная партия в таком случае составляет от 10шт (это в лучшем случае).

Все это подвигло нас на разработку своего контроллера на дискретных элементах, доступных в любом провинциальном магазине радиотоваров.

При разряде литиевого аккум. нужно контролировать его напряжение и силу тока в цепи.

Напряжение на заряженном литиевом аккум. составляет 4,2В, а не 3,6В, как на нем написано. До 3,6В оно падает под нагрузкой, близкой к емкости аккум. Контроль напряжения заключается в том, чтобы не дать аккум. разрядиться ниже 3В. Этот порог варьируется в пределах 0,5В в зависимости от химического состава и геометрической формы аккумулятора. Разряд аккум. ниже 3В, приводит к необратимым химическим процессам внутри аккум., что делает его непригодным для дальнейшего использования.

Для контроля силы тока в цепи нужно предусмотреть механизм отключения, аналогичный автомату, который стоит в электрощите в каждой квартире. Т.е. он должен защищать от короткого замыкания и отключаться при превышении определенного тока в цепи. В общем случае максимальный ток разряда, который может выдать аккум. равен его емкости. Например, аккум. емкостью 2А ч может безопасно выдавать ток в 2А. Работа аккум. на токах превышающих его емкость, возможна в кратковременных режимах, или в нормальном режиме, если это указано в документации производителем аккум. При коротком замыкании литиевый аккум. может взорваться! Будьте осторожны!

Подробнее о химических процессах, режимах заряда и разряда литиевых аккум. можно прочитать здесь Panasonic Lithium Ion Handbook (на английском языке).

Все началось с того, что в моем ноутбуке отключилась аккумуляторная батарея. Ноутбуку было два года, от аккум. он почти не работал – все время был включен в сеть. Как потом мне сказали, это и могло быть причиной поломки аккум. Т.е. это было не медленное умирание аккум. с понижением емкости, наоборот, ноутбук работал от него часов пять, просто в один прекрасный день, он не включился от батареи и все. Батарея перестала определяться в Windows, и я сделал вывод, что сгорел встроенный контроллер аккум. батареи. Разобрав аккум., мы увидели 6 элементов, объединенные по 2 в 3 ячейки с последовательно-параллельным соединением.

Измерив напряжение на каждой ячейке, мы убедились, что они заряжены. Это еще раз подтвердило версию поломки контроллера. При внешнем осмотре контроллера никаких видимых повреждений найдено не было. Идею ремонта контроллера я отверг, как трудновыполнимую (на форумах народ писал о перепайке и программировании процессора контроллера). И вообще, сложность этого контроллера произвела сильное впечатление. Кто знает, что действительно там выгорело?

Поэтому я заказал новую батарею, а этой решил заняться позже. А зря!

Занялся я им месяца через два. Выдрал элементы из корпуса, отключил от контроллера, измерил на них напряжение и сильно удивился - 4 элемента были полностью разряжены! А на остальных двух напряжение было около 1В. Видимо испорченный контроллер полностью разрядил через себя 2 ячейки.

По инструкции, аккум. разряженные ниже 3В, следовало заряжать током 0,1 от емкости. Эти 4 элемента зарядить не удалось. Никакие танцы с бубном, замораживание и оттаивание, постукивание и т.д. не помогли. Пришлось их выкинуть. Вот это и есть глубокий переразряд, который убивает литиевые аккум. Оставшиеся два элемента зарядить удалось.

На элементах была маркировка Sanyo UR18650FM 2,6AH. Сразу понятно, что емкость элемента 2,6А ч и производит его японская корпорация Sanyo. Поиски по сайту этой корпорации привели нас к документу с названием . Только буквы М в конце нет. Документ оказался очень интересным. В нем были технические характеристики аккумулятора с емкостью 2,5А ч, габариты совпадали с нашим.

Решив использовать этот документ в качестве руководства к действию, мы приступили к проектированию своего контроллера разряда.

Из графика “Discharge rate characteristics” (характеристики динамики разряда) стало ясно, что элемент допускает разряд до 2,7В и силу тока 2С, т.е. удвоенной емкости. Соответственно наш элемент с емкостью 2,6А ч может выдавать 5,2А.

Контроллер разряда

Всесторонне проанализировав этот документ и другую справочную литературу, Скворцов Владимир Николаевич (не путать со Старлингом) создал контроллер для работы с одним или двумя литиевыми элементами. Контроллер защищает элементы от короткого замыкания и переразряда.

Схема контроллера, представленного на рисунке, обеспечивает отключение нагрузки при падении напряжения на аккумуляторах до 6В (3В на каждом элементе). Коротким замыканием считается сила тока выше 4А.

Для использования контроллера с одним элементом (отключение на 3В) нужно подобрать (увеличить) резистор R1 – он отвечает за порог срабатывания при падении напряжения. Также нужно учитывать индивидуальные особенности транзистора VT1 (допуск % отклонения).

Для контроля силы тока подбирают резистор R7. Чем меньше его номинал, тем больший ток пропускает контроллер.

В качестве транзистора VT3 можно использовать любой мощный полевый транзистор с запасом по току в 3 раза больше емкости аккумуляторов, например 15N03.

Принцип и режимы работы контроллера

Включение, нормальный режим

При подключении батареи из двух заряженных аккумуляторов (8,4В) открывается транзистор VT4. За счет базового тока через R4 напряжение на эмиттере VT4 становится около 0,7В. Также резистор R4 удерживает VT2 в закрытом состоянии.

При открытии VT4, через делитель R1-R2 начинает протекать ток, который создает падение напряжения на R1, и VT1 открывается. Напряжение на его стоке становится близким к напряжению на аккумуляторной батарее. Через резистор R3 оно подается на затвор VT3 и он открывается. При этом «-» батареи через R7 и открытый VT3 подключается к выходной клемме «-». Контроллер включился.

Защита от переразряда

Когда напряжение на аккум. батарее достигает 6В (3В на каждом элементе), напряжение на делителе R1-R2 уменьшается, напряжение на затворе VT1 тоже уменьшается до порога закрытия, VT1 закрывается. Затвор VT3 оказывается подключенным через R5 к «-» аккум. батареи, поэтому VT3 тоже закрывается. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отсоединить нагрузку и зарядить батарею.

При тестировании собранной схемы к ней нужно подключать хоть какую-нибудь минимальную нагрузку, например светодиоды. Механизм защиты работает только с подключенной нагрузкой, к тому же светодиоды будут наглядно индицировать отключение нагрузки.

Защита от короткого замыкания

Ток короткого замыкания задает R7. Чем меньше его номинал, тем больший ток пропускает контроллер. В схеме на рис.1 используется резистор 0,1 Ома. С таким резистором контроллер допускает ток до 4А, больший ток считается коротким замыканием. При работе на больших токах резистор R7 должен быть достаточной мощности – не менее 1Вт.

При превышении допустимого тока, падение напряжения на R7 + падение напряжения на исток – сток VT3 увеличивается до уровня открытия VT2. Открытый VT2 подключает затвор VT3 к «-» батареи, VT3 закрывается. Сток VT3 а также база VT4 и затвор VT2 через нагрузку подключаются к «+» батареи. VT4 закрывается, на делителе R1-R2 напряжение около 0, VT1 тоже закрывается. Нагрузка отключается. Для приведения контроллера в исходное состояние нужно отсоединить нагрузку.

Печатная плата

Печатную плату в формате Sprint-Layout 4 можно скачать rar, 5Кб.

Если у Вас нет этой программы, ее можно скачать rar, 1Мб.

Габариты устройства (30 х 16мм) были выбраны для возможности его установки в торец аккум. батареи.

Фотографии устройства

Обратите внимание, что база транзистора VT4 (КТ3107) и затвор VT2 (2SK583) являются проводниками на обратную сторону печатной платы.

Подготовка аккумуляторов

Не используйте в одном устройстве аккумуляторы разных типов и марок. Лучше и безопаснее найти одинаковые элементы.

При использовании двух элементов нужно уравновесить их начальный потенциал – т.е. у них должно быть одинаковое напряжение. Для этого соединяют их отрицательные полюса (минусы) напрямую, а положительные через резистор 30 Ом. Мощность резистора 1 или 2 ватта. Потом нужно измерить напряжение на выводах резистора. Если оно больше 10 милливольт – нужно ждать. Ждать нужно около суток. Получается, что более заряженный аккумулятор медленно через резистор разряжается на менее заряженный. Т.о. напряжение на них выравнивается. Уравновешенные элементы можно соединять напрямую без резистора – последовательно или параллельно.

Небольшое уточнение по поводу последовательного соединения. Заводские интегральные контроллеры разряда следят за напряжением на каждом из последовательно соединенных элементов. Наш контроллер контролирует только общее напряжение на выходе. Измерения показали, что при использовании уравновешенных элементов, разность напряжения на элементах составляет 5 – 8 милливольт. Это вполне допустимо. Поэтому нет надобности в установке отдельного контроллера на каждом элементе.

Теория заряда

Заводские контроллеры заряда контролируют напряжение, ток и время заряда, выбирают нормальный или щадящий режим. Если напряжение на элементе выше 3В, он заряжается в нормальном режиме. Процесс зарядки в таком случае идет в 2 этапа:
1 этап – зарядка постоянным током (Constant current – CC);
2 этап – зарядка постоянным напряжением (Constant voltage – CV).

Максимальный ток заряда зависит от емкости (С) аккум., как правило это 0,7С или 1,0С. Для наших элементов ток заряда был указан в документе, и равнялся 0,7С. Напряжение заряда 4,2В (для одного элемента).

Блок питания для заряда одного аккумулятора должен иметь напряжение 4,2В и обеспечивать силу тока 0,7С (где С – емкость аккум., в нашем случае 2,6 0,7=1,82А). Если элементы соединены последовательно, то удваивается напряжение заряда – 8,4В. Если параллельно, удваивается сила тока 2 0,7С=1,4С, а напряжение остается 4,2В.

На графике Charge characteristics (характеристики заряда) показаны оба этапа зарядки. На первом этапе через аккум. пропускают ток 0,7С. Здесь главное – не дать току подняться выше этого значения. В то же время напряжение на элементе постепенно увеличивается с 3 до 4,2В. Этап так и называется – постоянный ток (CC), это значит, что пока напряжение растет, ток остается постоянным.

Первый этап заканчивается, когда напряжение на элементе достигает 4,2В. Это обозначено красной цифрой 1 на графике. С этого момента начинается второй этап – постоянное напряжение (CV). Это значит, что напряжение остается постоянным 4,2В, а сила тока постепенно снижается до исчезающе малого значения. Момент начала снижения силы тока обозначен на графике красной цифрой 2.

Как видно из графика, 80% набора емкости приходится на первый этап.

Заводские контроллеры считают зарядку законченной, когда ток упадет до заданного значения - как правило, это 0,1С. На нашем графике это 50 миллиампер. Также некоторые заводские контроллеры следят за временем зарядки. Если за определенное время аккумулятор не зарядился полностью (ток не упал до нужного значения), контроллер тоже прекращает заряд. Время заряда зависит от емкости и тока заряда, и указывается в документации. Для нашего аккумулятора это 3 часа при силе тока 0,7С.

Щадящий режим заряда выбирается контроллером в том случае, если напряжение на аккумуляторе было ниже 3В. Такой элемент считается глубоко разряженным, и заряжать его нужно осторожно. В таком случае зарядка начинается с этапа Precharge (предварительный заряд). На этом этапе ток заряда устанавливается 0,1 от емкости (0,1С). Этим током напряжение на элементе медленно поднимают до 3В. А дальше все как обычно.

Если использовать исправные элементы и не разряжать их ниже 3В, можно вполне обойтись подручными средствами. Для этого понадобится блок питания с напряжением 4,2 или 8,4В и ограничением силы тока. Окончание заряда можно отслеживать по силе тока или не отслеживать вовсе, а отключать блок питания через 2 или 3 часа.

В ближайшем будущем мы опубликуем способы доработки обычных блоков питания для соответствия выше описанным характеристикам.

Продолжение следует…

Разработка устройства и печатной платы - Скворцов Владимир Николаевич
Постановка задачи, подача и оформление материала - Угренинов Виталий
Тюмень-Космопоиск, 2009

Используемые источники

Мини - USB зарядка Объединенная техническая группа ТЕГИР. Экспедиционная энергетика.

Lithium Ion Handbook Panasonic industrial

UR18650F Specifications SANYO Mobile Energy Company

Lithium ion Battery lineup SANYO Mobile Energy Company

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.

«С» значит Capacity

Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).
Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.

Схема простого зарядного устройства на LM317

Рис. 5.

Схема с применением обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

Надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.

Схема простого зарядного устройства на LTC4054

Рис. 6.

Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).

Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»

Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт.
Индикация заряда.
Защита от КЗ на выходе.
Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.

Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле

I=1000/R,
где I - ток заряда в Амперах, R - сопротивление резистора в Омах.

Индикатор разрядки литиевого аккумулятора

Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.

Рис. 8.

Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.

Нюанс долговечности

Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.
1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных - к полной или частичной потере ёмкости.

Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления - создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.

Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.

Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.

Где я применяю литиевые батареи

Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!

Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.

Ставлю в светодиодные фонарики.

В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.

Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.

Где я покупаю литий и полезности по теме

Продаются . По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.

Честные Sanyo 18650

Как же плотно вошли в нашу жизнь Li-ion аккумуляторы. То, что они применяются почти во все микропроцессорной электронике это уже норма. Так и радиолюбители уже давно взяли их себе на вооружение и используют в своих самоделках. Способствую этому значительные плюсы Li-ion аккумуляторов, такие как небольшой размер, большая емкость, большой выбор исполнений различных ёмкостей и форм.

Самый распространенный аккумулятор имеет марку 18650 его напряжение составляет 3,7 В. Для которого я у буду делать индикатор разряда.
Наверное, не стоит рассказывать, как вредна для аккумуляторов кране низкая их разрядка. Причем для аккумуляторов всех разновидностей. Правильная эксплуатация аккумуляторных батарей продлит их жизнь в несколько раз и сэкономит ваши деньги.

Схема индикатора зарядки

Схема довольно универсально и может работать в диапазоне 3-15 вольт. Порог срабатывания можно настроить переменным резистором. Так что устройство можно использовать почти для любых аккумуляторов, будь то кислотные, никелево-кадмиевые (nicd) или литий-ионные (Li-ion).
Схема отслеживает напряжение и как только оно упадет ниже заданного уровня – загорится светодиод, сигнализируя о низкой разрядке батареи.
В схеме используется регулируемый (ссылка где брал). Вообще этот стабилитрон является очень интересным радиоэлементом, который может существенно облегчить жизнь радиолюбителям, при построении схем, завязанных на стабилизации или пороговом срабатывании. Так что берите его на вооружение, особенно при постройке блоков питания, схем стабилизации токов и т.п.
Транзистор можно заменить любым другим NPN структуры, отечественный аналог КТ315, КТ3102.
R2- регулирует яркость светодиода.
R1 – переменный резистор номиналом от 50 до 150 кОм.
Номинал R3 можно прибавить до 20-30 кОм для экономии энергии, если использован транзистор с высоким коэффициентом передачи.
Если у вас не окажется регулируемого стабилизатора TL431, то можно использовать проверенную советскую схему на двух транзисторах.

Порог срабатывания задается резисторами R2, R3. Вместо них можно запаять один переменный, чтобы дать возможность регулировки и уменьшить количество элементов. Советские транзисторы можно заменить на BC237, BC238, BC317 (КТ3102) и BC556, BC557 (КТ3107).

Схему можно собрать на плате или навесным монтажом. Одеть термоусадочную трубку и обдуть термофеном. Приклеить на двухсторонний скотч к тыльной стороне корпуса. Я лично установил данную плату в шуруповерт и теперь не до вожу его аккумуляторы до критического разряда.
Так же параллельно резистору со светодиодом можно подключить зуммер (пищалку) и тогда вы точно будете знать о критических порогах.